城市河道水質監(jiān)測無人機高光譜技術應用研究

關鍵詞：城市河道；水質監(jiān)測；無人機；高光譜技術；反演效果；對比分析

對河道水質進行常態(tài)化監(jiān)測，是河流生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康維護的重要基礎性工作。河流水域水質的監(jiān)測方法一般有三種，分別是傳統(tǒng)理化監(jiān)測技術、生物監(jiān)測技術以及遙感監(jiān)測技術[1-3]。傳統(tǒng)理化監(jiān)測技術方法是采用物理與化學的檢測儀器對水質樣本進行監(jiān)測分析，該方式具有精準的檢測數(shù)據，可以作為有效的執(zhí)行依據，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)境污染變化所產生的反應，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)據采集、數(shù)據的精準性較高的特點，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)測技術監(jiān)測河流水域的水質，主要是利用水質中不同物質對光波表現(xiàn)出光譜特性，進行遙感光譜技術波段測試，對河流水域水質參數(shù)分析，然后形成河流水源水質參數(shù)反演效果圖[4-7]，該方法可以有效地呈現(xiàn)出河流水質的空間分布情況與對應的變化，及時發(fā)現(xiàn)河流水源中的污染物，然后進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。

本文基于課題組承擔的上海市水務局2022 年度科研項目，數(shù)據均來自該科研項目在上海浦東新區(qū)張華浜城市河道的實測，其中無人機載高光譜數(shù)據為課題組實測，同步的現(xiàn)場取樣及實驗室化驗為水務局單獨完成，相關數(shù)據均已上傳并發(fā)布于水質監(jiān)測數(shù)據服務平臺。

本文從高光譜技術的基本原理、無人機載高光譜技術的優(yōu)勢、基本工作流程，再到現(xiàn)場數(shù)據采集、內業(yè)數(shù)據處理、數(shù)據反演和分析，進行機載高光譜技術在城市河道水質監(jiān)測中的應用研究。

1 高光譜技術基本原理

高光譜技術是利用連續(xù)且較窄的波段光譜與成像技術相結合的手段，通過對監(jiān)測對象的一維光譜數(shù)據與二維空間幾何數(shù)據采集，形成連續(xù)性、窄帶波段的圖像信息。一般的高光譜成像技術可以分為光柵分光技術、凌鏡分光技術以及聲光可調諧波分光技術等[8-9]。高光譜圖像技術是對光譜維度進行多通道的分割，光波穿過夾縫通道時，不同波長的光會出現(xiàn)不同情況的折射傳播，光柵衍射后的分光，會呈現(xiàn)不同波段的譜帶，在光譜維度上形成一個圖像信息的數(shù)據立方，呈現(xiàn)出每個點的光譜信息以及光譜段的影像數(shù)據等。而高光譜遙感技術就是采用高光譜傳感器對監(jiān)測目標體發(fā)射的電磁波，判斷該物體的空間與頻譜信息的一種方法。

高光譜技術是采用連續(xù)且較窄的波段光譜對地面物質、水質等進行遙感成像。無人機載高光譜環(huán)保技術主要是無人機高光譜環(huán)境保護監(jiān)測技術，采用先進的無人機高光譜遙感技術對水流域范圍中的水質進行及時性、高效性、精細化的光譜信息采集。然后搭建該區(qū)域內的水質反演模型圖，實現(xiàn)對整個監(jiān)測區(qū)域內的濃度因子監(jiān)測，快速、可靠、高效地進行定性、定量的水質指標計算與分析，為精準明確污染源、水環(huán)境治理提供科學的判斷數(shù)據。

而單波段反射率與各水質參數(shù)之間的相關性不強，為此構建波段組合形式，選擇波段比值法，計算波段比值與各參數(shù)之間的相關性系數(shù)，進一步確定各參數(shù)的特征波段[10]，如表1 所示。

2 無人機載高光譜技術

2.1 技術特點

無人機高光譜技術是利用不同物質對不同的波長呈現(xiàn)出不同的特征屬性，然后采用光譜對這些物質特征屬性進行判斷，分析出該物質的屬性，并結合先進的無人機載技術進行全流域不間斷的掃描勘查。該技術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習功能等，具有無人機低空的精細化與干擾小的特點[11-13]。通過采用無人機機載高光譜技術具有如下幾點優(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制。

（2）融合大數(shù)據技術、人工智能技術、GIS 技術等新興先進技術，可以有效地突破傳統(tǒng)水質監(jiān)測技術的局限性，提升監(jiān)測區(qū)域內水質評估系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化能力。

