3S技术在水质监测中的应用

3S 技术在水环境监测中的应用 环境科学与工程 摘要摘要 3S 技术以其实时 快速的分析能力 动态仿真能力与强大的空间信息分 析与管理能力广泛应用于环境监测领域的各个方面 尤其是在水质监测 在河 流水质监测领域 3S 技术应用于河流泥沙 富营养化 工业污染和水体热污染 等领域 在海洋水体监测方面 3S 技术应用于河口泥沙规律研究 海水监测 海温监测 海况监测 海洋初级生产力及渔场监测 海洋污染监测等方面 关键词 3S 技术 环境监测 水质监测 引言引言 在环境监测领域 将传统的环境监测技术与现代信息技术有机结合 是当前城市环境监测研究的重要手段之一 1 而环境监测从单一的环境分析发 展到物理监测 生物监测 生态监测 遥感 卫星监测 监测范围从一个断面 发展到一个城市 一个区域 整个国家乃至全球 2 也迫切需要引进一种先进 的分析技术 而 3S 技术的产生于发展 为环境监测由微观的转变创造了条件 实现了信息从静态到动态的转变 例如 Lathrop 等利用 Land sat25 的 TM 数 3 据评价了 Green 弯和 Central 湖的水质变化情况 Lavery P 等利用遥感技术的 4 Land sat 图像分析水质达到监测的目的 陈群等利用 TM 数据建立了估算叶 5 绿素 a 浓度的模型等 一些学者运用 3S 技术与环境监测技术相结合的方法对 6 某些流域的额总氮 总磷 颗粒态磷和可溶性磷的监测 9 7 1 3S 技术 3S 技术是指地理信息系统技术 GIS 遥感 RS 和全球卫星定位系 统 GPS 是一种空间信息获取 存储 跟新 分析和应用的关键技术 10 在实际的环境监测应用中 GPS 主要用于实时 快速地提供目标地 物理坐标 为获取的空间及属性信息提供准确或实时的地理位置及地面高程模型 RS 11 是环境研究的主要信息来源 一般通过遥感图像来实现 遥感图像是地面景观 物体按照一定比例尺缩小了的立体模型 真实 客观 连续地记录了地表物体 的总体与个体的信息特征 随着 RS 处理技术的进步和虚拟现实技术的不断发 展 还可实现动态仿真 提高调查效率与环境监测精度 在环境监测中 12 GIS 强大的空间信息管理与分析功能是进行区域环境和资源动态分析 建立动 态数据库的最佳手段 是综合处理与分析多源时空数据的理想平台 GIS 能通 过对多源的信息综合 复合图像处理及其三维图像显示技术的综合应用 把现 实生活中的种种信息与反映地理位置的图形信息有机地结合在一起 在实地监 测及模型模拟的情况下 GIS 还可以迅速地完成多维 多元复合分析 能使我 们快速分析出某一特定区域环境的综合信息 为生态环境的专题研究 规划和 其他与之相关的决策提供了一套强有力的信息处理工具 2 3S 技术在水环境监测的应用 遥感监测水质参数的原理主要是被污染或含有某种物质的水体具有独特而 区别于洁净水体的光谱特征 诸如水中悬浮物 藻类 化学物质 溶解性有机 物等水体组分 因影响光的反射 吸收和后向散射而在遥感图像上反映出来 从而我们可以根据其在图像上的反映推断出水体的水质参数 13 例如 城在城市水环境监测中 废水由于水色与悬浮物千差万别 故特征曲 线上的反向峰位置和强度也不大一样 对废水污染一般用多光谱合成图像进行 监测 结合 GIS 中的城市基本图件还可对城市废水的扩散进行研究 此外 系统 综合利用 RS GPS 及常规监测技术 以 GIS 为信息处理平台 还可实现对城市水 域分布变化和水体沼泽化 水体富营养化 泥沙污染等进行监测 14 施建强以太湖流域的多源水环境监测信息为对象 以 GIS 和 Visual 15 Basic 为工具 运用所收集的大量的基础地理数据 水质专题数据 遥感数据 和多媒体数据开发了太湖水环境监测信息管理系统 能够提供实时性强 真实 准确的水质参数信息 并能实现快速查询 综合分析等操作 为水环境管理 发展预测 规划决策等提供可靠依据 水环境多源监测信息在地理信息系统中 集成并分析 