基于多通道光譜技術(shù)的煤礦水環(huán)境監(jiān)測方法研究

王 皓，叢茂勤，劉昕悅，明 星，林海燕

(1.天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院，天津 300350；2.中科院軟件所南京軟件技術(shù)研究院，江蘇 南京 210049)

煤礦資源的開采與利用為我國創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也帶來了一定的環(huán)境、生態(tài)和社會(huì)問題。煤礦地表塌陷區(qū)是隨著礦區(qū)煤炭開挖而形成的一種特殊的生態(tài)環(huán)境，地下潛水水位高的煤礦塌陷區(qū)將會(huì)形成大面積的塌陷積水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤炭開采造成的土地占?jí)汉统料菀堰_(dá)50多萬公頃[1]，生態(tài)恢復(fù)治理工作嚴(yán)重滯后。煤礦水環(huán)境決定著區(qū)域內(nèi)的生態(tài)水平，因此對(duì)水質(zhì)狀況進(jìn)行及時(shí)高效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測是水環(huán)境保護(hù)和生態(tài)治理的關(guān)鍵，同時(shí)也為采煤塌陷區(qū)污染的控制和綜合治理提供科學(xué)參考。

葉綠素a(Chla)、總磷(TP)和總懸浮物(TSM)是影響水體光譜特征的重要因素，也是煤炭礦區(qū)水質(zhì)參數(shù)反演[2-5]、礦區(qū)水質(zhì)污染等級(jí)[3]、水體富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)[2]研究的主要指標(biāo)。目前，煤炭礦區(qū)水環(huán)境監(jiān)測主要有人工移動(dòng)監(jiān)測和遙感監(jiān)測。人工移動(dòng)監(jiān)測通過人工移動(dòng)采樣，獲取水樣后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析，該方法僅能獲取點(diǎn)狀分布的監(jiān)測數(shù)據(jù)，存在人工采集成本較高、時(shí)效性差、結(jié)果具有局限性等問題；遙感監(jiān)測具有空間性強(qiáng)、覆蓋面廣等特點(diǎn)，主要是通過衛(wèi)星搭載的傳感器獲取水域的光譜影像，經(jīng)過水質(zhì)參數(shù)反演計(jì)算獲取區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)參數(shù)，但是這種方法觀測周期較長，不能達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測效果，因此亟需一種既能滿足實(shí)時(shí)高效動(dòng)態(tài)監(jiān)測又能滿足局部覆蓋的水質(zhì)監(jiān)測方法。

本文以徐州九里礦區(qū)為研究對(duì)象，提出了一種實(shí)時(shí)多通道光譜水質(zhì)監(jiān)測方法。此方法通過將自主研發(fā)的云譜相機(jī)搭載在高點(diǎn)平臺(tái)上進(jìn)行非接觸的水體光譜影像數(shù)據(jù)采集，計(jì)算出水體的反射率數(shù)據(jù)，運(yùn)用反演模型測定水體中Chla、TP和TSM的含量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域水質(zhì)參數(shù)的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測，以期為煤炭礦區(qū)水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測和水資源的保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)采集

1.1 研究區(qū)概況

徐州市位于江蘇省西北部，市區(qū)面積約963km2。市區(qū)內(nèi)以黃河故道為分水嶺，九里礦區(qū)在黃河故道以北，有龐莊煤礦、夾河煤礦、王莊煤礦和寶應(yīng)煤礦，是主要的采煤塌陷區(qū)，由于地下潛水位高，采煤塌陷積水嚴(yán)重，地表水系遭到破壞，工業(yè)、生活污水就近排放，進(jìn)一步加重了水質(zhì)污染。因此對(duì)采煤塌陷積水區(qū)進(jìn)行綜合整治是礦區(qū)治理與生態(tài)重建的關(guān)鍵之一[6]。

1.2 數(shù)據(jù)采集

本文使用KSHA-C08型多通道云譜相機(jī)采集被監(jiān)測區(qū)域水體的光譜影像，云譜相機(jī)一般選擇固定在便于數(shù)據(jù)采集且易于安裝、維護(hù)的地點(diǎn)。本次試驗(yàn)云譜相機(jī)安裝高度為10m。由于安裝點(diǎn)是由東南方向日出，西南方向日落，綜合太陽高度角、方位角以及環(huán)境因素，為了盡量避免太陽直射反射的干擾所產(chǎn)生的耀斑，確定多通道云譜相機(jī)的觀測方向?yàn)槲鞅狈较颍c水平面法線之間的觀測夾角約為45°。采集時(shí)間為日照的上午8點(diǎn)至下午5點(diǎn)，圖像采集間隔自定義為30min，空間分辨率為1mm(35mm焦距)，幅寬為1.44m×1.08m(35mm焦距)，設(shè)備共有8路光譜通道，包括彩色、藍(lán)光、綠光、紅光、紅光邊緣、近紅外等8路單通道影像，均為8bit圖像數(shù)據(jù)，光譜通道參數(shù)見表1。

