城市河道水質(zhì)監(jiān)測無人機(jī)高光譜技術(shù)應(yīng)用研究-萊森光學(xué)

引言

對河道水質(zhì)進(jìn)行常態(tài)化監(jiān)測，是河流生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康維護(hù)的重要基礎(chǔ)性工作。河流水域水質(zhì)的監(jiān)測方法一般有三種，分別是傳統(tǒng)理化監(jiān)測技術(shù)、生物監(jiān)測技術(shù)以及遙感監(jiān)測技術(shù)。傳統(tǒng)理化監(jiān)測技術(shù)方法是采用物理與化學(xué)的檢測儀器對水質(zhì)樣本進(jìn)行監(jiān)測分析，該方式具有精準(zhǔn)的檢測數(shù)據(jù)，可以作為有效的執(zhí)行依據(jù)，但是比較消耗人力與時間，采集樣本的頻次也比較低，采集的數(shù)據(jù)較離散，無法直觀地呈現(xiàn)效果。生物監(jiān)測方式主要是采用生物體對環(huán)境污染變化所產(chǎn)生的反應(yīng)，來表示該環(huán)境現(xiàn)階段被污染的具體情況，具有可以連續(xù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性較高的特點，但是該方式前期需要投入的資金較大，成果可能出現(xiàn)局部不連續(xù)，也無法直觀呈現(xiàn)。遙感監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測河流水域的水質(zhì)，主要是利用水質(zhì)中不同物質(zhì)對光波表現(xiàn)出光譜特性，進(jìn)行遙感光譜技術(shù)波段測試，對河流水域水質(zhì)參數(shù)分析，然后形成河流水源水質(zhì)參數(shù)反演效果圖，該方法可以有效地呈現(xiàn)出河流水質(zhì)的空間分布情況與對應(yīng)的變化，及時發(fā)現(xiàn)河流水源中的污染物，然后進(jìn)行污染物遷移特性分析，具有成本較低、監(jiān)測范圍較廣、監(jiān)測速度較快、監(jiān)測分析結(jié)果直觀可視化等優(yōu)勢，但也存在時空分辨率較低、抗干擾性較低等缺點。本文從高光譜技術(shù)的基本原理、無人機(jī)載高光譜技術(shù)的優(yōu)勢、基本工作流程，再到現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、 數(shù)據(jù)反演和分析，進(jìn)行機(jī)載高光譜技術(shù)在城市河道水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用研究。

2、高光譜技術(shù)基本原理

高光譜技術(shù)是采用連續(xù)且較窄的波段光譜對地面物質(zhì)、水質(zhì)等進(jìn)行遙感成像。無人機(jī)載高光譜環(huán)保技術(shù)主要是無人機(jī)高光譜環(huán)境保護(hù)監(jiān)測技術(shù)，采用先進(jìn)的無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)對水流域范圍中的水質(zhì)進(jìn)行及時性、高效性、精細(xì)化的光譜信息采集。然后搭建該區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)反演模型圖，實現(xiàn)對整個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的濃度因子監(jiān)測，快速、可靠、高效地進(jìn)行定性、定量的水質(zhì)指標(biāo)計算與分析，為精準(zhǔn)明確污染源、水環(huán)境治理提供科學(xué)的判斷數(shù)據(jù)。而單波段反射率與各水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)性不強(qiáng)，為此構(gòu)建波段組合形式，選擇波段比值法，計算波段比值與各參數(shù)之間的相關(guān)性系數(shù)，進(jìn)一步確定各參數(shù)的特征波段，如表 1 所示。

表 1 水質(zhì)參數(shù)對應(yīng)特征波段

3、無人機(jī)載高光譜技術(shù)