使区域水环境状况的表达和可视化更加直观 快速 实时和有效 3 3S 技术在水质监测中的应用 3 1 3S 技术在河流 湖泊水环境监测中的应用 在河流与湖泊水中 由于清洁水的光吸收能力强 反射率低 使得清洁水 与污染水在遥感影像的颜色色调不同 水体总体反射率较低 在波长 0 5 m 0 7 m 处相对较高 0 7 m 之后由于水体红外光吸收严重 反射率很低 对于水 域分布变化 选用 1 55 m 1 75 m 的多时域影像为宜 沼泽化在多时域图像 上反映为水体面积缩小 从水体向边缘呈规律变化 显示出程度不同的植被特 征 16 当水体中泥沙含量增加会使水的反射率提高 随着水中悬浮泥沙浓度的增 加及悬粒径增加 水体反射量也逐渐增加 反射峰亦随之向长波方向移动 即红 移 由于水体在 0 93 m 1 13 m 附近对红外辐射吸收强烈 因而反射通量降 低 受水分瑞利散射效应干扰 不适宜作为悬浮泥沙浓度的判定波段 定量判读 悬浮泥沙浓度的最佳波段为 0 65 m 0 85 m 17 当水体营养化当水体出现富营养化时 由于浮游植物中的叶绿素对近红外光 具有明显的 陡坡效应 因而水体兼有水体和植物的光谱特征 在彩色红外图 像上 呈现红褐色或紫红色 根据这一特点 系统综合利用 RS GPS 及常规 监测技术 以 GIS 为信息处理平台 通过对被污染水体与正常水体的光谱资料 的比较 可对水体的污染源 影响范围 面积和浓度等进行监测 从而对一个 地区的水资源和水环境等做出科学评价 17 万余庆等以黄土高原几类为试验品 定量研究了不同泥土含量与水体光 18 谱反射率的关系 认为高光谱遥感技术可以探测水体泥沙含量 含有各类土壤 的水体在波长 1 550 1 850 nm 1 350 1 380 nm 的光谱反射率与泥沙含量线性 相关性明显 因而 可以采用 3S 技术对水体中的污泥进行探测 通过所形成 的影像来判断水体的泥沙含量 为河道的治理以及水质的改善提供详细的基础 资料 废水污染和水体热污染热污染大多由工厂中排出的热水造成 不仅危及水体 中的生物 还影响农作物生长 废水因为在水色与悬浮物性状上有着差别 所 以特征曲线也不一样 废水污染一般用多光谱合成图像监测 有的根据温度差 异也可用热红外方法测定 遥感监测水体污染是一种有效的宏观监测手段 目 前主要的探测方法有热红外遥感和微波遥感 在图像可显示出热污染排放 流 向和温度分布等有关的物理特性 19 3 2 3S 技术在海洋监测中的应用 由于海洋的广袤无垠 对于海洋监测需要建立庞大的数据库来存储水质信 息与空间信息 而遥感在海洋调查中显示了它独特的大范围 多时相 高分辨 率的特点 GIS 则充分发挥了其数据管理能力 由于海水中各波段对不同物质 的影响在显示上有所不同 可以通过不同的处理来获取海面虚浮泥沙 浮游生 物等污染物的信息 3S 技术在河口泥沙规律研究 海水监测 海温监测 海 况监测 海洋初级生产力及渔场监测 海洋污染监测等方面已发挥了重要作用 对空间规模宏大和时间变化迅速的厄尔尼诺效应 黑潮 赤潮 墨西哥湾流等 的监测已取得较好的效果 20 由于海洋中的生物及其周围环境是海洋生态系统中的统一有机体 海洋中 鱼类的集群范围 洄游路线和资源丰富度不仅受水温影响 而且与浮游植物生 物量 营养物质浓度 海水盐度 溶解氧 潮汐和气象等因素密切相关 16 对海洋生物的监测则可以利用其对不同光线的吸收程度进行分类监测 从而快 速有效的监测海洋资源数量与质量 海洋污染源主要有两类 一类是石油污染 包括船只排油 溢油事故 海上 油井泄漏等 另一类是污水 包括工业污水和生活污水 通过对资源卫星数据处理 可以把油膜从海水背景中区分出来 并能计算 出各区的面积和油量 通过对污染发生后各天的气象卫星图像的对比分析 可 以确定油膜的漂移方向 计算出其扩散速度和扩散面积 卫星遥感可实现对海 洋大范围 全天候的污染监测 利用卫星上的可见光 多光谱辐射传感器 不仅 可以判定海面油膜的存在 还可以测定油膜扩散的范围 油膜厚度及污染油的 