無人機(jī)高光譜遙感的水質(zhì)參數(shù)反演

引言

實(shí)時(shí)、快速監(jiān)測礦區(qū)周圍地表水狀況是防治礦區(qū)水環(huán)境污染的前提。懸浮物（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄｓｕｂ－ｓｔａｎｃｅ，ＳＳ）是水體中懸浮物顆粒物質(zhì)的總稱，濁度（ｔｕｒｂ）即水體的混濁程度是用來估計(jì)懸浮物質(zhì)量的關(guān)鍵。傳統(tǒng)水質(zhì)參數(shù)檢測手段是實(shí)地采樣，通過實(shí)驗(yàn)室生化檢測獲得，該方法能對水質(zhì)指標(biāo)做出較為精確的評價(jià)，但由于樣品少、耗時(shí)長，難以全面表達(dá)地表水的水質(zhì)狀況。遙感技術(shù)具有高動(dòng)態(tài)、低成本和宏觀性等優(yōu)勢，可以快速對大范圍水域進(jìn)行監(jiān)測，反映水質(zhì)在空間和時(shí)間上的分布和變化情況。

數(shù)據(jù)采集分析

選擇河南省信陽市羅山縣定遠(yuǎn)鄉(xiāng)石材開采區(qū)（３１°４４′～３１°５２′Ｎ，１１４°２６′～１１４°３４′Ｅ）水庫為研究區(qū)，使用高光譜輻射儀在３５０～１０００ｎｍ波譜段內(nèi)按照１．４ｎｍ間隔采樣，１００１～２５００ｎｍ波段采樣間隔為２ｎｍ。水面光譜采用傾斜法進(jìn)行測量，每次測定前需對輻射儀進(jìn)行校正，單個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)采集５次，以均值為光譜反射值。

依據(jù)采集光譜數(shù)據(jù)繪制水面光譜反射曲線（圖２）。由圖２可以看出，采樣點(diǎn)在３５０～５００ｎｍ波段區(qū)間反射率變化基本一致，光譜反射率較低，這是由于水體葉綠素與其他可溶性有機(jī)物在該波段內(nèi)的吸收率較高。反射率隨著波長的增加而增大，波峰出現(xiàn)在５８０ｎｍ附近。達(dá)到峰值后，反射率隨著波長的增大迅速降低，在８００～１０００ｎｍ的近紅外波段趨近于０，這是由于純水的吸收波段主要在近紅外波段內(nèi)。

圖2水面實(shí)測光譜反射率

使用無人機(jī)搭載推掃式高光譜相機(jī)，其光譜范圍為３８０～１０００ｎｍ，光譜和空間分辨率為3.5ｎｍ 和０.22ｍ。波段小于400ｎｍ和大于９００ｎｍ的信噪比較低，故選擇４００～９００ｎｍ 波段。對高光譜影像進(jìn)行小波變換濾波見式（1）

經(jīng)小波濾波去噪，高光譜數(shù)據(jù)前后對比（圖３）。

圖3無人機(jī)高光譜反射率小波去噪

研究方法

采用相關(guān)分析法，根據(jù)地面實(shí)測光譜數(shù)據(jù)與懸 浮物濃度、濁度的關(guān)系，選擇出最佳反演波段，并利用決定系數(shù)（Ｒ２）與均方根誤差（ＲＭＳＥ）對線性模型、指數(shù)模型和乘冪模型進(jìn)行評定，建立水質(zhì)參數(shù)反演模型。推廣到無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)中，選擇最優(yōu)波段，對選擇出的波段進(jìn)行懸浮物濃度與濁度反演。水質(zhì)參數(shù)與水面光譜數(shù)據(jù)相關(guān)性分析。計(jì)算不同波長反射率與目標(biāo)參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)，分析波長反射率與目標(biāo)參數(shù)之間關(guān)聯(lián)性。構(gòu)建歸一化差值指數(shù)式，見式（２）。

式中：ρｉ、ρｊ代表第ｉ、ｊ波段水面實(shí)測反射率；ｉ、ｊ取值范圍為３５０～１０００ｎｍ。計(jì)算ＮＤＳＩ與懸浮物濃度、濁度間的Ｐｅａｒｓｏｎ相關(guān)系數(shù)，見式（３）。

