水質遙測分析

大量繁殖及死亡，並會因其腐敗分解大量耗氧，導致水中溶氧耗盡，形成優養化 現象。

葉綠素

葉綠素的種類很多，較常見的有呈藍綠色的葉綠素-a 及呈黃綠色的葉綠素 -b，葉綠素-a 和葉綠素-b 的成分相差無幾，皆能吸收太陽光，只有在內部結構和 吸收不同波長光線上有所差別，陸上植物葉綠素-a 與葉綠素-b 的比例大約是 3：

1。當水體中葉綠素-a 偏高時，表示水中藻類過量繁殖，間接也反應了水體優養 化程度。

2002）：1）浮游植物，主要為藻類；2）由浮游植物死亡而產生之有機碎屑以及陸 生或湖體底泥更再懸浮而產生之無機懸浮顆粒，總稱為非色素懸浮物（又稱懸浮沈 積物或懸浮固體）；3）由黃腐酸與腐殖酸組成之溶解性有機物，通稱為有色之溶解 性有機物（又稱黃色物質）。

自然界中水體與清水之光譜反射曲線之間有很大之差異，由於水中之藻類與泥 沙影響，自然界中水體之反射率一般皆比清水高，這正是進行水質檢測與分析之依 據，在Liu et al.（2003）與 Swift et al.（2006）研究亦指出清澈之湖水則會受到浮 游植物（藻類）、懸浮沈積物與有色之溶解有機物之影響，如圖2-15 所示，所以目 前通過遙測影像可反映水質變化之參數，如葉綠素-a、懸浮物與溶解有機物等，其 中以監測葉綠素-a 與懸浮物較為成熟（Ma et al., 2009），如海洋之浮游植物

（Phytoplankton）是初級生產力，其會影響水色由深藍色到暗綠色，另有懸浮固體

（SS）與有色之溶解性有機物（CDOM）亦會影響水色，且海面水色的差異是由 於海水中物質組成的不同且受到雷利散射（Rayleigh Scattering）而產生的。

圖2-15 清水、葉綠素與有色之溶解性有機物在不同波長處之吸收光譜（Zhou et al., 2009）

在前人研究中常見用水質遙測技術來監測內陸水體水質變化之參數，有葉綠 素-a、濁度、懸浮固體及透明度等，以下為本論文整理前人之研究：

葉綠素-a

葉綠素作為光合作用最重要之色素，是浮游植物生物量之指示劑，而浮游植 物卻是水環境之重要水體優養程度之指示劑，亦是海洋生物鏈之基礎，當其濃度 高時，會伴隨藻華發生，使水質惡化，所以葉綠素-a 在空間分佈之改變與濃度變 化，對水生態系統產生重要之影響。

早在 1970 年代就使用遙測光學來繪製海洋表面之葉綠素（Strong, 1974）。

Bukata et al.（1995）研究提出葉綠素濃度在紅綠波長段會使反射率增加，而在短 波長段（藍光）會使反射率減少。Arenz（1996）研究亦指出若沒有總懸浮沉積 物的濃度干擾，由反射率量可測得到葉綠素之特殊波長為445 與 665 nm 為吸收 峰值，而520 與 550 nm 為極小的吸收。李素菊（2002）研究亦發現藻類在不同 波長處的光譜反射率跟色素的光學活性、細胞的幾何型態與藻類細胞的外表組成 等參數有關。葉綠素在藍紫光波段（400～500 nm）與 670 nm 附近都有吸收峰，

685～715 nm 範圍反射峰的出現是含藻類水體最顯著的光譜特徵，其存在與否通 常被認為是判定水體是否含有藻類葉綠素的依據，反射峰的位置和數據是葉綠素 濃度的指示。

懸浮固體

懸浮固體亦是決定水質優劣之重要因子，其存在減少了進入水體之光能量，

影響了水生植物之生長，而懸浮固體還可當輸送磷酸鹽、氨鹽、重金屬與一些致 命細菌之媒介，影響水質（Zhou, 2009），目前是遙測最成功的量測水質參數之一，

但其濃度與光譜反射率之關係模型型式不一，主要有線性、對數及一階微分等迴 歸型式。

Ritchie et al.（1990）研究指出當水體的光學行為是受到懸浮固體控制時，近 紅外光波長範圍可有效量測懸浮固體。懸浮固體是污染物最普通類型，無論在內 陸水系統的表水就重量和體積而言，確實有助於水動力與污染物擴散的判斷。在 開放的海洋裡，已能有效的透過感測器以簡單的經驗公式或不同波段的比例演算

法建構這些參數（Gordon et al.,1983）。

李素菊（2002）研究中提到懸浮沉積物的含量、類型、顆粒大小、水底亮度 及感測器的觀測角等，都會影響懸浮泥沙的光譜反射率，其中懸浮沉積物濃度、

顆粒大小和礦質組成是主要的影響因素。在可見光及近紅外波段範圍，隨懸浮沉 積物含量的增加，水體的反射率增加，且隨著懸浮沉積物濃度的增大，反射峰位 置向長波方向移動。700～900 nm 範圍反射率對懸浮沉積物濃度變化敏感，是遙 測懸浮沉積物的最適波段。研究發現懸浮沉積物顆粒粒徑越小，散射係數越大，

對應的反射率越大。

濁度

濁度是一個常用於評估近海和入海水質狀況之基本指標，其受到光線衰退影 響，可屢次利用衛星光學資料取得其變化之水質參數之一。因此浮游生物與水底 藻類之生產力（Cloern, 1987; Cole and Cloern, 1987; Pennock and Sharp, 1994）和 海藻與珊瑚礁（Anthony et al., 2004; Moore et al., 1997）皆會影響光線之衰退。濁 度在沿海與入海之水體上，可顯示出空間與時間上的變化，也可幫助瞭解總懸浮 固體或沈積物分佈的情況。