表1 光譜通道參數(shù)

在監(jiān)測水域內(nèi)隨機(jī)選擇多個(gè)距離盡可能遠(yuǎn)的采樣點(diǎn)，按照設(shè)定時(shí)間間隔對(duì)多個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行多通道光譜數(shù)據(jù)采集，同時(shí)采集監(jiān)測水域采樣點(diǎn)的水樣，用以驗(yàn)證水質(zhì)參數(shù)與特定波段的相關(guān)性，進(jìn)一步驗(yàn)證反演模型的準(zhǔn)確度。

2 地物光譜特征

2.1 多通道光譜數(shù)據(jù)

礦區(qū)檢測區(qū)域內(nèi)有水體、植被、建筑物三類不同地物，通過云譜相機(jī)采集的某晴天上午11點(diǎn)40分的地物光譜影像如圖1所示。

從圖1中可以看出水體區(qū)域在多通道下像素值(DN值)均較低，尤其是藍(lán)光和近紅外光的DN較低；建筑物在各通道的DN值均比其他地物高，反映了建筑物高反射率的特點(diǎn)；植被在560nm和近紅外通道DN值較高，尤其是709nm，反映了植被在560nm通道和近紅外通道存在較為明顯的反射特征。結(jié)果表明云譜相機(jī)采集到的多通道光譜影像符合不同地物的光譜特征[7，8]。

圖1 多通道光譜影像數(shù)據(jù)

2.2 地物反射光譜

在進(jìn)行多通道光譜影像采集后，需計(jì)算地物光譜反射率。本文提出了依據(jù)光照度進(jìn)行DN值數(shù)據(jù)庫索引的方法。首先構(gòu)建多通道不同光照度下反射率為30%的標(biāo)準(zhǔn)DN值數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)光照度計(jì)獲得的實(shí)時(shí)照度值進(jìn)行數(shù)據(jù)庫索引，找出對(duì)應(yīng)照度值下的多通道標(biāo)準(zhǔn)DN值，進(jìn)而計(jì)算出多通道相應(yīng)地物的反射率[9，10]。不同地物的反射率曲線如圖2所示。

圖2中植被在560nm處有一個(gè)小的反射峰，在490nm和665nm處有兩個(gè)吸收谷，在近紅外通道有較強(qiáng)的反射，符合常見綠色植被的光譜反射特征；水體整體的反射率均較低，在560nm有一個(gè)小的反射峰，近紅外通道反射較低，符合低葉綠素a濃度的水體反射特征；建筑物整體反射率均較高，尤其是709nm，也滿足常見的建筑物的反射光譜特征。

圖2 不同地物對(duì)應(yīng)的反射率曲線

2.3 相關(guān)性分析

本文結(jié)合已有特殊波段及組合，對(duì)不同采樣點(diǎn)的葉綠素a(Chla)、總磷(TP)和總懸浮物(TSM)濃度與光譜反射率相關(guān)性進(jìn)行分析得知，葉綠素a(Chla)、總磷(TP)和總懸浮物(TSM)濃度與光譜反射率在Band6/Band5、Band7/Band2、Band7/Band3三個(gè)波段組合情況下具有最大相關(guān)性。Band6/Band5、Band7/Band2、Band7/Band3稱為葉綠素a(Chla)、總磷(TP)和總懸浮物(TSM)的最優(yōu)通道組合。相關(guān)性公式見式(1)。

式中，γ(X，Y)為相關(guān)系數(shù)，度量X與Y之間的線性關(guān)系；Cσv(X，Y)為X與Y的協(xié)方差；Vαγ[X]為X的方差；Vαγ[Y]為Y的方差。

3 水質(zhì)監(jiān)測

3.1 水質(zhì)參數(shù)反演模型的構(gòu)建

本文選取最優(yōu)通道組合數(shù)據(jù)作為建模因子，然后依次構(gòu)建線性、指數(shù)、冪函數(shù)和多項(xiàng)式這四種基本模型，并計(jì)算決定系數(shù)R2。相比單一通道的模型方法，能夠有效降低背景干擾，提高水體有效光譜信息的獲取。模型構(gòu)建流程如圖3所示。

圖3 多通道光譜水質(zhì)參數(shù)反演模型構(gòu)建流程

水質(zhì)參數(shù)反演模型及決定系數(shù)(R2)見表2。表2顯示，三種水質(zhì)參數(shù)反演模型中，模型的決定系數(shù)R2均呈現(xiàn)出多項(xiàng)式函數(shù)高于線性函數(shù)高于指數(shù)函數(shù)高于冪函數(shù)的狀況[11，12]。以Band6/Band5作為建模因子的Chla反演模型中，R2均高于0.75，其中多項(xiàng)式函數(shù)R2高達(dá)0.86。以Band7/Band2作為因子建立的TP反演模型中，多項(xiàng)式函數(shù)R2達(dá)到0.81。以Band7/Band3作為因子建立的TSM反演模型中，各模型的R2均高于0.72，多項(xiàng)式函數(shù)R2達(dá)到0.84。最終，Chla、TP、TSM的反演模型分別選擇Band6/Band5、Band7/Band2、Band7/Band3作為因子建立的多項(xiàng)式函數(shù)。

