[科普中國(guó)]-水污染遙感

利用污染物的紅外、紫外或熒光特征，應(yīng)用遙感飛機(jī)、航天實(shí)驗(yàn)室、地球衛(wèi)星等遙感儀器，監(jiān)測(cè)河流、湖泊、水庫(kù)、海洋等水域受污染狀況的現(xiàn)代技術(shù)。具有連續(xù)、快速的特點(diǎn)，可以測(cè)定水污染的總體分布和污染源的位置，提供大面積或人不能到達(dá)的地方的水污染狀況。監(jiān)測(cè)對(duì)象主要是水面油污染狀況、水中的懸浮物、工業(yè)排放的廢水、電廠的冷卻水、形成赤潮的藻類等。水體污染的遙感對(duì)定量測(cè)定尚有困難，常需配以常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)。1

釋義水污染遙感 remote sensing of water pollution應(yīng)用遙感飛機(jī)、航天實(shí)驗(yàn)室、地球衛(wèi)星對(duì)地面水體和海洋進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)2。此項(xiàng)技術(shù)能連續(xù)，快速地測(cè)定河流、湖泊、水庫(kù)和海洋的污染特征，以及水污染的總體分布相污染源的位置。使用的儀器有紅外掃描儀、多光譜掃描儀、微波系統(tǒng)和激光雷達(dá)等。

原理水污染遙感利用水中物質(zhì)對(duì)光波和電磁波的反射特性，以及物質(zhì)本身的熱輻射特性來(lái)探測(cè)漂浮在水面和懸浮于水體中的物質(zhì)以及某些溶解于水的化合物3。對(duì)于化學(xué)污染物可利用其熒光特性來(lái)探測(cè)，對(duì)于水中懸浮物質(zhì)則利用光吸收技術(shù)來(lái)探測(cè)。紅外遙感可測(cè)量水溫并作出大面積水體等溫線圖。紫外攝影可偵察水表面的油膜。衛(wèi)星遙感技術(shù)可追蹤海上大面積油膜移動(dòng)的方向。

分類從遙感方法的角度出發(fā)，將其分為泥沙污染、石油污染、廢水污染、熱污染和富營(yíng)養(yǎng)化等幾種類型4。

水體富營(yíng)養(yǎng)化的遙感監(jiān)測(cè)生物體所需的磷、氮、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在湖泊、河口、海灣等緩流水體中大量富集引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖、水體溶解氧含量下降、水質(zhì)惡化、魚類及其他生物死亡的現(xiàn)象叫做水體富營(yíng)養(yǎng)化。通常這種現(xiàn)象發(fā)生在江河湖泊中稱為水華，發(fā)生在海中叫做赤潮，當(dāng)水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)，由于浮游植物中的葉綠素對(duì)近紅外光具有明顯的“陡坡效應(yīng)”，因而這種水體兼有水體和植物的光譜特征。在可見光波段，反射率較低，在近紅外波段，反射率明顯升高，這樣在彩色紅外圖像下的富營(yíng)養(yǎng)化水體常呈紅褐色或紫紅色。

1．湖(庫(kù))水體的富營(yíng)養(yǎng)化遙感監(jiān)測(cè)

我國(guó)幅員遼闊，是一個(gè)多湖(庫(kù))的國(guó)家，占全國(guó)總面積的8%左右。由于湖庫(kù)水體與人類的生存活動(dòng)息息相關(guān)，其水質(zhì)的好壞直接影響到人們的生活。近些年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及人口劇增，生活與工業(yè)污水的大量排放、養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展等，使湖庫(kù)水體受到嚴(yán)重的污染，出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，水質(zhì)下降，生態(tài)系統(tǒng)與功能受到嚴(yán)重破壞。因此，對(duì)湖庫(kù)水體的富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)研究已成為舉世矚目的環(huán)境問(wèn)題之一。然而，由于湖庫(kù)受地質(zhì)構(gòu)造格局的控制，很大一部分湖庫(kù)分布在高山洼地、水深、面積廣，交通不便，進(jìn)行地面常規(guī)環(huán)境監(jiān)測(cè)難度很大，而利用遙感技術(shù)手段卻能快速、宏觀、準(zhǔn)確、真實(shí)的對(duì)湖庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化污染監(jiān)測(cè)。

