[科普中国]-水污染遥感

利用污染物的红外、紫外或荧光特征，应用遥感飞机、航天实验室、地球卫星等遥感仪器，监测河流、湖泊、水库、海洋等水域受污染状况的现代技术。具有连续、快速的特点，可以测定水污染的总体分布和污染源的位置，提供大面积或人不能到达的地方的水污染状况。监测对象主要是水面油污染状况、水中的悬浮物、工业排放的废水、电厂的冷却水、形成赤潮的藻类等。水体污染的遥感对定量测定尚有困难，常需配以常规监测技术。1

释义水污染遥感 remote sensing of water pollution应用遥感飞机、航天实验室、地球卫星对地面水体和海洋进行遥感监测的技术2。此项技术能连续，快速地测定河流、湖泊、水库和海洋的污染特征，以及水污染的总体分布相污染源的位置。使用的仪器有红外扫描仪、多光谱扫描仪、微波系统和激光雷达等。

原理水污染遥感利用水中物质对光波和电磁波的反射特性，以及物质本身的热辐射特性来探测漂浮在水面和悬浮于水体中的物质以及某些溶解于水的化合物3。对于化学污染物可利用其荧光特性来探测，对于水中悬浮物质则利用光吸收技术来探测。红外遥感可测量水温并作出大面积水体等温线图。紫外摄影可侦察水表面的油膜。卫星遥感技术可追踪海上大面积油膜移动的方向。

分类从遥感方法的角度出发，将其分为泥沙污染、石油污染、废水污染、热污染和富营养化等几种类型4。

水体富营养化的遥感监测生物体所需的磷、氮、钾等营养物质在湖泊、河口、海湾等缓流水体中大量富集引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖、水体溶解氧含量下降、水质恶化、鱼类及其他生物死亡的现象叫做水体富营养化。通常这种现象发生在江河湖泊中称为水华，发生在海中叫做赤潮，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”，因而这种水体兼有水体和植物的光谱特征。在可见光波段，反射率较低，在近红外波段，反射率明显升高，这样在彩色红外图像下的富营养化水体常呈红褐色或紫红色。

1．湖(库)水体的富营养化遥感监测

我国幅员辽阔，是一个多湖(库)的国家，占全国总面积的8%左右。由于湖库水体与人类的生存活动息息相关，其水质的好坏直接影响到人们的生活。近些年来，由于经济高速发展及人口剧增，生活与工业污水的大量排放、养殖业的发展等，使湖库水体受到严重的污染，出现富营养化，水质下降，生态系统与功能受到严重破坏。因此，对湖库水体的富营养化监测研究已成为举世瞩目的环境问题之一。然而，由于湖库受地质构造格局的控制，很大一部分湖库分布在高山洼地、水深、面积广，交通不便，进行地面常规环境监测难度很大，而利用遥感技术手段却能快速、宏观、准确、真实的对湖库的富营养化污染监测。

2.海洋赤潮的遥感监测

赤潮频繁、大面积的发生，与海水的富营养化和有机物污染日趋严重有直接关系。大量的工业废水、城市生活污水、养殖废水排人海洋，使一些海域的海水中有机物如氮、磷等大大增加，为赤潮生物迅速繁殖提供了充足的营养。至今，仍没有较好的方法遏制赤潮的发生。赤潮会破坏海洋生态系统的平衡，恶化海洋环境，会造成贝类、鱼类等海洋生物的大量死亡，从而造成灾害。赤潮灾害在我国近海频繁发生，给海水养殖业等造成重大损失。因此，对赤潮的发生及其趋势进行有效的动态监测是非常重要的。遥感技术在赤潮的监测方面发挥了重要的作用，对减轻赤潮灾害具有十分重要的现实意义。

含不同浮游植物量的水体，其水面反射波谱是不同的。当赤潮发生时，由于水面浮游植物大量繁殖的影响，蓝、绿光被吸收，而红光和近红外光则具有强烈的反射，它偏离了正常的浮游植物的反射波谱，表现出强烈的吸收和反射特性，因此，赤潮发生时，在蓝、绿波段表现吸收特性，在红光和近红外光波段具有强烈的反射峰，在红光区的0.69～0.72μm和橙色的0.59～0.62μm处有很高的反射峰。通过机载或卫星上的多光谱摄像机、多光谱扫描仪和海岸带水色扫描仪等传感器，可获得赤潮的可见光和红外的增强彩色影像。

海洋石油污染的遥感监测海洋石油污染是各种海洋污染中影响范围最广、危害时间最长、对生态环境破坏最大的一种海洋污染，石油污染监测已经成为遥感手段监测海洋污染中最重要的应用项目之一。