表2 多通道光譜水質(zhì)參數(shù)反演分析模型

3.2 基于多通道優(yōu)化反演模型的實(shí)時(shí)監(jiān)測

利用本文提出的多通道光譜優(yōu)化反演模型對(duì)實(shí)時(shí)采集的光譜影像進(jìn)行分析，可以計(jì)算出不同時(shí)間段被監(jiān)測水體的主要參數(shù)值，并能夠跟隨其連續(xù)變化過程。選取某天連續(xù)整點(diǎn)時(shí)刻采集點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 連續(xù)整點(diǎn)時(shí)刻水質(zhì)參數(shù)濃度空間分布

由表3可以看出，隨著數(shù)據(jù)采集時(shí)間的持續(xù)，水體中的陰影和表面漂浮的少許植被等因外界環(huán)境因素影響而變化，與此同時(shí)水體本身的內(nèi)部組成含量也在發(fā)生變化。利用采集到水體的多通道光譜影像，可以完整收集動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步反映出水體組分的變化情況。

在不同整點(diǎn)時(shí)刻水質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果的統(tǒng)計(jì)值如圖4所示。上午8∶00至下午17∶00，目標(biāo)水體Chla濃度的變化范圍8.91～17.64mg/m3，均值13.56mg/m3。TP濃度的變化范圍0.04～0.08mg/L，均值0.06mg/L。TSM濃度的變化范圍19.42～48.57mg/L，均值33.13mg/L。其中Chla濃度較低，表明水體中藻類較少，主要是受到氣候的影響。Chla濃度升高時(shí)，TP的濃度也有所提升，表明兩種水質(zhì)指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性。TSM的濃度變化較大，主要與水體中有機(jī)懸浮物和無機(jī)懸浮物的變化相關(guān)，由于研究區(qū)位于居民生活區(qū)附近，生活污水排放會(huì)導(dǎo)致TSM的變化較為明顯。

圖4 水質(zhì)參數(shù)變化

3.3 監(jiān)測結(jié)果分析

在煤礦監(jiān)測區(qū)域內(nèi)每個(gè)采樣點(diǎn)采集2000mL水樣并低溫冷藏，當(dāng)天由當(dāng)?shù)貦z測機(jī)構(gòu)通過分光光度法(HJ 897—2017)測定Chla含量，鉬酸銨分光光度法(GB/T 11893—1989)測定TP含量，稱重法(GB 11901—1989)測定TSM含量，并與相應(yīng)水質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果進(jìn)行了比較，也驗(yàn)證了多通道光譜水質(zhì)參數(shù)反演方法的精度。兩者比對(duì)結(jié)果見表4。

表4 水質(zhì)參數(shù)實(shí)測與模型結(jié)果對(duì)比

對(duì)比實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果表明水質(zhì)參數(shù)濃度的驗(yàn)證誤差較低，反演精度較高，表明該多通道光譜優(yōu)化反演方法可以有效地對(duì)礦區(qū)內(nèi)水體的水質(zhì)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。按照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)，目標(biāo)區(qū)域TP濃度大于0.02mg/L，小于0.1mg/L時(shí)，屬于二類水體。

4 結(jié) 論

1)本文針對(duì)礦區(qū)水環(huán)境監(jiān)測提出了一種基于多通道光譜水質(zhì)多參數(shù)監(jiān)測方法。此方法采用遠(yuǎn)距離非接觸方式進(jìn)行水體多通道光譜數(shù)據(jù)采集，獲取的多光譜影像以及地物反射率曲線均符合不同地物的反射光譜特征，優(yōu)化的水質(zhì)參數(shù)反演模型，使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

2)相對(duì)于傳統(tǒng)的單通道光譜數(shù)據(jù)反演建模方法，最優(yōu)通道組合數(shù)據(jù)可以在保證較高準(zhǔn)確率的同時(shí)減小了計(jì)算量，降低數(shù)據(jù)計(jì)算復(fù)雜度，克服運(yùn)算量過大問題，保證了數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性。

3)多通道光譜水環(huán)境監(jiān)測方法結(jié)合了傳統(tǒng)監(jiān)測和遙感監(jiān)測，很大程度上彌補(bǔ)了時(shí)效性、可視化效果等方面的不足，可以及時(shí)獲得準(zhǔn)確的水質(zhì)參數(shù)的空間分布、時(shí)空變化，對(duì)礦區(qū)水域整體治理具有重要的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。