2.海洋赤潮的遙感監(jiān)測(cè)

赤潮頻繁、大面積的發(fā)生，與海水的富營(yíng)養(yǎng)化和有機(jī)物污染日趨嚴(yán)重有直接關(guān)系。大量的工業(yè)廢水、城市生活污水、養(yǎng)殖廢水排人海洋，使一些海域的海水中有機(jī)物如氮、磷等大大增加，為赤潮生物迅速繁殖提供了充足的營(yíng)養(yǎng)。至今，仍沒(méi)有較好的方法遏制赤潮的發(fā)生。赤潮會(huì)破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡，惡化海洋環(huán)境，會(huì)造成貝類、魚類等海洋生物的大量死亡，從而造成災(zāi)害。赤潮災(zāi)害在我國(guó)近海頻繁發(fā)生，給海水養(yǎng)殖業(yè)等造成重大損失。因此，對(duì)赤潮的發(fā)生及其趨勢(shì)進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是非常重要的。遙感技術(shù)在赤潮的監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮了重要的作用，對(duì)減輕赤潮災(zāi)害具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

含不同浮游植物量的水體，其水面反射波譜是不同的。當(dāng)赤潮發(fā)生時(shí)，由于水面浮游植物大量繁殖的影響，藍(lán)、綠光被吸收，而紅光和近紅外光則具有強(qiáng)烈的反射，它偏離了正常的浮游植物的反射波譜，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和反射特性，因此，赤潮發(fā)生時(shí)，在藍(lán)、綠波段表現(xiàn)吸收特性，在紅光和近紅外光波段具有強(qiáng)烈的反射峰，在紅光區(qū)的0.69～0.72μm和橙色的0.59～0.62μm處有很高的反射峰。通過(guò)機(jī)載或衛(wèi)星上的多光譜攝像機(jī)、多光譜掃描儀和海岸帶水色掃描儀等傳感器，可獲得赤潮的可見光和紅外的增強(qiáng)彩色影像。

海洋石油污染的遙感監(jiān)測(cè)海洋石油污染是各種海洋污染中影響范圍最廣、危害時(shí)間最長(zhǎng)、對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞最大的一種海洋污染，石油污染監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為遙感手段監(jiān)測(cè)海洋污染中最重要的應(yīng)用項(xiàng)目之一。

海洋溢油會(huì)改變海水的物理性質(zhì)。油膜和海水之間在熱輻射以及對(duì)太陽(yáng)光的反向、散射、吸收方面的差異，導(dǎo)致衛(wèi)星影像資料中灰度值的不同，使衛(wèi)星影像在顏色、紋理等方面產(chǎn)生差異，根據(jù)各種油污的反照率和熱輻射的光譜特征對(duì)衛(wèi)星影像中的海洋溢油進(jìn)行解譯。衛(wèi)星遙感可以大范圍、同步、連續(xù)監(jiān)測(cè)海洋溢油，并且成本較低，便于建立海洋溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因此，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)海洋溢油必將成為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要手段之一。

石油與海水之間存在很大差別，在許多光譜波段都能將兩者分開。油膜在近紫外、藍(lán)、綠、紅、近紅外波段均能成像，尤其以紫外相片的效果最好，油膜呈白色調(diào)，在其他波段相片上也呈淺色調(diào)，這是由于油膜表面平滑，反射率較水體高，但是油膜的發(fā)射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水體，因此在熱紅外圖像上呈深色調(diào)。此外，根據(jù)油膜與海水在微波波段的發(fā)射率差異，還可以利用微波輻射計(jì)測(cè)量二者的亮度溫度的差別。如果建立油膜厚度與影像灰度之間的關(guān)系，則可以由遙感圖像推算油膜厚度并估算污染水面的石油量。

