基于手機攝像頭傳感器實時監測水體富養程度研究

劉婧文

河流水質監測由于水體面積小無法通過傳統衛星遙感方式反演，因此通常通過實地采樣，實驗室試分析樣本的方式進行。然而實地采樣需要大量人力物力和資金，因此無法實施大規模，大區域，多時段的水質監測。為了克服這個水質監測工程上的難點，本文探討了使用手機攝像頭光譜信息反演水質的可能性，并且設計，測試，完成了相應的手機app（手機軟件應用程序）。作為使用手機檢測水質的第一步，本文利用葉綠素在紅、綠、藍波段反射率不同的光譜學原理，成功實現了水體富養程度的檢測。相較于傳統水質采樣法，手機具有便攜，用戶廣泛等諸多優點。并且手機通過聯網，數據上傳，數據保存等一系列后續服務，可以實現大范圍多時段水質觀測，從而大大加速了水質監測網絡的建設，同時極大地降低了水質觀測的成本。

【關鍵詞】傳感器 水質監測

1 引言

河流生態系統是生物圈的重要組成部分，它為動植物提供了豐富的淡水資源和天然的棲息地。同時河流與人類的生產和生活息息相關，特別為農業活動和日常生活提供了水源。然而隨著人口數量的增長，城市化進程的加快，人類活動對河流造成了許多負面的影響，甚至是大面積的嚴重污染和破壞。 例如，沿河工廠的重金屬污水排放，農業活動大規模使用的農藥以及高磷含量的化肥，最終都會匯入河流，造成河流生態系統的嚴重破壞。因此如何有效觀測，監控，和監管河流水質，對保護河流生態系統具有非常重大的意義。作為河流生態系統的重要指標之一，水體富養程度表征了水體的對生物群落特別是初級浮游生物（比如，綠藻）的養分供給。水體在極度富養的情況下，會導致藻類和微生物繁殖，大量消耗水溶氧量，大量繁殖有毒微生物，從而使其他生物的死亡。因此河流水體富養程度的觀測對環境檢測具有重大的意義。

目前地表水體的檢測主要采用遙感技術，比如說利用衛星遙感技術獲取地表水體的光譜信息從而反演水體特征。雖然衛星遙感提供的數據具有數量多，范圍廣的特點，但是采集數據的時間精度不夠，而且受大氣環境影響（比如，云）較大。特別是衛星的空間分辨率一般不足以觀測河流這樣的小單位水體。

相比較而言，地面監測不受時間限制，一天內可隨時、多次進行檢測，極大提升了測量的時間精度。且不受水體大小、大氣環境所限制，能夠提供更全面的監測數據。考慮到當今社會手機的普及性，采用手機攝像頭作為觀測設備是一種成本低廉、可行性極高的選擇。大量活躍用戶通過配套的手機app上傳觀測數據，可以很快實現廉價觀測網絡的搭建，集成動態更新的數據庫。 作為搭建手機觀測平臺， 聯網檢測水體水質的第一步，本文提供了手機軟件設計，攝像頭光譜信息反演方法的一整套解決方案。并且以檢測水體富養程度為例，提供實例驗證。

2 基本原理與方法

2.1 水體光譜信息

本文檢測水體富養化程度使用了衛星遙感的基本原理，調整后適用于手機遙感。手機攝像頭的光傳感元器件捕捉光照的輻射強度（W/m2），并通過Bayer濾鏡得到紅綠藍三色光照輻射強度。利用葉綠素不吸收綠光的光譜特性，實現反演。

2.2 反演葉綠素濃度指數

2.3 手機軟件設計與實現

（1）用戶依次按下天空、水體、灰度卡照片的按鈕，獲得相應圖片。

（2）用戶依次選擇每張照片的最佳區域來獲取光譜（公式1）。

（3）點擊軟件計算（公式2），反饋給用戶葉綠色指數濃度。

（4）注意事項：使用app前用戶需依次拍攝天空、水體、灰度卡照片（三張照片需曝光時間相同）。操作時要注意拍攝天空角度為方位角135°，天頂角50°。拍攝水體角度為方位角135°，天頂角40°。而且需要在背景飛速小于5m s-1的情況下，才可定義ρ為0.028。Rref = 0.18。

3 結果與討論

分別拍攝了低水質個例及對應的天空、灰度卡照片，及高水質個例及對應的天空、灰度卡照片。個例照片、軟件反演過程及結果如圖所示。經測試，通過簡單的操作，app能夠快速計算出葉綠素濃度并給出準確的水體質量評估。

識別結果，對于低水質的葉綠素指數為-0.4943，程度為輕微污染。對于高水質的葉綠素指數為1.3329，程度為較好水質。

參考文獻

[1]成秀，李文明，鄭長遠.河流重金屬研究進展[J].青海師范大學學報：自然科學版，2011，27（04）：25-28.

[2]孫肖瑜，王靜，金永堂.我國水環境農藥污染現狀及健康影響研究進展[J].環境與健康雜志，2009，26（07）：649-652.

[3]馬經安，李紅清.淺談國內外江河湖庫水體富營養化狀況[J].長江流域資源與環境，2002，11（06）：575-578

[4]丁曉英.衛星遙感在水污染業務化監測中的應用和設想[J].人民珠江， 2009（02）：14-16.

作者單位

遼寧工業大學電氣工程學院 測控技術與儀器專業 遼寧省錦州市 121001