式中：Ｒ為相關(guān)系數(shù)；ｎ為樣品總數(shù)（取值２０）；ｘｉ為第ｉ個(gè)樣品的光譜值；ｙｉ為第ｉ個(gè)樣品的水質(zhì)參數(shù)。選擇相關(guān)性最高波段組合構(gòu)建ＮＤＳＩ，建立研究區(qū)懸浮物濃度和濁度的反演模型。計(jì)算均方根誤差進(jìn)行模型精度評定，由于樣本數(shù)量較少，本文采用留一法（ｌｅａｖｅ－ｏｎｅ－ｏｕｔ）交叉驗(yàn)證數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行精度評價(jià)。采用式（４）的表達(dá)式。

結(jié)果與分析

4.1 水質(zhì)參數(shù)反演模型構(gòu)建

通過逐波段遍歷構(gòu)建ＮＤＳＩ，計(jì)算其與懸浮物濃度、濁度間的Ｐｅａｒｓｏｎ相關(guān)系數(shù)。建立相關(guān)性分布圖４、圖５。觀察單波段反射率與水質(zhì)參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)分布（圖４），水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)隨波長的變化呈現(xiàn)出相似的趨勢，即懸浮物濃度值越高，對應(yīng)水體濁度值越高，這一現(xiàn)象與兩水質(zhì)參數(shù)的定義相吻合。分析相關(guān)系數(shù)等值線分布（圖５），懸浮物濃度相關(guān)系數(shù)最大值為０．８５６，對應(yīng)波長５００、６７０ｎｍ；濁度相關(guān)系數(shù)最大值為０．８７４，對應(yīng)波長５４０與６２５ｎｍ。本研究決定以ＮＤＳＩ（５００，６７０）和ＮＤＳＩ（５４０，６２５）為自變量，分別構(gòu)建研究區(qū)水庫的懸浮物濃度和濁度反演模型。

圖4懸浮物濃度、濁度與反射波譜的相關(guān)性分布

圖5相關(guān)系數(shù)等值線分布

表1水質(zhì)參數(shù)反演模型分析

圖6懸浮物濃度與濁度反演結(jié)果

構(gòu)建的水域水質(zhì)參數(shù)（懸浮物濃度（ＳＳ）、濁度（ｔｕｒｂ））反演模型為式（５）、式（６）。

4.2無人機(jī)高光譜水質(zhì)參數(shù)反演

將無人機(jī)獲取的同時(shí)期研究區(qū)高光譜影像數(shù)據(jù)結(jié)合構(gòu)建的水質(zhì)參數(shù)反演模型進(jìn)行反演，繪制出水庫懸浮物濃度和濁度分布。如圖８所示，礦區(qū)附近水域的懸浮物濃度在０～９７ｍｇ／Ｌ，多數(shù)處在４～１３ｍｇ／Ｌ；濁度則在０～４５度，多數(shù)處在５～８度。水體較為清澈，無明顯污染現(xiàn)象，水庫邊界處的懸浮物濃度和濁度較高，與反演結(jié)果一致，符合實(shí)際實(shí)地調(diào)研結(jié)果。

圖8礦區(qū)水域水質(zhì)參數(shù)濃度分布

結(jié)論

本文以實(shí)測光譜和采樣的水質(zhì)參數(shù)為數(shù)據(jù)源建立反演模型，利用無人機(jī)高光譜遙感，實(shí)現(xiàn)水體懸浮物濃度和濁度的精準(zhǔn)監(jiān)測。通過實(shí)例驗(yàn)證，得出結(jié)論：①采用波長５００、６７０和５４０、６２５ｎｍ計(jì)算的歸一化差值指數(shù)所構(gòu)建的線性模型，可以作為懸浮物濃度與濁度的反演模型；②基于本文建立的水質(zhì)參數(shù)反演模型，利用無人機(jī)高光譜遙感，可以快速監(jiān)測小中型水域的水質(zhì)參數(shù)。相比于衛(wèi)星影像，無人機(jī)有著實(shí)時(shí)、高時(shí)間空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，可用于礦區(qū)水域污染監(jiān)測預(yù)警，對礦區(qū)環(huán)境保護(hù)有著重要參考意義。隨著高光譜衛(wèi)星的發(fā)展，未來可以進(jìn)一步探討基于高光譜衛(wèi)星影像的水質(zhì)反演，優(yōu)化模型降低成本，提供穩(wěn)定的時(shí)序監(jiān)測能力，為水質(zhì)監(jiān)測與環(huán)保提供長期的參考與支持。

歡迎關(guān)注公眾號(hào)：萊森光學(xué)，了解更多光譜知識(shí)。

萊森光學(xué)（深圳）有限公司是一家提供光機(jī)電一體化集成解決方案的高科技公司，我們專注于光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。

審核編輯黃宇