目前，用于水面石油污染監(jiān)測(cè)的傳感器較多，有航天的，也有航空的。面對(duì)不同類型的遙感數(shù)據(jù)源，采用不同的方法進(jìn)行石油污染監(jiān)測(cè)。

1.可見光和多光譜可見光遙感海面油膜：在可見光波段，水面油膜的反射率遠(yuǎn)大于潔凈海面的反射率。利用這種反射率的差別，應(yīng)用可見光波段的傳感器如照相機(jī)和攝像機(jī)攝制海面油膜影像。海面油膜與穿行于海面的艦船航跡容易發(fā)生混淆，現(xiàn)在往往應(yīng)用多波段照相機(jī)或多波段掃描儀等傳感器，以提高可見光波段傳感器的分辨率。實(shí)驗(yàn)表明，在可見光海面石油的航空遙感中，用紅光波段航片難于區(qū)分油膜與艦船航跡，而在藍(lán)光波段則有可能區(qū)分開，但油膜與海水反射率之比的最大值在紅光部分，它的比值要比藍(lán)光波段的比值大2～4倍，光譜在0.63～0.68μm的傳感器能使油膜和周圍干凈海水的反差達(dá)到最大，因此，可以用紅光波段來(lái)監(jiān)測(cè)海面油膜，而用藍(lán)光波段來(lái)區(qū)分油膜、航跡和泥漿水羽流。以達(dá)到最佳監(jiān)測(cè)效果。利用星載多波段可見光傳感器可用來(lái)監(jiān)測(cè)大面積海洋溢油。

2.紫外遙感海面油膜：紫外光波段電磁波的波長(zhǎng)小于可見光波段的波長(zhǎng)。在其波長(zhǎng)范圍內(nèi)，對(duì)厚度小于5μm的各種水面油膜敏感。此時(shí)，油膜對(duì)紫外光的反射率比海水高1.2～1.8倍，有較好的亮度反差。在此波段，可以用備有對(duì)紫外光敏感的膠卷的紫外照相機(jī)或紫外波段掃描儀來(lái)記錄海面油膜信息。在圖像中，油膜呈白色。但是由于紫外波段電磁波波長(zhǎng)短，繞射能力差，它的使用受到很大的限制。

3.紅外遙感海面油膜：由于熱紅外比輻射率的差異，當(dāng)油膜與海水的溫度相同時(shí)，它們的熱紅外輻射強(qiáng)度是不同的，在熱紅外影像中，油膜卻比海水“冷”。因此，油膜的灰度比周圍海水大，呈灰黑色。利用工作于該波段的傳感器如紅外輻射計(jì)、紅外掃描儀、熱像儀等均可測(cè)定海水和油膜的不同輻射能量而獲得海面油膜的影像。實(shí)驗(yàn)證明，在8～14μm的熱紅外波段中，能夠最清晰的探測(cè)出海面的石油污染。衛(wèi)星上的熱紅外傳感器能判別出海面大面積的溢油范圍，航空熱紅外傳感器能可靠的辨明海面油膜覆蓋區(qū)及其飄移于擴(kuò)散的變化情況。對(duì)于厚度小于1mm的油膜，其比輻射率隨厚度的增加而增加，所以海面油膜的影像也能反映灰度層次隨厚度的變化情況，由此可以確定油膜厚度和分布，推算總溢油量。

