1．什么是高光譜

成像光譜技術(shù)由分光計(jì)發(fā)展而來(lái)，它是一項(xiàng)新技術(shù)，又名高光譜成像技術(shù)，傳統(tǒng)的光譜分析技術(shù)只能做局部平均光譜分析，而高光譜能夠做到整幅圖的各個(gè)點(diǎn)光譜分析。成像光譜有凝視成像型、推帚型、擺掃型。它能夠在生成一副圖像的同時(shí)獲取這副圖像每個(gè)像素點(diǎn)的光譜信息，實(shí)現(xiàn)“圖譜合一”。高光譜獲取的光譜信息能夠包括圖像中任何一個(gè)像素點(diǎn)的光譜，而普通的地物光譜儀只能獲取測(cè)試地物的平均光譜，所以高光譜獲取的數(shù)據(jù)能夠跟準(zhǔn)確、精細(xì)地去分析被測(cè)地物。它的出現(xiàn)標(biāo)志著光學(xué)遙感進(jìn)入了高光譜遙感階段，利用從高光譜數(shù)據(jù)反演的地物反射光譜特征，能研究地球表面物體的分類(lèi)、物質(zhì)的成分、含量、存在狀態(tài)、空間分布及動(dòng)態(tài)變化。

1.1遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)水質(zhì)的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的河流、湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要是采用實(shí)地采樣和實(shí)驗(yàn)室分析等方法，這種監(jiān)測(cè)方法需要在河流、湖泊內(nèi)定點(diǎn)、定剖面進(jìn)行，通過(guò)常年累月的監(jiān)測(cè)、記錄和實(shí)驗(yàn)室分析，雖然能夠達(dá)到一定的數(shù)據(jù)精度，但是不能反映河流、湖泊水質(zhì)的總體時(shí)空狀況，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力、監(jiān)測(cè)區(qū)域有限，只具有局部和典型的代表意義，不能滿足實(shí)時(shí)、快速、大尺度的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)要求。

遙感技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步為河流、湖泊水體的監(jiān)測(cè)和研究開(kāi)辟了新的途徑。遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有高動(dòng)態(tài)、低成本和宏觀性等顯著特點(diǎn)，在河流、湖泊水質(zhì)污染研究方面有著常規(guī)檢測(cè)不可替代的優(yōu)點(diǎn)。它既可以滿足大范圍水質(zhì)監(jiān)測(cè)的需要，也可以反映水質(zhì)在空間和時(shí)間上的分布和變化情況，彌補(bǔ)了單一采用水面采樣的不足，同時(shí)還能發(fā)現(xiàn)一些常規(guī)方法難以揭示的污染源的分布以及污染物的遷移特征和影響范圍，為科學(xué)布設(shè)水面采樣點(diǎn)提供依據(jù)。高光譜遙感由于其高精度、多波段、信息量大等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)，大大提高了水質(zhì)參數(shù)的估測(cè)精度。

1.2水體遙感的原理

水體的光學(xué)特征集中表現(xiàn)在可見(jiàn)光在水體中的輻射傳輸過(guò)程，包括水面的入射輻射、水的光學(xué)性質(zhì)、表面粗糙度、日照角度與觀測(cè)角度、氣–水界面的相對(duì)折射率以及在某些情況下還涉及水底反射光等。對(duì)于清水，在藍(lán)—綠光波段反射率為4%~5%。0.5um以下的紅光部分反射率降到2%~3%，在近紅外、短波紅外部分幾乎吸收全部的入射能量。因此水體在這兩個(gè)波段的反射能量很小。這一特征與植物形成十分明顯的差異，水在紅外波段(NIR,SWIR)的強(qiáng)吸收，而植被在這一波段有一個(gè)反射峰，因而在紅外波段識(shí)別水體是較容易的。

1.3水體遙感的測(cè)試流程

無(wú)人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)水質(zhì)定性定量從宏觀空間和時(shí)間上污染分布變化，不簡(jiǎn)單是高光譜數(shù)據(jù)采集，要實(shí)現(xiàn)空間分布及定量測(cè)量，還需同時(shí)用地物光譜儀去進(jìn)行水面采樣，將采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)化學(xué)參數(shù)分析后，再與高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)、匹配，完成模型。圖1-1為無(wú)人機(jī)高光譜水質(zhì)檢測(cè)流程圖；圖1-2為萊森光學(xué)地物光譜儀。