3.1 技術(shù)特點

無人機(jī)高光譜技術(shù)是利用不同物質(zhì)對不同的波長呈現(xiàn)出不同的特征屬性，然后采用光譜對這些物質(zhì)特征屬性進(jìn)行判斷，分析出該物質(zhì)的屬性，并結(jié)合先進(jìn)的無人機(jī)載技術(shù)進(jìn)行全流域不間斷的掃描勘查。該技術(shù)具有信息量大的全息光譜功能、不定時的高頻度巡航功能以及深度學(xué)習(xí)功能等，具有無人機(jī)低空的精細(xì)化與干擾小的特點 。通過采用無人機(jī)機(jī)載高光譜技術(shù)具有如下幾點優(yōu)勢：（1）搭建一套具有清潔生態(tài)小流域全流域、連續(xù)、高效的水質(zhì)監(jiān)測方法體系，可以實現(xiàn)線上線下同步聯(lián)動、 各方參與的生態(tài)清潔小流域長效管理機(jī)制。（2）融合大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、GIS 技術(shù)等新興先進(jìn)技術(shù)，可以有效地突破傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的局限性，提升監(jiān)測區(qū)域內(nèi)水質(zhì)評估系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化能力。（3）實時監(jiān)測水質(zhì)的時空變化情況、污染物時空遷移趨勢以及污染源回溯等，精準(zhǔn)把控濃度異常區(qū)域的現(xiàn)場勘查。無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)采集示意圖如圖 1 所示。

圖1 無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)采集示意圖

3.2 工作流程

采用無人機(jī)載高光譜技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測的主要流程是：首先對勘查測區(qū)周邊環(huán)境進(jìn)行信息采集；以此為基礎(chǔ)進(jìn)行無人機(jī)飛行航行的規(guī)劃，執(zhí)行無人機(jī)的數(shù)據(jù)采集，并確保測試區(qū)域的數(shù)據(jù)采集完整性；之后人工進(jìn)行實地采樣樣本數(shù)據(jù)分析；最后進(jìn)行高光譜分析，結(jié)合該區(qū)域的地面水質(zhì)采樣結(jié)果，搭建水流域的水質(zhì)反演模型效果圖， 通過對流域水質(zhì)反演分析，精準(zhǔn)掌控水域的污染情況。無人機(jī)載高光譜技術(shù)監(jiān)測流程如圖 2 所示。

圖 2 無人機(jī)載高光譜技術(shù)監(jiān)測流程圖

3.3 數(shù)據(jù)反演

基于河流的光譜成果圖對河流拼接好的影像進(jìn)行裁剪，去除河流兩岸并保留水體水質(zhì)部分的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)的全流程反演處理，輸出反演結(jié)果。數(shù)據(jù)反演的精度分析，是對各水質(zhì)參數(shù)化驗數(shù)據(jù)和反演數(shù)據(jù)進(jìn)行反演準(zhǔn)確率計算，公式如下：

其中：A為反演準(zhǔn)確率；mi為某點化驗數(shù)據(jù)；ni為某點高光譜反演數(shù)據(jù)；

為化驗數(shù)據(jù)平均值。

在較為理想的觀測條件下，通過對大量實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比計算，反演準(zhǔn)確率最大可達(dá)到 85%。

無人機(jī)載高光譜技術(shù)在河道水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)物質(zhì)對波長所展現(xiàn)出的不同特性，就可以利用高光譜技術(shù)分別判定監(jiān)測水質(zhì)中相關(guān)物質(zhì)的屬性。比如從水質(zhì)檢測關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)出發(fā)，選擇覆蓋400~1000nm波段范圍的機(jī)載高光譜設(shè)備，可有效監(jiān)測水體中葉綠素a、 總氮、總磷、氨氮、總懸浮物、化學(xué)需氧量、溶解氧等濃度信息，在水質(zhì)光譜分析中，對550~650nm波長的光進(jìn)行分析賦值，即可反演水中溶解氧和氨氮濃度。具體的數(shù)據(jù)采集過程是同一天的時間段內(nèi)，通過對某 一區(qū)域內(nèi)六段河道區(qū)域進(jìn)行4架次無人機(jī)載的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，每段河道的實際作業(yè)距離在1.2~2.5km 之間。獲取原始數(shù)據(jù)量約為229GB，實際作業(yè)情況如表 2 所示。

表 2 無人機(jī)載高光譜采集信息統(tǒng)計

本次數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場情況為四段河流，一共完成了32個采集水質(zhì)樣本點，詳細(xì)點位分布圖如圖 3 所示。

圖 3 水質(zhì)樣本采集點分布圖

本次化驗結(jié)果主要是針對溶解氧、高錳酸鹽、氨氮等 指標(biāo)的溶度進(jìn)行實驗室檢測。其中：總磷采用鉬酸銨分光光度發(fā)，氨氮采用水楊酸分光光度法，溶解氧采用碘量法，高錳酸鹽指數(shù)采用堿性滴定法。