4.激光熒光探測(cè)海面油膜與油種：激光熒光遙感技術(shù)能探明海面污油油種種類，接近實(shí)用。激光束在照射海面污油時(shí)，將同時(shí)產(chǎn)生激光熒光和激光拉曼效應(yīng)。激光遙感鑒別油種，是以多環(huán)芳烴為指標(biāo)的。激光遙感不僅能迅速描述海面石油污染的分布，而且具有二維繪制能力。不管在白天黑夜或惡劣氣候條件下，都能有效地監(jiān)測(cè)海面油污，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。由于激光熒光和拉曼遙感技術(shù)在石油污染監(jiān)測(cè)等諸方面具有巨大的實(shí)用性和發(fā)展前景。受到了世界許多國(guó)家的重視。國(guó)家海洋局第一海洋研究所于“六五”期間在海面污油激光熒光光譜學(xué)特征及激光掃描成像技術(shù)的研究方面也取得了可喜的進(jìn)展。他們用氮分子激光器作為激勵(lì)光源。由于該類型激光器發(fā)出的紫外光易于被污油吸收，且激光的單色性、準(zhǔn)直性好及亮度高，所以測(cè)量的靈敏度和分辨率大大提高。

5.海面污油的其他遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)：可利用微波遙感進(jìn)行海面油膜監(jiān)測(cè)，比如被動(dòng)方式的微波輻射計(jì)、主動(dòng)反方式的雷達(dá)遙感等，這些傳感器可以穿透云、雨、霧，具有全天候監(jiān)測(cè)海油膜及其漂移擴(kuò)散情況的能力；激光掃描成像，利用向海面發(fā)射激光束，根據(jù)接收到的海面信號(hào)反射掃描成像，也可以用來(lái)判別海面油膜的范圍、面積和厚度，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能在低光照條件下，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的高分辨率觀測(cè)，具有影像再現(xiàn)特點(diǎn)，所獲資料直觀易懂，便于分析。為了探索激光掃描成像在海面溢油監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可行性和效果，國(guó)家海洋局第一海洋研究所在“六五”期間，也進(jìn)行了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作。實(shí)驗(yàn)中，以He-He激光器作為光源(波長(zhǎng)632．8nm，功率10mW)的掃描成像裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M和現(xiàn)場(chǎng)(船載)原理性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，無(wú)論在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)還是在海上，該裝置均能把水面油膜影像清晰記錄下來(lái)，油膜影像呈亮白色，邊緣清晰，成像距離海面3m；濕度測(cè)定法，由于海面大面積油膜的存在破壞了海水正常的蒸發(fā)速率，相應(yīng)地使油膜上空的濕度也大為降低，運(yùn)用海洋近水面空氣層濕度的變化模式，可以顯示石油和石油產(chǎn)品污染的海域；聲學(xué)遙感技術(shù)利用水和油膜對(duì)聲脈沖反射的差異來(lái)判別油污，也被用來(lái)進(jìn)行海面油膜的監(jiān)測(cè)。

廢水污染的遙感監(jiān)測(cè)目前，我國(guó)許多地區(qū)都面臨著嚴(yán)重的廢水污染，尤其是生活廢水及工業(yè)廢水，嚴(yán)重地影響了當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境質(zhì)量及生態(tài)環(huán)境，就此問(wèn)題，國(guó)家與地區(qū)都已經(jīng)采取了許多措施來(lái)監(jiān)督與制止廢水的排出。常規(guī)的監(jiān)測(cè)手段有時(shí)并不能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)廢水污染現(xiàn)象，遙感技術(shù)已經(jīng)被成功地用于廢水污染的監(jiān)測(cè)與治理當(dāng)中。因?yàn)閺U水成分的特殊性，具有與正常水體不同的光譜特性，使其在遙感影像中總是表現(xiàn)出一定的特征。在目前的應(yīng)用中，主要通過(guò)水體在遙感圖像上的特殊色調(diào)來(lái)判斷是否是廢水污染，對(duì)廢水的流動(dòng)與擴(kuò)散進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，而對(duì)廢水的具體成分及其含量的定量監(jiān)測(cè)還難以做到或很難達(dá)到理想的結(jié)果。

