高光谱成像技术监测太湖水质

1、太湖水质监测中光谱技术的应用2008年5月29日，以“太湖美，美就美在太湖水”著称的无锡太湖，突然大面积蓝藻暴发，供给无 锡全市市民的饮用水源迅速被蓝藻污染，小小蓝藻搅得无锡市近200万人口生活不得安宁。千百年来被太 湖滋养的无锡，被一场严重的水危机打了个措手不及。太湖蓝藻的肆虐，不是一朝一夕就形成的，太湖蓝藻的危害已经有二十多年了，至今已呈积重难返之 势。太湖蓝藻的治理，相关部门也早就采取措施加以治理，但至今仍没有找到根治蓝藻的方法，太湖蓝藻 的治理，出路到底在哪里？蓝藻的爆发更多是人祸造成“蓝藻”是一种最原始的单细胞藻类植物，一般呈蓝绿色，少数呈红色，主要分布在淡水中。在一些 营养丰富的水

2、体中，有些“蓝藻”经常在夏季大量繁殖，并在水面形成一层蓝绿色而有腥臭味的浮沫（称 为“水华”），造成水体缺氧、腐臭。“蓝藻”死亡后会产生毒素，加剧水质恶化，严重污染饮用水。这次无锡水危机最直接的原因是蓝藻暴发，看上去是气温升高、降雨偏少弱化了水体本身的净化能力， 致使水质进一步恶化，加剧了蓝藻的灾情。但不可否认的是，这样一场生态灾难的背后挥之不去的是人祸 的影子。据有关监测结果显示，太湖的营养盐浓度持续增高，1998年以来湖心区监测点水体总磷的浓度和叶绿 素含量的平均值均呈现不断增加趋势。由于水体严重富营养化，太湖流域的饮用水日益受到威胁。监测数 据显示，目前，太湖流域的饮用水源地水质以II类

3、、田类为主，有32%的水体水质不能达到饮用水要求。从1995年起，太湖就被列入国家“三河三湖”水污染防治的重点，十多年的治理中，各级政府都投入 了大量资金，建设了大批工程。据统计，2005年太湖治理一期总投资约人民币100亿元，即将开始的太湖 治理二期工程预算投资甚至达到了 1000亿元。然而所有的努力，都被污染的加剧所淹没。近年来，太湖上的蓝藻就像“牛皮癣”越治越多，一到夏 天就暴发。太湖湖泊生态系统结构遭受空前破坏，连续多年发生了湖泊萎缩、功能衰退、水质污染、湿地 减少等现象。针对这一现状，更多的人呼吁进行生态修复。相关部门也迅速投入了行动，2004年，国家和 地方政府就投入了近20亿资金

4、，对太湖的五里湖地区进行了重点治理，整改湖滨带，清理了一些废弃鱼塘； 采用了梅梁湾水源地水质改善技术、河网区面源污染控制成套技术、重污染水体底泥环保疏浚与生态重建 三大技术。这也在一定程度上缓解了蓝藻污染，改善了水质。同时，通过河网区面源污染控制、水源地水质改善、重污染水体生态重建等方面的关键技术研发、综 合技术集成、工程规模的示范，也为太湖水污染控制与水体修复做了有益的探索，为日后太湖的生态修复 积累了经验。但有专家认为，生态修复必须要有个前提一一首先要进行控源。这也是很多学者一致的意见，如果污 染源头不控制住，“边治理、边污染”最终还是看不到什么效果。应针对太湖流域河湖密布的特点，建立河

5、网污染控制与生态修复综合示范区，体现区域污染源头控制、河网截污、河口与湖湾净化以及湖泊生态修 复的“防、控、治一体化”指导思想。中国环科院院长孟伟也认为，让太湖“休养生息”，减少对太湖的开发利用，10年到15年让太湖恢复 往日的山清水秀应该是没问题的，但前提是所有的污水都不进太湖，让太湖自己慢慢分解吸收已有的污染 物，同时要改善太湖周边的环境，使生态系统得到恢复。太湖流域水资源保护局于1988年委托上海师范大学进行太湖水质变迁的遥感研究，其研究成果包括通 过1988年对太湖水体不同点进行的实地监测资料分析，绘制了太湖不同水域的水体反射光谱曲线，通过光 谱特性的识别、提取和分析，建立遥感资料与太

6、湖人工水质监测数据的相关关系，分别就太湖湖底的有机 质含量、太湖水质指标COD、泥沙含量、浮游植物生物量等项目，与八十年代的卫星遥感的光谱波段建立 了线形回归方程式，利用1973年至1986年九个时相的美国陆地卫星和我国国土卫星影相资料，分析确定 太湖不同水域的七十年代至八十年代之间的水质变化过程，并在1988年底完成的报告中提出太湖富营养化 状况已十分严重，若不采取措施，在合适的条件下，太湖将出现大范围的水华。1990年太湖第一次爆发 蓝藻的事实说明，遥感技术在太湖的水资源管理和保护中是可以大有作为的，尤其在太湖水环境因子提取 技术、太湖水环境异常速报技术中采用遥感技术，利用现有的遥感系统信