Chen（2007）研究中指出以下三點較易造成濁度之變化：

a. 隨著典型季節模式，河川會運送陸地的物質到海口，此時也會引 起相互影響。

b. 流動與波浪導致底部沈積物的懸浮，像是暴風雨和其他在潮汐與 難以捉摸頻率之風事件可改變濁度變化。

c. 人類活動像是運輸與挖泥也明顯影響濁度的分佈變化。

透明度

透明度與濁度皆為光學的量測，其差異在於懸浮沉積物濃度（Schiebe, 1992）。與懸浮固體亦是目前遙測最成功地量測水體清澈程度之水質參數，但透

明度與濁度一樣，皆會受到葉綠素-a 與懸浮固體等物質干擾而隨之變化，濁度與 其成現正相關，而透明度則為負相關。Lillesand et al.（2004）研究發現，當衛星 經過與沙奇盤深度分別由0 到 3 和 7 天擴展至最大時間差時，判定係數 R²會分 別從0.85 降至 0.82 與 0.75，如表 2-10 所示。

表2-10 水質採樣與衛星影像通過時間之差異比較表（Lillesand et al, 2004）

Days 0 3 7

R² 0.85 0.82 0.75

綜合上述發現葉綠素-a 與懸浮固體是內陸水質重要的二個光學反應參數，能 在海洋上使用遙測影像藉由經驗演算有效地定量表面濃度，但在內陸水域卻是困 難的，是由於高濃度懸浮沈積物的存在與有機物的溶解，常個別獨立地變化並掩 蓋葉綠素的特徵（Baruah et al., 2001），所以彼此會相互干擾著，進而使濁度與 透明度亦受到變化，有的彼此呈現正相關，有的則為負相關。故葉綠素-a、懸浮 固體、濁度與透明度等水質參數濃度，是會相互影響內陸水體變化的。

目前常用於評估內陸水體之營養程度仍以卡爾森營養狀態指標（Carlson Trophic State Index, CTSI）為主，如表 2-11 所示，其評估依據如表 2-12 與表 2-13 所示，以及經濟合作與發展組織（Organization for Economic Co-operation and Development, OECD），如表 2-14 所示。CTSI 主要是量測葉綠素-a、總磷與透明 度等三個重要水質參數之濃度，並進行評估，但前人於水質遙測中較少研究總 磷，故相關水質遙測於總磷上之參考文獻較少。然而大陸水利部遙感中心（2000）

針對各種內陸水體之水質參數與光譜反射率之間關係作研究，發現波長正常時，

濁度於700～900 nm 與氨氮於 1,070～1,100 nm，其相關係數高達 0.9 以上。若將 波長取一階導數，則導電度於435 nm 及 685 nm 左右；pH 值於 670 nm 左右；

BOD5於510 nm 左右；濁度於 410～440 nm 及 765～800 nm 左右；氨氮於 470 nm 左右；硝酸鹽氮於685 nm 左右；亞硝酸鹽氮於 515 nm 左右；氯化鉀於 520 nm

左右；氟化物於690 nm 左右；總磷於 510 nm 左右；硫酸鹽於 520 nm 左右；葉 綠素-a 於 690 nm 左右；鉀於 520 nm 左右，其相關係數高達 0.95 以上。由前人 研究可知濁度、透明度、懸浮固體、總磷與葉綠素-a 與光譜反射率之關係，如表 2-15 所示。

表2-11 單一參數營養狀態指標（TSI）與卡爾森營養狀態指標（CTSI）之比較表

（Carlson, 1997；Kratzer and Brezonik, 1981）

Index TSI CTSI

Equation

TSI（SD）

= ln 10 6 ln 2

⎛ − SD⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

= 60 – 14.41 ln（SD）

TSI（Chl-a）

= 2.04 0.68ln 10 6 ln 2

− Chl

⎛ − ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

= 9.81 ln（Chl） + 30.6 TSI（TP）

= ln(48 / ) 10 6 ln 2

⎛ − TP ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

= 14.42 ln（TP） + 4.15 TSI（TN）

= ln(1.47 / ) 10 6 ln 2

⎛ − TN ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

=54.45+14.43ln（TN）

TSI（TP） TSI≧ （TN）

TSI（AVG）

= ( ) ( ) ( )

3

TSI SD +TSI Chl a− +TSI TP

TSI（TP）＜TSI（TN）

TSI（AVG）

= ( ) ( ) ( )

3

TSI SD +TSI Chl a− +TSI TN

表2-12 卡爾森營養狀態指標之判定標準

Index Trophic States

<40 Oligotrophic

40 CTSI 50≦ ≦ Mesotrophic

50<CTSI 60≦ Eutrophication

表2-13 單一參數營養狀態指標之判定標準

Trophic States TP（μg/l） Chl-a（μg/l） SDD（m）

Oligotrophic <12 <2.6 >4

Mesotrophic 12-24 2.6-7.2 2-4

Eutrophication >24 >7.2 <2

表2-14 經濟合作與發展組織水體營養狀態指標之判定標準

Trophic States TP（μg/l） Chl-a（μg/l） SDD（m）

Oligotrophic <7.9 <2.0 >4.6 Oligotrophic～Mesotrophic 8-11 2.1-2.9 3.8-4.5

Mesotrophic 12-27 3.0-6.9 2.4-3.7

Mesotrophic～Eutrophication 28-39 7.0-9.9 1.8-2.3

Eutrophication >24 >7.2 <2

表2-15 常見主要水質參數與光譜反射率之關係

Water Quality Parameters Spectral Reflectance

Chl-a Red TP Blue SS Near Infrared（NIR）

TB Near Infrared（NIR）

SDD -