海洋溢油会改变海水的物理性质。油膜和海水之间在热辐射以及对太阳光的反向、散射、吸收方面的差异，导致卫星影像资料中灰度值的不同，使卫星影像在颜色、纹理等方面产生差异，根据各种油污的反照率和热辐射的光谱特征对卫星影像中的海洋溢油进行解译。卫星遥感可以大范围、同步、连续监测海洋溢油，并且成本较低，便于建立海洋溢油监测系统，因此，卫星遥感监测海洋溢油必将成为海洋环境监测的重要手段之一。

石油与海水之间存在很大差别，在许多光谱波段都能将两者分开。油膜在近紫外、蓝、绿、红、近红外波段均能成像，尤其以紫外相片的效果最好，油膜呈白色调，在其他波段相片上也呈浅色调，这是由于油膜表面平滑，反射率较水体高，但是油膜的发射率远远低于水体，因此在热红外图像上呈深色调。此外，根据油膜与海水在微波波段的发射率差异，还可以利用微波辐射计测量二者的亮度温度的差别。如果建立油膜厚度与影像灰度之间的关系，则可以由遥感图像推算油膜厚度并估算污染水面的石油量。

目前，用于水面石油污染监测的传感器较多，有航天的，也有航空的。面对不同类型的遥感数据源，采用不同的方法进行石油污染监测。

1.可见光和多光谱可见光遥感海面油膜：在可见光波段，水面油膜的反射率远大于洁净海面的反射率。利用这种反射率的差别，应用可见光波段的传感器如照相机和摄像机摄制海面油膜影像。海面油膜与穿行于海面的舰船航迹容易发生混淆，现在往往应用多波段照相机或多波段扫描仪等传感器，以提高可见光波段传感器的分辨率。实验表明，在可见光海面石油的航空遥感中，用红光波段航片难于区分油膜与舰船航迹，而在蓝光波段则有可能区分开，但油膜与海水反射率之比的最大值在红光部分，它的比值要比蓝光波段的比值大2～4倍，光谱在0.63～0.68μm的传感器能使油膜和周围干净海水的反差达到最大，因此，可以用红光波段来监测海面油膜，而用蓝光波段来区分油膜、航迹和泥浆水羽流。以达到最佳监测效果。利用星载多波段可见光传感器可用来监测大面积海洋溢油。

2.紫外遥感海面油膜：紫外光波段电磁波的波长小于可见光波段的波长。在其波长范围内，对厚度小于5μm的各种水面油膜敏感。此时，油膜对紫外光的反射率比海水高1.2～1.8倍，有较好的亮度反差。在此波段，可以用备有对紫外光敏感的胶卷的紫外照相机或紫外波段扫描仪来记录海面油膜信息。在图像中，油膜呈白色。但是由于紫外波段电磁波波长短，绕射能力差，它的使用受到很大的限制。

3.红外遥感海面油膜：由于热红外比辐射率的差异，当油膜与海水的温度相同时，它们的热红外辐射强度是不同的，在热红外影像中，油膜却比海水“冷”。因此，油膜的灰度比周围海水大，呈灰黑色。利用工作于该波段的传感器如红外辐射计、红外扫描仪、热像仪等均可测定海水和油膜的不同辐射能量而获得海面油膜的影像。实验证明，在8～14μm的热红外波段中，能够最清晰的探测出海面的石油污染。卫星上的热红外传感器能判别出海面大面积的溢油范围，航空热红外传感器能可靠的辨明海面油膜覆盖区及其飘移于扩散的变化情况。对于厚度小于1mm的油膜，其比辐射率随厚度的增加而增加，所以海面油膜的影像也能反映灰度层次随厚度的变化情况，由此可以确定油膜厚度和分布，推算总溢油量。

4.激光荧光探测海面油膜与油种：激光荧光遥感技术能探明海面污油油种种类，接近实用。激光束在照射海面污油时，将同时产生激光荧光和激光拉曼效应。激光遥感鉴别油种，是以多环芳烃为指标的。激光遥感不仅能迅速描述海面石油污染的分布，而且具有二维绘制能力。不管在白天黑夜或恶劣气候条件下，都能有效地监测海面油污，数据准确可靠。由于激光荧光和拉曼遥感技术在石油污染监测等诸方面具有巨大的实用性和发展前景。受到了世界许多国家的重视。国家海洋局第一海洋研究所于“六五”期间在海面污油激光荧光光谱学特征及激光扫描成像技术的研究方面也取得了可喜的进展。他们用氮分子激光器作为激励光源。由于该类型激光器发出的紫外光易于被污油吸收，且激光的单色性、准直性好及亮度高，所以测量的灵敏度和分辨率大大提高。