7、息源构建湖泊水环境遥感运行系 统方面，急需进行研究。利用卫星遥感的大范围覆盖和稳定信息获取，实现对太湖水环境的水质变化过程 的全过程监测，以便为全面、客观的了解太湖水污染治理前后的水质和富营养化的实际情况，为及时发现 问题，及时采取防范措施提供技术手段，也为遥感技术在湖泊水环境管理中的应用起到示范作用。按照我国的地表水环境质量标准（GB3838-2002）规定，田类以上的水质（即I类、II类，并包括田 类）可以作为水源水，低于田类标准的（即IV类、V类）不能作为水源水针对太湖水体，分别于雪堰、同里、东太湖和宜兴取样测试，测试项目有化学需氧量COD、总氮、总 磷、水温、pH、色度等6项指标。从结

8、果看，COD大大超过V类水体水质要求，同里和宜兴水质超标在3 倍以上，说明水质很差。导致富营养化的关键指标总氮、总磷的含量也不容乐观，总氮含量雪堰最低为 0.3mg/L，为II类水质；最差的为同里和宜兴的水样，接近V类水质。总磷的含量对富营养化的作用更大， 从结果看，同里和宜兴的水样已经达到V类或超过V类水质标准，富营养化程度很高；雪堰和东太湖水样 接近田类水体水质标准。根据以上分析可知，太湖水体已经是田类和低于田类标准的水体，水质情况较差。据报道在湖泊总氮 超过0.5 mg/ L、总磷超过0.08 mg/ L的条件下,微囊藻（一种典型的蓝藻，会释放藻毒素）成为主导物种。由 于太湖为浅水湖，光

9、照彻底，加上氮、磷含量较高，因此易于以微囊藻为主的蓝藻生长。附表：太湖水样测试结果采样点 指标雪堰同里无锡（东太湖）宜兴CODcr(mg/L)58.3154.860.7124.4TN(mg/L)0.31.40.61.3TP(mg/L)0.190.450.150.84水温（C）28.228.628.528.7PH6.56.56.56.8地表水环境质量标准基本项目标准限值单位：mg/L序号I类II类田类V类V类1水温（C）人为造成的环境水温变化应限制在：周平均最大温升W1周平均最大温降W2p H值（无量纲）6 - 9化学需氧量（CODcr） W 15 15 20 30 40总磷（TP）（以P 计）

10、0.02（湖、库0.01） 0.1（湖、库0.025） 0.2（湖、库0.05） 0.3（湖、库0.1） 0.4（湖、库0.2）总氮(TN)(湖、库，以 N 计) 0.20.51.01.52.0为了监测太湖水质的变化，我们可以充分运用遥感技术在水质监测方面的作用，以便于可以随时监测 太湖水质变化。遥感技术在水质监测中的应用：水体遥感监测原理、特点。影响水质的参数有：水中悬浮物、藻类、化学物质、溶解性有机物、热释 放物、病原体和油类物质等。随着遥感技术的革新和对物质光谱特征研究的深入，可以监测的水质参数种 类也在逐渐增加，除了热污染和溢油污染等突发性水污染事故的监测外，用遥感监测的水质数据大致可

11、以 分为以下四大类：浑浊度、浮游植物、溶解性有机物、化学性水质指标。水质遥感监测常用的光谱数据获取的工具：成像光谱仪；也称高光谱成像仪，实质上是将二维图像和 地物光谱测量结合起来的图谱合一的遥感技术，其光谱分辨率高达纳米数量级。高光谱成像的数据是一叠 连续多个波段成像获得的样品的图像，就是俗称的图像立方体(Image cube)。通常的地面应用是把推扫 式成像光谱仪放置在地面(船或其他平台)，配备旋转位移台或线形位移台进行光谱扫描。现在已经有新 型的地面成像光谱仪，如美国SOC710/SOC730等高光谱成像光谱仪，利用仪器内部的扫描装置实现推扫 成像，而不需要配备位移台，这样就大大减轻了仪器重量，利于野外便携作业。利用遥感技术进行水环境质量监测的主要机理是被污染水体具有独特的有别于清洁水体的光谱特征， 这些光谱特征体现在其对特定波长的光的吸收或反射，而且这些光谱特征能够为遥感器所捕获并在遥感图 象中体现出来。如当水体出现富营养化时，浮游植物中的叶绿素对近红外波段具有明显的“陡坡效应”故 而这类水体兼有水体和植物的光谱特征，即在可见光波段反射率低，在近红外波段反射率却明显升高。水质参数的遥感监测过程。