4.2 數(shù)據(jù)處理

將無人機(jī)載高光譜技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)的處理方式包括了輻射校正、反射校正、幾 何校正以及波段裁剪等 。主要步驟或環(huán)節(jié)為：（1）輻射校正是采用輻射定標(biāo)文件對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正；（2）反射校正是通過反射布的平均光譜文件對數(shù)據(jù)進(jìn) 行校正；（3）幾何校正是對數(shù)據(jù)進(jìn)行地理校正，保證數(shù)據(jù)位置的精度。由于數(shù)據(jù)采集、POS 定位、校正算法等原因，都會導(dǎo)致單景影像的位置發(fā)生不同程度的變化。因此，需要在一定程度上進(jìn)行影像的幾何校正；（4）波段裁剪對高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行波段裁剪，保留 400~1000nm波段的數(shù)據(jù)。將多架次數(shù)據(jù)完成影像拼接工作，一般可以采用影像拼接處理，調(diào)整羽化值，并且設(shè)置勻色參數(shù)，使拼接后的數(shù)據(jù)無明顯色差。拼接后的高光譜效果（河流A至B 段）如圖 4 所示。

圖4 河道 A 到河道 B 高光譜成果圖

4.3 反演效果

基于河流的光譜成果對河流水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全流程反演處理，輸出反演結(jié)果。其中，溶解氧的反演效果如圖 5 所示。

圖 5 河道 A 到 B 的溶解氧（DO）反演效果圖

4.4 對比分析

無人機(jī)高光譜技術(shù)的實測應(yīng)用反演結(jié)果，與同步取樣的水質(zhì)分析的對比，具體結(jié)果如表 3 所示。以溶解氧為例，反演數(shù)據(jù)相對于化驗數(shù)據(jù)有波動，但整體保持了相近的變化趨勢（圖 6）。經(jīng)計算，本次實測數(shù)據(jù)溶解氧反演準(zhǔn)確率為 80.7%。

圖6 溶解氧化驗和反演曲線

4.5 污染判定

通過對高光譜反演異常點的分析，可以判定疑似污染點。高光譜反演進(jìn)行疑似污染點的判讀與劃定，是根據(jù)采集水樣的監(jiān)測結(jié)果，將超標(biāo)因子高錳酸鹽、氨氮、溶解氧及總磷作為本次反演結(jié)果中關(guān)注的污染物。基于高光譜反演效果圖中污染物總磷、氨氮、溶解氧 及高錳酸鹽的濃度的變化趨勢（由綠變紅 / 黃片區(qū)），劃定原則為將紅色 / 黃色突出位置標(biāo)定為疑似污染點位，最終標(biāo)定9個疑似污染點位，成果整體分布情況如圖 7 所示，其中河流 B 其中一處水質(zhì)異常點如圖 8 所示。

圖7 河道 A 至河道 B 疑似污染點分布圖

圖8 疑似污染點高光譜反演結(jié)果圖

通過河流疑似污染點位分析，1-1 號疑似污染點位于河流B西側(cè)，南面為住宅區(qū)，推測可能為雨水或者污水排放導(dǎo)致該處水質(zhì)數(shù)值異常。疑似點位的高光譜反演結(jié) 果如表 4 與圖 8。結(jié)合疑似污染點大部分位于居民住宅區(qū)附近的情況，推測生活污水以及雨水的排放是導(dǎo)致水質(zhì)異常的主要原因。

表 4 疑似污染點高光譜反演結(jié)果

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002），疑 似污染點高錳酸鹽指數(shù)為5.9，屬于 III 類水標(biāo)準(zhǔn)（≤ 6）， 其余三個因子為 IV 類水標(biāo)準(zhǔn)，提示該處有污染可能，應(yīng)予及時處治。

5、結(jié)論

本文通過基于高光譜技術(shù)，采用無人機(jī)載的方式，應(yīng)用于城市河道水質(zhì)監(jiān)測，得出了如下基本結(jié)論：（1）無人機(jī)載高光譜技術(shù)對河道水質(zhì)監(jiān)測具有可行性。（2）通過與同步采集水樣化驗數(shù)據(jù)對比，該技術(shù)有效，且具有一定的可靠性。（3）該技術(shù)對污染異常點的發(fā)現(xiàn)，具有優(yōu)勢。（4）重復(fù)掃描可提高反演精度，再次采樣分析也有助 于數(shù)據(jù)判讀的可靠性。

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