5.海面污油的其他遥感监测技术：可利用微波遥感进行海面油膜监测，比如被动方式的微波辐射计、主动反方式的雷达遥感等，这些传感器可以穿透云、雨、雾，具有全天候监测海油膜及其漂移扩散情况的能力；激光扫描成像，利用向海面发射激光束，根据接收到的海面信号反射扫描成像，也可以用来判别海面油膜的范围、面积和厚度，这种方法的优点是能在低光照条件下，实现实时的高分辨率观测，具有影像再现特点，所获资料直观易懂，便于分析。为了探索激光扫描成像在海面溢油监测中应用的可行性和效果，国家海洋局第一海洋研究所在“六五”期间，也进行了这项实验工作。实验中，以He-He激光器作为光源(波长632．8nm，功率10mW)的扫描成像装置进行了实验模拟和现场(船载)原理性实验。结果表明，无论在实验室内还是在海上，该装置均能把水面油膜影像清晰记录下来，油膜影像呈亮白色，边缘清晰，成像距离海面3m；湿度测定法，由于海面大面积油膜的存在破坏了海水正常的蒸发速率，相应地使油膜上空的湿度也大为降低，运用海洋近水面空气层湿度的变化模式，可以显示石油和石油产品污染的海域；声学遥感技术利用水和油膜对声脉冲反射的差异来判别油污，也被用来进行海面油膜的监测。

废水污染的遥感监测目前，我国许多地区都面临着严重的废水污染，尤其是生活废水及工业废水，严重地影响了当地的水环境质量及生态环境，就此问题，国家与地区都已经采取了许多措施来监督与制止废水的排出。常规的监测手段有时并不能及时的发现废水污染现象，遥感技术已经被成功地用于废水污染的监测与治理当中。因为废水成分的特殊性，具有与正常水体不同的光谱特性，使其在遥感影像中总是表现出一定的特征。在目前的应用中，主要通过水体在遥感图像上的特殊色调来判断是否是废水污染，对废水的流动与扩散进行动态监测，而对废水的具体成分及其含量的定量监测还难以做到或很难达到理想的结果。

从废水成分来看，城市生活废水和各种混合型工业污水，往往都含有硫化物，混合后发生化学作用，常使水体呈黑褐色，这种水体的光谱反射曲线上，没有明显的波峰和波谷，形状平直，反射率低，是消色体，在彩色红外相片上呈黑色。成分比较单一的工业污水在图像上有不同的显示。无色透明的工业污水，不管其浓度如何，基本上与纯水的反射特性一致，在图像上与纯水没有差别；有色透明的工业污水，其光谱曲线有与各自水色相对应的特征反射峰，污水色度越高，特征反射峰值越大，图像上表现为深浅不同的颜色；无色浑浊的工业污水的反射率较纯水高，但没有明显的特征反射峰，在图像上色调较纯水浅；有色浑浊工业污水的反射率较纯水高，还存在与水色相对应的反射峰及与水中悬浮物质散射的某部分入射光相对应的特征峰区。由于水色与悬浮物性状千差万别，特征反射峰的位置和强度大不一样，故在影像上可能呈现出多种色调。含有废油的水体，能显示油膜的光谱特性，在紫外或蓝波段图像上色调较浅。污水不仅在色彩上与纯水存在差异，而且，污水排放的控制点、扩散方式、稀释混合等特征也是识别污水的重要标志。污水的排放口一般与污染源(如工厂等)相距不远，或与渠道相通，且其周围污染水体的浓度相对较低。污水扩散特点有几种情形：在静止水体中，影像上显示的浅色污染区以排放口为中心，呈半圆形或喇叭形向外逐渐变暗，逐渐与周围水色一致；在流动的水体中，图像上显示的污染区位于排污口的下游，且面积不大，这是因为污水在流水作用下迅速扩散的缘故；在河口地区，由于潮水的周期性涨落，污水的展布形态也会发生变化，特别是当潮水上溯时，排污口的污水连成一片，一旦退潮，就会形成与排污口失去联系的离源浊流。

水体热污染的遥感监测因能源的消费而引起环境增温效应的污染称为热污染。热污染的水体主要来源于工矿企业向江河排出的冷却水，尤其是电力工业与冶金工业以及化工、石油、造纸、建树、机械等工业，如热电厂和核电厂、炼钢厂、轧钢厂等排出的冷却水导致大量热废水连续不断地排出，致使沿海近岸港湾水体以及湖、河水体温度上升，使自然界水质生态环境发生很大的变化。水体温度的上升，有时超过鱼、贝类等经济生物的忍耐程度。水温超过其产卵和孵化的适宜温度，龟、贝类繁殖率降低。对此类热污染造成的危害，国内外常有报道。水体温度的提高还会使水体中有毒物质对生物的毒性提高，也很大程度上加速了水中有机物的氧化分解速率，大大消耗了水中的溶解氧，使水中许多生物难于生存。水温的增高还往往促使一些藻类大量繁殖，加速水体的“富营养化”过程，使水体大量产生“水华”，在某些海域甚至可能诱发赤潮，使水体的生态环境受到很大的破坏。

本词条内容贡献者为:

吴俊文 - 博士 - 厦门大学