無人機(jī)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)方法

引 言

水資源是我們賴以生存的重要資源，然而人類活動(dòng)對(duì)水環(huán)境的影響日趨嚴(yán)重。傳統(tǒng)檢測(cè)方法主要以實(shí)驗(yàn)檢測(cè)法為主，但是該方法需要大量的人力物力，且覆蓋范圍有限，需要新的手段相結(jié)合構(gòu)建新的水質(zhì)監(jiān)測(cè)體系。遙感由于其成本低，速度快，監(jiān)測(cè)面積大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)，但是針對(duì)更小尺度上的河道，受限于衛(wèi)星傳感器的時(shí)空分辨率，衛(wèi)星遙感反演的效果受限，此時(shí)無人機(jī)遙感的優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)。無人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、操作簡(jiǎn)便、時(shí)空分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)水域特征制定不同的檢測(cè)方案，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)問題區(qū)域，對(duì)于微小水域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)具有重要意義。

目前水質(zhì)反演方法主要分析法，經(jīng)驗(yàn)法等。分析法主要基于水體的光譜反射散射特性，建立在光學(xué)傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)之上，具有嚴(yán)密的物理邏輯推演過程，但是所需輔助數(shù)據(jù)眾多，模型構(gòu)建過程繁瑣且具有一定的區(qū)域局限性。而經(jīng)驗(yàn)法建立在樣本數(shù)據(jù)與光譜數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系之上，模型構(gòu)建成本低，指定區(qū)域季節(jié)內(nèi)精度較高，但采樣難度高難以與衛(wèi)星影像同步匹配。

近些年來無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓展，其中有針對(duì)葉綠素相對(duì)含量反演，還有在水環(huán)境中應(yīng)用于水土流失狀況分析，但目前針對(duì)水質(zhì)反演的研究還較少，基于此，本文以上海市青浦區(qū)金澤鎮(zhèn)淀山湖部分區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)，利用樣本點(diǎn)、地面光譜儀、縱橫無人機(jī)及 K6 多光譜相機(jī)構(gòu)建 DO(溶解氧)、CODMN(高錳酸鹽指數(shù))、TP(總磷)、TN(總氮)、NH3(氨氮)的遙感反演模型，并驗(yàn)證其精度。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

本文以青浦區(qū)金澤鎮(zhèn)淀山湖風(fēng)景區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)，水域以淀山湖和元蕩為主，2019 年 7月31日飛行一個(gè)架次，覆蓋面積約3平方公里。與此同時(shí)，在無人機(jī)飛行期間，同步采取40個(gè)水樣并在當(dāng)天送檢，檢測(cè)指標(biāo)為總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽、溶解氧。

2 水質(zhì)參數(shù)反演模型構(gòu)建

2.1 等效反射率計(jì)算

對(duì)于多光譜及高光譜傳感器，每個(gè)波段都有一定的光譜響應(yīng)寬度，同時(shí)在該波長(zhǎng)寬度范圍內(nèi)的入射輻亮度并沒有被完整的記錄，一般會(huì)有一個(gè)單峰函數(shù)來描述該波段的輻射接收情況，即為光譜響應(yīng)函數(shù)，是傳感器在每個(gè)波長(zhǎng)接受的輻亮度與入射的輻亮度的比值。那么傳感器在每個(gè)波長(zhǎng)接收到信號(hào)時(shí)，利用以下這個(gè)公式求出無人機(jī)多光譜通道(波段)信號(hào)的等效反射率值。

其中 g 函數(shù)代表傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)，X代表著在該波長(zhǎng)的實(shí)測(cè)反射率值。共獲得 450nm、490nm、550nm、615nm、650nm、685nm、725nm 和 808nm 八個(gè)通道地的光譜響應(yīng)函數(shù)，如圖1所示。

將實(shí)測(cè)的水體反射率曲線與各通道的光譜響應(yīng)函數(shù)按照上述公式計(jì)算即可得到對(duì)應(yīng)于該多光譜相機(jī)的等效反射率。