（3）實時監(jiān)測水質的時空變化情況、污染物時空遷移趨勢以及污染源回溯等，精準把控濃度異常區(qū)域的現(xiàn)場勘查。

無人機高光譜遙感技術采集示意圖如圖1 所示。

2.2 工作流程

采用無人機載高光譜技術進行監(jiān)測的主要流程是：首先對勘查測區(qū)周邊環(huán)境進行信息采集；以此為基礎進行無人機飛行航行的規(guī)劃，執(zhí)行無人機的數(shù)據采集，并確保測試區(qū)域的數(shù)據采集完整性；之后人工進行實地采樣樣本數(shù)據分析；最后進行高光譜分析，結合該區(qū)域的地面水質采樣結果，搭建水流域的水質反演模型效果圖[7]，通過對流域水質反演分析，精準掌控水域的污染情況。無人機載高光譜技術監(jiān)測流程如圖2 所示。

2.3 數(shù)據反演

基于河流的光譜成果圖對河流拼接好的影像進行裁剪，去除河流兩岸并保留水體水質部分的數(shù)據，然后進行水質數(shù)據的全流程反演處理，輸出反演結果。

數(shù)據反演的精度分析，是對各水質參數(shù)化驗數(shù)據和反演數(shù)據進行反演準確率計算，公式如下：

在較為理想的觀測條件下，通過對大量實測數(shù)據進行對比計算，反演準確率最大可達到85%。

3 無人機載高光譜技術在河道水質監(jiān)測中的應用

3.1 數(shù)據采集

根據物質對波長所展現(xiàn)出的不同特性，就可以利用高光譜技術分別判定監(jiān)測水質中相關物質的屬性[8]。比如從水質檢測關鍵參數(shù)指標出發(fā)，選擇覆蓋400～1000 nm 波段范圍的機載高光譜設備，可有效監(jiān)測水體中葉綠素a、總氮、總磷、氨氮、總懸浮物、化學需氧量、溶解氧等濃度信息，在水質光譜分析中，對550～650 nm 波長的光進行分析賦值，即可反演水中溶解氧和氨氮濃度。

具體的數(shù)據采集過程是同一天的時間段內，通過對某一區(qū)域內六段河道區(qū)域進行4 架次無人機載的現(xiàn)場數(shù)據采集，每段河道的實際作業(yè)距離在1.2～2.5 km 之間。獲取原始數(shù)據量約為229 GB，實際作業(yè)情況如表2 所示。

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

本次化驗結果主要是針對溶解氧、高錳酸鹽、氨氮等指標的溶度進行實驗室檢測。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。

3.2 數(shù)據處理

將無人機載高光譜技術所采集的數(shù)據信息進行數(shù)據處理，數(shù)據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[14-16]。主要步驟或環(huán)節(jié)為：

（1）輻射校正是采用輻射定標文件對數(shù)據進行校正；

（2）反射校正是通過反射布的平均光譜文件對數(shù)據進行校正；

（3）幾何校正是對數(shù)據進行地理校正，保證數(shù)據位置的精度。由于數(shù)據采集、POS 定位、校正算法等原因，都會導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行影像的幾何校正；

（4）波段裁剪對高光譜數(shù)據進行波段裁剪，保留400～1000 nm 波段的數(shù)據。

將多架次數(shù)據完成影像拼接工作，一般可以采用ENVI 進行影像拼接處理，調整羽化值，并且設置勻色參數(shù)，使拼接后的數(shù)據無明顯色差。拼接后的高光譜效果（河流A 至B 段）如圖4 所示。

3.3 反演效果

基于河流的光譜成果對河流水質數(shù)據進行全流程反演處理，輸出反演結果。其中，溶解氧的反演效果如圖5所示。

3.4 對比分析

無人機高光譜技術的實測應用反演結果，與同步取樣的水質分析的對比，具體結果如表3 所示。

以溶解氧為例，反演數(shù)據相對于化驗數(shù)據有波動，但整體保持了相近的變化趨勢（圖6）。經計算，本次實測數(shù)據溶解氧反演準確率為80.7%。

3.5 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。高光譜反演進行疑似污染點的判讀與劃定，是根據采集水樣的監(jiān)測結果，將超標因子高錳酸鹽、氨氮、溶解氧及總磷作為本次反演結果中關注的污染物。

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/ 黃色突出位置標定為疑似污染點位，最終標定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 其中一處水質異常點如圖8 所示。

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，南面為住宅區(qū)，推測可能為雨水或者污水排放導致該處水質數(shù)值異常。疑似點位的高光譜反演結果如表4 與圖8。結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致水質異常的主要原因。

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

4 結論

本文通過基于高光譜技術，采用無人機載的方式，應用于城市河道水質監(jiān)測，得出了如下基本結論：

（1）無人機載高光譜技術對河道水質監(jiān)測具有可行性。

（2）通過與同步采集水樣化驗數(shù)據對比，該技術有效，且具有一定的可靠性。

（3）該技術對污染異常點的發(fā)現(xiàn)，具有優(yōu)勢。

（4）重復掃描可提高反演精度，再次采樣分析也有助于數(shù)據判讀的可靠性。