水体污染物与反射波谱的相关性分析

张凤丽¹，杨锋杰²，万余庆³
(1.中国科学院上海技术物理所，上海200083；2.山东科技大学地球科学系，山东泰安 271019；
3.中煤航测遥感局遥感应用研究院，陕西西安 710054)

　　摘　要： 通过对西安市护城河及兴庆公园污水的监测，定量分析了水体中COD、BOD₅与水体波谱之间的关系，为水体污染的遥感分析与监测提供了理论基础和方法依据。
　　关键词：水体污染；波谱分析；遥感监测
　　中图分类号：X832；X87
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)08-0081-03

　　水体中的污染物质(包括悬浮物、可溶性有机物及浮游植物等)会极大地影响水体的反射波谱特征^［1］，一些研究者尝试着用辐射传输模型来预测这些物质的浓度，但这需要了解各种污染物质的光学特性(如对电磁波的吸收和散射等)，但随着时间和地点的不同各水体污染性质和污染物质含量可能相差很远，因此这种要求是难以满足的。回归预测是环境遥感监测中最常用的方法，藉此通过分析水体波谱特征建立水体反射波谱与BOD₅、COD之间的相关模型，从而实现对水体的遥感监测。

1 波谱理论

　　 典型水体的反射波谱特征曲线如图1所示。?
　　 由图1可见，水体在400～500nm范围内的反射波谱较低，这是由叶绿素-a和黄色 物质的吸收所引起的；在560～590 nm附近的反射曲线增长则是由藻类的低吸收所致；在624nm附近的倾斜则要归因于藻青蛋白的吸收；在675nm处因叶绿素-a的强烈吸收而导致反射波谱降至最低(只有当叶绿素-a浓度较低时，才会在624、675nm处出现侧翼)；而700nm附近的显著反射峰的成因目前还不是很清楚，可能是由浮游植物体内色素的荧光反应以及藻类的散射和吸收而引起的，但这个峰常被作为叶绿素-a的特征波谱。

　　 国内外利用遥感信息反演水色因子而进行水体监测的方法很多，大部分集中在单因子水色信息的反演上，常用的方法为蓝绿波段比值法，即利用水体反射率光谱峰随着叶绿素浓度的增大从蓝波段向绿波段偏移的机理而采用光谱在蓝绿波段的比值进行相关分析。

2　试验部分

2.1　试验方法
　　分别于2001年6月5日和13日对西安市护城河及兴庆公园内的污水进行了波谱测试，测试仪器采用美国ASD公司生产的FieldSpec FR便携式分光辐射光谱仪，该仪器波长范围是0.35～2.5μm。?
　　数据获取时间控制在11:00～13:00，在测量时应避免镜面反射的发生。此次试验共分8个试验点，在进行波谱数据测试的同时于水面以下0～0.5m处取样进行试验室内水质分析，主要是进行BOD₅和COD的测定，测试结果见表1。

表1　实验室对BOD₅及COD的测定结果　　mg/L?

取样时间 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　数据分析?
　 选用400～750 nm波段范围内的数据进行相关分析。需要对原始数据进行归一化变换，N(R)=(nr₁／∑ri，nr₂／∑ri，Λ，nrn／∑ri)(这里使用了各波段光谱之平均值，以免变换后的值太小)。?
　　A.Gitelson曾经用R(700)/R(675)的波谱反射比来估算水体内叶绿素-a的含量^［2］，但后来发现该比值可能还会受到悬浮物和黄色物质的散射和吸收的影响，因此SHU Xiaozhou等又利用624nm处的波谱数据对其进行了修正，取得了较为理想的结果^{［3、 4］}，修正后的相关系数可以高达0.98。?
　　 在分析中采用了水体反射波谱在不同波段的比值进行相关分析。

3　结果与讨论

3.1　对BOD₅的分析?
　　 回归分析模型见图2，预测值与实测值的相关性见图3。?

　　 由图2所得的回归模型为：y=exp(2.00634x+1.63144)。其中y为BOD₅，x为R737/R528。?
　　 由图3所得的预测值与实测值相关系数为0.826539。?
3.2　对COD的分析?
　　回归分析模型见图4，预测值与实测值的相关性见图5。?

　　 由图4所得的回归模型为：y=exp(2.61779x+2.31871)。其中y为COD，x为R₇₂₈/R₅₂₃。?
　　 由图5所得的预测值与实测值相关系数为0.939580。?

4　结论

　　①水体中的污染物质含量常与某些波段处的反射波谱比值有较好的相关性，而与某一波长原始反射波谱数据的相关性较差。?
　　②污染物质含量与波谱数据的相关性与污染水体的污染性质和污染程度有关。?
　　③利用光谱遥感数据可实现对水体污染物浓度的定量分析和监测，从而为水环境遥感监测提供了借鉴方法。

参考文献：

　　 ［1］赵冬至.海洋环境污染与灾害卫星遥感业务化监测系统研究［J］.遥感信息，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，汪骏发，沈鸣明，等.航空成像光谱水质遥感研究［J］.红外与毫米波学报,2000，(4):273-275.

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　　电　　话：(021)65420850×22217?
　　收稿日期：2001-12-25