從廢水成分來(lái)看，城市生活廢水和各種混合型工業(yè)污水，往往都含有硫化物，混合后發(fā)生化學(xué)作用，常使水體呈黑褐色，這種水體的光譜反射曲線上，沒(méi)有明顯的波峰和波谷，形狀平直，反射率低，是消色體，在彩色紅外相片上呈黑色。成分比較單一的工業(yè)污水在圖像上有不同的顯示。無(wú)色透明的工業(yè)污水，不管其濃度如何，基本上與純水的反射特性一致，在圖像上與純水沒(méi)有差別；有色透明的工業(yè)污水，其光譜曲線有與各自水色相對(duì)應(yīng)的特征反射峰，污水色度越高，特征反射峰值越大，圖像上表現(xiàn)為深淺不同的顏色；無(wú)色渾濁的工業(yè)污水的反射率較純水高，但沒(méi)有明顯的特征反射峰，在圖像上色調(diào)較純水淺；有色渾濁工業(yè)污水的反射率較純水高，還存在與水色相對(duì)應(yīng)的反射峰及與水中懸浮物質(zhì)散射的某部分入射光相對(duì)應(yīng)的特征峰區(qū)。由于水色與懸浮物性狀千差萬(wàn)別，特征反射峰的位置和強(qiáng)度大不一樣，故在影像上可能呈現(xiàn)出多種色調(diào)。含有廢油的水體，能顯示油膜的光譜特性，在紫外或藍(lán)波段圖像上色調(diào)較淺。污水不僅在色彩上與純水存在差異，而且，污水排放的控制點(diǎn)、擴(kuò)散方式、稀釋混合等特征也是識(shí)別污水的重要標(biāo)志。污水的排放口一般與污染源(如工廠等)相距不遠(yuǎn)，或與渠道相通，且其周圍污染水體的濃度相對(duì)較低。污水?dāng)U散特點(diǎn)有幾種情形：在靜止水體中，影像上顯示的淺色污染區(qū)以排放口為中心，呈半圓形或喇叭形向外逐漸變暗，逐漸與周圍水色一致；在流動(dòng)的水體中，圖像上顯示的污染區(qū)位于排污口的下游，且面積不大，這是因?yàn)槲鬯诹魉饔孟卵杆贁U(kuò)散的緣故；在河口地區(qū)，由于潮水的周期性漲落，污水的展布形態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，特別是當(dāng)潮水上溯時(shí)，排污口的污水連成一片，一旦退潮，就會(huì)形成與排污口失去聯(lián)系的離源濁流。

水體熱污染的遙感監(jiān)測(cè)因能源的消費(fèi)而引起環(huán)境增溫效應(yīng)的污染稱為熱污染。熱污染的水體主要來(lái)源于工礦企業(yè)向江河排出的冷卻水，尤其是電力工業(yè)與冶金工業(yè)以及化工、石油、造紙、建樹、機(jī)械等工業(yè)，如熱電廠和核電廠、煉鋼廠、軋鋼廠等排出的冷卻水導(dǎo)致大量熱廢水連續(xù)不斷地排出，致使沿海近岸港灣水體以及湖、河水體溫度上升，使自然界水質(zhì)生態(tài)環(huán)境發(fā)生很大的變化。水體溫度的上升，有時(shí)超過(guò)魚、貝類等經(jīng)濟(jì)生物的忍耐程度。水溫超過(guò)其產(chǎn)卵和孵化的適宜溫度，龜、貝類繁殖率降低。對(duì)此類熱污染造成的危害，國(guó)內(nèi)外常有報(bào)道。水體溫度的提高還會(huì)使水體中有毒物質(zhì)對(duì)生物的毒性提高，也很大程度上加速了水中有機(jī)物的氧化分解速率，大大消耗了水中的溶解氧，使水中許多生物難于生存。水溫的增高還往往促使一些藻類大量繁殖，加速水體的“富營(yíng)養(yǎng)化”過(guò)程，使水體大量產(chǎn)生“水華”，在某些海域甚至可能誘發(fā)赤潮，使水體的生態(tài)環(huán)境受到很大的破壞。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

吳俊文 - 博士 - 廈門大學(xué)