圖 1 通道光譜響應(yīng)曲線

2.2 水質(zhì)參數(shù)敏感性分析

通過分析單波段及組合波段與實(shí)測(cè)水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)性，挑選相關(guān)性較高的組合，從而為設(shè)計(jì)相應(yīng)的模型提供支持。其中單通道相關(guān)性如下圖所示。

圖 2 單通道 - 等效反射率與水質(zhì)參數(shù)相關(guān)性

由上圖可以看出，除 DO(溶解氧)外，CODMN(高錳酸鹽指數(shù))、TP(總磷)、TN(總氮)、NH3(氨氮)與單波段等效反射率的相關(guān)性都不高(<0.5)，無明顯相關(guān)性，需要進(jìn)行波段比值的相關(guān)性分析。除此之外對(duì)各波段組合也進(jìn)行相關(guān)性分析。

2.2.1 CODMN反演模型構(gòu)建

CODMN于725/550波段處有較強(qiáng)的相關(guān)性，因此選擇725nm和550nm作為特征波段，使用波段比值構(gòu)建模型。

在建模之前并不是所有的樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)都可以用于建模，如果建模數(shù)據(jù)中存在一些異常點(diǎn)都會(huì)對(duì)模型性能造成較大的影響，因此需要在建模之前對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行剔除。

將725/550比值與 CODMN 分別進(jìn)行排序，再根據(jù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)定閾值，將數(shù)據(jù)點(diǎn)與平均值差值絕對(duì)值大于閾值的點(diǎn)刪除。對(duì)數(shù)化后的 CODMN 與特征波段比值有明顯的線性系，通過最小二乘求解可得。

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2.2.2 TN反演模型構(gòu)建

TN與單波段相關(guān)性都較低，但是從550-615相關(guān)系數(shù)有明顯下降，從685-725 有明顯上升，結(jié)合 615/550、725/685的比值相關(guān)性較高，選取該比值為特征波段。隨后去除異常值并取對(duì)數(shù)，采用多元線性回歸構(gòu)建模型。

3 水質(zhì)反演結(jié)果

對(duì)預(yù)處理過后的無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)，針對(duì)各水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遙感水質(zhì)反演，得到研究區(qū)域內(nèi)個(gè)水質(zhì)參數(shù)濃度，再根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及單一指標(biāo)評(píng)價(jià)法，生成水質(zhì)等級(jí)圖，分為I類至劣V類共六類水質(zhì)等級(jí)。

由下圖可以看出，淀山湖區(qū)域水質(zhì)以II類為主，而元蕩則以III類為主，其中 V類及劣V類主要分布在 細(xì)小河道和水體邊緣地區(qū)，一方面原因是岸邊地區(qū)是排污區(qū)域，所以一定程度上反映排污分布情況，另一方面原因則是岸邊有河岸、植被、陰影的影響，同時(shí)混合像元現(xiàn)象普遍存在，造成類別的誤判。

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4 精度驗(yàn)證

采用樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)誤差驗(yàn)證， 結(jié)果顯示CODmn的相對(duì)誤差最低，DO的相對(duì)誤差較高，綜合來看相對(duì)誤差都在 30% 以下，具有較高的精度。

表 1 各水質(zhì)參數(shù)建模的平均相對(duì)誤差

5 結(jié) 論

利用無人機(jī)多光譜數(shù)據(jù)以及準(zhǔn)同步水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)，構(gòu)建水質(zhì)反演模型，反演總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽、溶解氧五類水質(zhì)參數(shù)，結(jié)合單一因子評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到水質(zhì)指標(biāo)。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，各類水質(zhì)參數(shù)相對(duì)誤差率均低于 30%，錯(cuò)分像元主要集中于河岸區(qū)域，大部分區(qū)域誤差在一個(gè)類別以內(nèi)，展現(xiàn)了較高的精度。

除此之外，本模型主要針對(duì)夏季的水質(zhì)樣本，是否有全季節(jié)適用性還未進(jìn)行探究，未來面向全季節(jié)的水質(zhì)反演依然有可提升的空間。

審核編輯：湯梓紅