圖1-1無(wú)人機(jī)高光譜水質(zhì)檢測(cè)流程圖

圖1-2萊森便攜式地物光譜儀iSpecField-HH

2.水體光譜特性

水體的光譜特性不僅是通過(guò)表面特征確定的，它包含了一定深度水體的信息，且這個(gè)深度及反映的光譜特性是隨時(shí)空而變化的。水色(即水體的光譜特性)主要決定于水體中浮游生物含量(葉綠素濃度)、懸浮固體含量(混濁度大小)、營(yíng)養(yǎng)鹽含量、有機(jī)物質(zhì)、鹽度指標(biāo)以及其他污染物、底部形態(tài)(水下地形)、水深等因素。因此，通過(guò)遙感系統(tǒng)測(cè)量并分析水體吸收和散射太陽(yáng)輻射而形成的光譜特征，是水質(zhì)遙感定量監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。

圖2-1不同渾度的水體光譜反射率

2.1水體測(cè)量指標(biāo)

高光譜測(cè)量得出的水體光譜反射率演算出COD濃度、Chl-a濃度、NH₃N濃度、TN濃度、DO濃度在河中不同區(qū)域的濃度大小。

表2-1常用水體測(cè)量指標(biāo)

3.水體光譜數(shù)據(jù)獲取

3.1野外光譜數(shù)據(jù)采集

環(huán)境因素、儀器參數(shù)靈敏度、采集的方法、水體本身特性等各種因素都會(huì)影響我們野外水體光譜測(cè)量的結(jié)果，所以我們?cè)跍y(cè)量前需要根據(jù)被測(cè)的水體和人物指定相應(yīng)的測(cè)試方案，盡可能規(guī)避所有對(duì)所測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響的各種干擾因素，盡可能保證所得的光譜數(shù)據(jù)能夠真實(shí)體現(xiàn)出水體本身的光譜特性，并且記錄當(dāng)時(shí)使用的儀器參數(shù)，測(cè)量條件以及被測(cè)水體的信息。這樣測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)才具有可靠性、準(zhǔn)確性。

3.2水樣采集流程（本次未進(jìn)行）

在研究區(qū)內(nèi)選取20個(gè)采樣點(diǎn)，使用標(biāo)準(zhǔn)采樣器對(duì)水面至水下50cm的水柱進(jìn)行取樣，并測(cè)定水質(zhì)參數(shù)。懸浮物濃度(mg/L)、濁度(度)分別按照GB11901—89(1990年)、GB 13200—91(1990年)進(jìn)行測(cè)定，同步開(kāi)展水面高光譜數(shù)據(jù)測(cè)量。

圖3-1水面采樣圖

使用iSpecFile-HH地物光譜儀（圖1-2）在350-1000 nm波譜段內(nèi)按照1 nm間隔采樣，水面光譜采用傾斜法進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)定前需對(duì)輻射儀進(jìn)行校正，單個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)采集5次，以均值為光譜反射值。圖3-1為水面采樣圖。

3.2無(wú)人機(jī)高光譜采集流程及注意事項(xiàng)

3.2.1注意事項(xiàng)

①天氣選擇：晴朗無(wú)風(fēng)

?高光譜數(shù)據(jù)采集禁止在雨天、冰雹、大風(fēng)天及其他極端天氣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

?溫度過(guò)高（南方夏天零上35℃以上）或者過(guò)低（北方冬天零下10℃以下）需考慮無(wú)人機(jī)電池電量問(wèn)題；

?多云、強(qiáng)風(fēng)的天氣采集數(shù)據(jù)會(huì)極大的影響的數(shù)據(jù)質(zhì)量；建議 3-4 風(fēng)力等級(jí)以下；

