張鳳麗¹，楊鋒杰²，萬余慶³
(1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理所，上海200083；2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)系，山東泰安 271019；
3.中煤航測遙感局遙感應(yīng)用研究院，陜西西安 710054)

　　摘　要： 通過對西安市護(hù)城河及興慶公園污水的監(jiān)測，定量分析了水體中COD、BOD₅與水體波譜之間的關(guān)系，為水體污染的遙感分析與監(jiān)測提供了理論基礎(chǔ)和方法依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：水體污染；波譜分析；遙感監(jiān)測
　　中圖分類號：X832；X87
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)08-0081-03

　　水體中的污染物質(zhì)(包括懸浮物、可溶性有機物及浮游植物等)會極大地影響水體的反射波譜特征^［1］，一些研究者嘗試著用輻射傳輸模型來預(yù)測這些物質(zhì)的濃度，但這需要了解各種污染物質(zhì)的光學(xué)特性(如對電磁波的吸收和散射等)，但隨著時間和地點的不同各水體污染性質(zhì)和污染物質(zhì)含量可能相差很遠(yuǎn)，因此這種要求是難以滿足的?；貧w預(yù)測是環(huán)境遙感監(jiān)測中最常用的方法，藉此通過分析水體波譜特征建立水體反射波譜與BOD₅、COD之間的相關(guān)模型，從而實現(xiàn)對水體的遙感監(jiān)測。

1 波譜理論

　　 典型水體的反射波譜特征曲線如圖1所示。?
　　 由圖1可見，水體在400～500nm范圍內(nèi)的反射波譜較低，這是由葉綠素-a和黃色 物質(zhì)的吸收所引起的；在560～590 nm附近的反射曲線增長則是由藻類的低吸收所致；在624nm附近的傾斜則要歸因于藻青蛋白的吸收；在675nm處因葉綠素-a的強烈吸收而導(dǎo)致反射波譜降至最低(只有當(dāng)葉綠素-a濃度較低時，才會在624、675nm處出現(xiàn)側(cè)翼)；而700nm附近的顯著反射峰的成因目前還不是很清楚，可能是由浮游植物體內(nèi)色素的熒光反應(yīng)以及藻類的散射和吸收而引起的，但這個峰常被作為葉綠素-a的特征波譜。

　　 國內(nèi)外利用遙感信息反演水色因子而進(jìn)行水體監(jiān)測的方法很多，大部分集中在單因子水色信息的反演上，常用的方法為藍(lán)綠波段比值法，即利用水體反射率光譜峰隨著葉綠素濃度的增大從藍(lán)波段向綠波段偏移的機理而采用光譜在藍(lán)綠波段的比值進(jìn)行相關(guān)分析。

2　試驗部分

2.1　試驗方法
　　分別于2001年6月5日和13日對西安市護(hù)城河及興慶公園內(nèi)的污水進(jìn)行了波譜測試，測試儀器采用美國ASD公司生產(chǎn)的FieldSpec FR便攜式分光輻射光譜儀，該儀器波長范圍是0.35～2.5μm。?
　　數(shù)據(jù)獲取時間控制在11:00～13:00，在測量時應(yīng)避免鏡面反射的發(fā)生。此次試驗共分8個試驗點，在進(jìn)行波譜數(shù)據(jù)測試的同時于水面以下0～0.5m處取樣進(jìn)行試驗室內(nèi)水質(zhì)分析，主要是進(jìn)行BOD₅和COD的測定，測試結(jié)果見表1。

表1　實驗室對BOD₅及COD的測定結(jié)果　　mg/L?

取樣時間 BOD₅ COD 2001-06-05 9.15 31.88 2001-06-05 11.63 42.30 2001-06-05 21.20 70.50 2001-06-13 25.30 91.38 2001-06-13 18.99 75.10 2001-06-13 16.68 84.15 2001-06-13 18.77 97.72 2001-06-13 23.88 106.77

2?2　數(shù)據(jù)分析?
　 選用400～750 nm波段范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化變換，N(R)=(nr₁／∑ri，nr₂／∑ri，Λ，nrn／∑ri)(這里使用了各波段光譜之平均值，以免變換后的值太小)。?
　　A.Gitelson曾經(jīng)用R(700)/R(675)的波譜反射比來估算水體內(nèi)葉綠素-a的含量^［2］，但后來發(fā)現(xiàn)該比值可能還會受到懸浮物和黃色物質(zhì)的散射和吸收的影響，因此SHU Xiaozhou等又利用624nm處的波譜數(shù)據(jù)對其進(jìn)行了修正，取得了較為理想的結(jié)果^{［3、 4］}，修正后的相關(guān)系數(shù)可以高達(dá)0.98。?
　　 在分析中采用了水體反射波譜在不同波段的比值進(jìn)行相關(guān)分析。

3　結(jié)果與討論

3.1　對BOD₅的分析?
　　 回歸分析模型見圖2，預(yù)測值與實測值的相關(guān)性見圖3。?

　　 由圖2所得的回歸模型為：y=exp(2.00634x+1.63144)。其中y為BOD₅，x為R737/R528。?
　　 由圖3所得的預(yù)測值與實測值相關(guān)系數(shù)為0.826539。?
3.2　對COD的分析?
　　回歸分析模型見圖4，預(yù)測值與實測值的相關(guān)性見圖5。?

　　 由圖4所得的回歸模型為：y=exp(2.61779x+2.31871)。其中y為COD，x為R₇₂₈/R₅₂₃。?
　　 由圖5所得的預(yù)測值與實測值相關(guān)系數(shù)為0.939580。?

4　結(jié)論

　?、偎w中的污染物質(zhì)含量常與某些波段處的反射波譜比值有較好的相關(guān)性，而與某一波長原始反射波譜數(shù)據(jù)的相關(guān)性較差。?
　?、谖廴疚镔|(zhì)含量與波譜數(shù)據(jù)的相關(guān)性與污染水體的污染性質(zhì)和污染程度有關(guān)。?
　?、劾霉庾V遙感數(shù)據(jù)可實現(xiàn)對水體污染物濃度的定量分析和監(jiān)測，從而為水環(huán)境遙感監(jiān)測提供了借鑒方法。

參考文獻(xiàn)：

　　 ［1］趙冬至.海洋環(huán)境污染與災(zāi)害衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.遙感信息，1999，(2)：22-24.
［2］Gitelson A,Garbuzov G,Szilagyi F,et al?.Quantitative remote sensing methods f or real-time monitoring of inland water quality［J］.Int J Remoter Sensing,1993，14(7)：1269-1295.
［3］SHU Xiaozhou，KUANG Dingbo.A new algorithm to estimate chlorophy11-a concentrati on from the spectral reflectrance of inland water［J］.Proceedings of SPIE,1998,3502:254-257.
［4］疏小舟，汪駿發(fā)，沈鳴明，等.航空成像光譜水質(zhì)遙感研究［J］.紅外與毫米波學(xué)報,2000，(4):273-275.

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　　電　　話：(021)65420850×22217?
　　收稿日期：2001-12-25