种类 通过监测水温 水色和海面磷酸盐浓度等因素及变化 可以获知赤潮位 置 范围 扩散漂移方向等信息 21 4 结束语 3S 技术的引进与应用不仅在空间上大大扩展了水质监测的范围 使得监测者可以同时 间监测大范围段水域 而且也在时间上扩展了环境监测的维度 使得大范围水域监测可实 现实时在线的监测 通过GPS 实时 快速地提供目标地 物理坐标 为获取的空 间及属性信息提供准确或实时的地理位置及地面高程模型 RS 对遥感图像的分 析与建模虚拟 以及 GIS 强大的空间数据储存于处理技术 建立实时数据平台 使得人们可以实时的监测 管理与决策 更好更快地对水质问题作出反应 可 以预见 3S 技术与水质监测技术的结合将会更加紧密 5 参考文献 1 曹静 曹军 3S 技术在城市环境监测中的应用 2 吴邦灿 费龙 现代环境监测技术 M 北京 中国环境科学出版社 1999 3 王妮 基于 3S 技术的森林资源变化动态监测 以 2000 2010 年间江苏省宿迁市为例 D 南京林业大学博士 2012 4 Lathrop RG and Lille sand TM The use of thematic mapper data to assess water quality in Green Bay and Central Lake Michigan J Photogrammetric Engineering Remote Sensing 1986 52 5 671 680 5 Lavery P Pattiaratchi Cetal Water quality montoring in estuarine water using the land sat the matic mapper J Remote Sensing of Environment 1993 46 2 268 280 6 陈楚群 施平 等 应用 TM 数据估算沿岸海水表层叶绿素浓度模型研究 J 环境遥感 1996 11 3 168 175 7 Brauer N O Geen AT Dahlgren A 2009 Temporal variability inwater quality of agricultural tailwaters implications for water qualitymonitoring J Agriculture Water Management 96 6 1001 1009 8 Clement A 2001 Improving uncertain nutrient load estimates for LakeBalaton J Water Science Technology 43 7 279 286 9 Coynel A Sch fer J Hurtrez J E etal 2004Sampling frequency and accuracy of SPM flux estimates in two contrasted drainage basins J Science of the Total Environment 330 1 3 233 247 10 冯仲科 余新晓 3S 技术及其应用 M 中国林业出版社 2000 1 11 陈涛 杨武年 3S 技术在生态环境动态监测中的应用研究 J 中国环境监测 2003 19 3 19 22 12 杨武年 廖崇高 濮国梁等 数字区调新技术新方法遥感图像地质解译三维可视化及 影像动态分析 J 地质通报 2003 1 13 喻文科 秦普丰 周俊宇 陈海 水环境监测中的遥感应用探讨 J 绿色科技 2013 4 14 杜培军 高井祥 3S 技术的城市环境监测与管理系统研究 环境监测管理与 技术 2000 12 4 15 施建强 徐立中 林志贵 GIS 与水环境多源监测信息集成研究 J 计算机工程 2005 31 12 16 黎刚 环境遥感监测技术进展 J 环境监测管理与技术 2007 19