水中典型重金属：铜、铁和镉浓度遥感反演机理及其敏感性研究

With the rapid development of our country industrialization, heavy metal pollution becomes a serious water environmental problem increasingly, thus there is an urgent need for the large-scale new monitoring techniques for heavy metal pollution in water, and using satellite remote sensing technology has great application potential. However, the effective remote sensing inversion has not been realized, the main reasons include: heavy metals exist complexly in natural water, the spectral information is weak also, and lack of measuring their optical parameters systematically and accurately. Aim at those problems above, choosing three typical heavy metals: copper, iron and cadmium as the breakthrough point, and carrying out the key basic research work, meanwhile solving the scientific problems behind this project. Firstly, clarify the existences of these three metals in natural water, and then establishing the remote sensing inversion model based on physical mechanism. Design the special device to measure their optical parameters such as absorption coefficient, scattering coefficient and scattering phase function which are required for the model, and then analyze their spectroscopic characterization and occuring mechanism; on this basis, studying the sensitivity and effective separated method of heavy metal from water spectrum information; take heavy metal pollution location in Beijiang River Basin upstream in Guangdong Province as an experimental area, and design the remote sensing sensitivity experiment by combining outdoor and indoor. To sum up, this project will lay a good theoretical foundation for the future use of satellite remote sensing images to achieve a wide range of heavy metal monitoring in water.

重金属污染已成为我国工业化建设进程中日益严重的水环境问题，迫切需要可对水体重金属污染进行大范围监测的新型手段。卫星遥感技术具有巨大的应用潜力。但目前尚未实现水体重金属的有效遥感反演，其主因是自然水体中重金属存在形式复杂、光谱信息较弱、光学参数缺乏系统精确的测量。鉴于此，本项目以三种典型重金属：铜、铁、镉为突破口，开展关键性的基础研究，解决背后的科学问题。项目首先厘清自然水体中这三种重金属的各种存在形式；然后从物理机制出发建立离水反射率与重金属浓度的水面光谱反演模型；再通过设计专门的装置，精确测量模型所需的各存在形式重金属的吸收系数、散射系数、散射相函数，并剖析其光谱特征及产生机理；最后以广东省水体重金属污染问题尤为突出的北江流域上游地段为实验区，通过室内与野外相结合的遥感反演敏感性实验，研究水体光谱信息对重金属浓度的敏感性和有效分离的方法。为将来实现大范围重金属遥感反演打下良好理论基础。

随着我国经济的飞速发展，采矿、电镀等重金属污染型企业不断增多，造成的水环境污染影响范围越来越广，人工采样逐渐不足以应付如此巨大的工作量，而遥感手段恰恰具备监测范围大、周期性获取地表数据的优势，对水中重金属进行监测具有巨大应用潜力。但这是环境遥感的难题，由于其在自然水体浓度通常较低，光谱信息微弱，一直以来被学界认为“不可行”。鉴于此，本项目以聚焦水体重金属遥感敏感性为目标，以典型重金属铜、铁和镉代表性化合物为突破口，开展了一系列基础性研究工作，内容包括了：首先，对自然状态下水中这三种重金属的存在形式进行了研究；然后，构建了具有清晰物理意义的离水反射率与重金属浓度水面光谱反演模型；再次，测量了这三种典型重金属代表性化合物光学参数，并分析其光谱特征及产生机理；最后，研究了它们各存在形式与水中其它主要组分的光谱特征差异和组合机理，充分讨论了其遥感敏感性。项目取得了以下四方面成果：（1）厘清了自然水体中铜、铁和镉主要化合物存在形式主要有溶解态（包括离子态与络合态）和不溶态（包括颗粒态与吸附态），并归纳出了不同存在形式对光的散射规律，同时提出了不同粒径下其粒度谱的理论实验原理和计算方法。（2）开展了这三种重金属代表性化合物的光学参数实验测量工作，获得了包括吸收系数、消光系数、反射率等连续光谱曲线。然后，在此基础之上，对其光谱产生机理进行了研究，归纳出有d-d跃迁、电荷迁移、禁带跃迁等方式，并与测量结果进行对比分析。（3）通过辐射传输理论，构建起离水反射率与水中这三种重金属浓度之间的函数关系，即水面光谱反演的物理分析模型。（4）提出了一种可以计算出水中重金属可遥感反演下限浓度的方法模型，并通过该方法得到理论清深水体、混浊水体、富营养化水体、矿区水体为背景水体的反演下限浓度随波长变化曲线。以上工作进一步发展了水体重金属遥感领域，也丰富其理论基础，为下一步实现卫星层面的监测提供了重要的参考数据。