?6 旋翼（例如 M600）無(wú)人機(jī)的抗風(fēng)等級(jí)相對(duì)較高；

?4 旋翼（例如 M300）無(wú)人機(jī)的抗風(fēng)等級(jí)相對(duì)較低；

②采集時(shí)間選擇：10：00-14：00（北京時(shí)間）

?高光譜的數(shù)據(jù)采集盡量選擇在陽(yáng)光正射被測(cè)物的時(shí)間，可根據(jù)自己的地理（經(jīng)緯度）位置選擇數(shù)據(jù)采集時(shí)間段；

③飛行場(chǎng)地選擇：地勢(shì)平坦且無(wú)障礙物

?山地飛行建議通過(guò)衛(wèi)星圖或者實(shí)際測(cè)高圖觀測(cè)附近山體高度后再規(guī)劃無(wú)人機(jī)航帶；

?城市飛行需考慮城市建筑物高度，需在空曠的場(chǎng)地起飛。（保證無(wú)人機(jī)不會(huì)在電磁復(fù)雜環(huán)境或者遮擋視線的建筑物附近起飛）；

?水面飛行需考慮水面上面的風(fēng)力等級(jí)以及數(shù)據(jù)拼接時(shí)有無(wú)靶標(biāo)物識(shí)別等；

3.2.1數(shù)據(jù)采集流程

①環(huán)境考察：數(shù)據(jù)采集前要了解數(shù)據(jù)采集場(chǎng)地的周邊環(huán)境以及準(zhǔn)備采集時(shí)間的天氣狀況，必要時(shí)需要提前到現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)；

②出行清單確認(rèn)；

③儀器電量確認(rèn)；

④采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝：無(wú)人機(jī)-遙控器連接；無(wú)人機(jī)-地面工作站-地面控制終端連接；數(shù)據(jù)采集軟件起飛前調(diào)試；

⑤無(wú)人機(jī)系統(tǒng)起飛調(diào)試：參數(shù)設(shè)置；航帶規(guī)劃；

⑥數(shù)據(jù)導(dǎo)出；

4.數(shù)據(jù)獲取及處理

4.1數(shù)據(jù)獲取

①實(shí)驗(yàn)儀器：本次測(cè)試使用iSpecHyper-VM100無(wú)人機(jī)高光譜（圖4-1），其光譜范圍400-1000nm，光譜通道數(shù)260，空間通道數(shù)348（4像元合并），探測(cè)器為高靈敏度CCD，成像鏡頭35mm，視場(chǎng)角為14.4°@f=35mm以及10%標(biāo)準(zhǔn)反射率板。（本次未使用地物光譜儀iSpecField-HH，其光譜范圍300-1100，波長(zhǎng)精度±1nm，分辨率≤3nm，光譜通道數(shù)1600，探測(cè)器2048像素）

②實(shí)驗(yàn)時(shí)間地點(diǎn)人物天氣：2022年12月23日，深圳市大鵬區(qū)王母河，王海東，陳培杰，天氣晴朗。圖4-2為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖。

圖4-1iSpecHyper-VM100無(wú)人機(jī)高光譜

4.2數(shù)據(jù)處理及結(jié)論

高光譜數(shù)據(jù)測(cè)量自帶幾何校正及拼接，只需將所測(cè)光譜原始數(shù)據(jù)根據(jù)所放置的標(biāo)準(zhǔn)反射率板轉(zhuǎn)換為反射率，再用各波段反射率大小反演出NH₄、TP、TSS、TN濃度。

圖4-2可見(jiàn)光、反射率、高光譜反演圖

通過(guò)數(shù)據(jù)反演圖與可見(jiàn)光圖片比對(duì)，可看出在河道的排污口處的NH₄、TP、TSS、TN指標(biāo)都較高，也可以通過(guò)反演圖看出河道區(qū)域水質(zhì)的變化，若用地物光譜儀（圖1-2）進(jìn)行水面采樣光譜數(shù)據(jù)及送第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)后，與高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對(duì)比，獲得更加精確、完善的反演圖。用無(wú)人機(jī)高光譜測(cè)量可實(shí)現(xiàn)大范圍檢測(cè)，可以更加高效地研究地球表面物體的分類(lèi)、物質(zhì)的成分、含量、存在狀態(tài)、空間分布及動(dòng)態(tài)變化。