1．什么是高光譜

成像光譜技術(shù)由分光計發(fā)展而來，它是一項新技術(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點光譜分析。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獲取這副圖像每個像素點的光譜信息，實現(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像素點的光譜，而普通的地物光譜儀只能獲取測試地物的平均光譜，所以高光譜獲取的數(shù)據(jù)能夠跟準確、精細地去分析被測地物。它的出現(xiàn)標志著光學遙感進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、物質(zhì)的成分、含量、存在狀態(tài)、空間分布及動態(tài)變化。

1.1遙感技術(shù)監(jiān)測水質(zhì)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的河流、湖泊水質(zhì)監(jiān)測主要是采用實地采樣和實驗室分析等方法，這種監(jiān)測方法需要在河流、湖泊內(nèi)定點、定剖面進行，通過常年累月的監(jiān)測、記錄和實驗室分析，雖然能夠達到一定的數(shù)據(jù)精度，但是不能反映河流、湖泊水質(zhì)的總體時空狀況，且費時費力、監(jiān)測區(qū)域有限，只具有局部和典型的代表意義，不能滿足實時、快速、大尺度的監(jiān)測和評價要求。

遙感技術(shù)的發(fā)展與進步為河流、湖泊水體的監(jiān)測和研究開辟了新的途徑。遙感水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)具有高動態(tài)、低成本和宏觀性等顯著特點，在河流、湖泊水質(zhì)污染研究方面有著常規(guī)檢測不可替代的優(yōu)點。它既可以滿足大范圍水質(zhì)監(jiān)測的需要，也可以反映水質(zhì)在空間和時間上的分布和變化情況，彌補了單一采用水面采樣的不足，同時還能發(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，為科學布設水面采樣點提供依據(jù)。高光譜遙感由于其高精度、多波段、信息量大等特點被廣泛應用于遙感水質(zhì)監(jiān)測，大大提高了水質(zhì)參數(shù)的估測精度。

1.2水體遙感的原理

水體的光學特征集中表現(xiàn)在可見光在水體中的輻射傳輸過程，包括水面的入射輻射、水的光學性質(zhì)、表面粗糙度、日照角度與觀測角度、氣–水界面的相對折射率以及在某些情況下還涉及水底反射光等。對于清水，在藍—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)的強吸收，而植被在這一波段有一個反射峰，因而在紅外波段識別水體是較容易的。

1.3水體遙感的測試流程

無人機高光譜成像系統(tǒng)要實現(xiàn)水質(zhì)定性定量從宏觀空間和時間上污染分布變化，不簡單是高光譜數(shù)據(jù)采集，要實現(xiàn)空間分布及定量測量，還需同時用地物光譜儀去進行水面采樣，將采樣數(shù)據(jù)進行水質(zhì)化學參數(shù)分析后，再與高光譜數(shù)據(jù)進行比對、匹配，完成模型。圖1-1為無人機高光譜水質(zhì)檢測流程圖；圖1-2為萊森光學地物光譜儀。

圖1-1無人機高光譜水質(zhì)檢測流程圖

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表面特征確定的，它包含了一定深度水體的信息，且這個深度及反映的光譜特性是隨時空而變化的。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)、營養(yǎng)鹽含量、有機物質(zhì)、鹽度指標以及其他污染物、底部形態(tài)(水下地形)、水深等因素。因此，通過遙感系統(tǒng)測量并分析水體吸收和散射太陽輻射而形成的光譜特征，是水質(zhì)遙感定量監(jiān)測的基礎(chǔ)。

圖2-1不同渾度的水體光譜反射率

2.1水體測量指標

通過高光譜測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 常用水體測量指標

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影響我們野外水體光譜測量的結(jié)果，所以我們在測量前需要根據(jù)被測的水體和人物指定相應的測試方案，盡可能規(guī)避所有對所測結(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)能夠真實體現(xiàn)出水體本身的光譜特性，并且記錄當時使用的儀器參數(shù)，測量條件以及被測水體的信息。這樣測量出來的數(shù)據(jù)才具有可靠性、準確性。

3.2水樣采集流程（本次未進行）

在研究區(qū)內(nèi)選取20個采樣點，使用標準采樣器對水面至水下50cm的水柱進行取樣，并測定水質(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)進行測定，同步開展水面高光譜數(shù)據(jù)測量。

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行測量，每次測定前需對輻射儀進行校正，單個樣點重復采集5次，以均值為光譜反射值。圖3-1為水面采樣圖。

3.2無人機高光譜采集流程及注意事項

3.2.1注意事項

①天氣選擇：晴朗無風

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

? 溫度過高（南方夏天零上 35℃以上）或者過低（北方冬天零下 10℃以下）需考慮無人機電池電量問題；

? 多云、強風的天氣采集數(shù)據(jù)會極大的影響的數(shù)據(jù)質(zhì)量；建議 3-4 風力等級以下；

 ? 6 旋翼（例如 M600）無人機的抗風等級相對較高；

 ? 4 旋翼（例如 M300）無人機的抗風等級相對較低；

②采集時間選擇：10：00-14：00（北京時間）

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

③飛行場地選擇：地勢平坦且無障礙物

? 山地飛行建議通過衛(wèi)星圖或者實際測高圖觀測附近山體高度后再規(guī)劃無人機航帶；

? 城市飛行需考慮城市建筑物高度，需在空曠的場地起飛。（保證無人機不會在電磁復雜環(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力等級以及數(shù)據(jù)拼接時有無靶標物識別等；

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)采集場地的周邊環(huán)境以及準備采集時間的天氣狀況，必要時需要提前到現(xiàn)場觀測；

②出行清單確認；

③儀器電量確認；

④采集現(xiàn)場設備安裝：無人機-遙控器連接；無人機-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無人機系統(tǒng)起飛調(diào)試：參數(shù)設置；航帶規(guī)劃；

⑥數(shù)據(jù)導出；

4.數(shù)據(jù)獲取及處理

4.1數(shù)據(jù)獲取

①實驗儀器：本次測試使用iSpecHyper-VM100無人機高光譜（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），探測器為高靈敏度CCD，成像鏡頭35mm，視場角為14.4°@f=35mm以及10%標準反射率板。（本次未使用地物光譜儀iSpecField-HH，其光譜范圍300-1100，波長精度±1nm，分辨率≤3nm，光譜通道數(shù)1600，探測器2048像素）

②實驗時間地點人物天氣：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)場測試圖。

圖4-1 iSpecHyper-VM100無人機高光譜

圖4-2 現(xiàn)場測試圖

4.2數(shù)據(jù)處理

高光譜數(shù)據(jù)測量自帶幾何校正及拼接，只需將所測光譜原始數(shù)據(jù)根據(jù)所放置的標準反射率板轉(zhuǎn)換為反射率，再用各波段反射率大小反演出COD、Chl-a、DO、NH₃N、TN濃度。

圖4-3無人機航拍圖

圖4-4 高光譜掃描圖及反射率譜線圖

  通過反射率反演出以下五組圖。

COD濃度反演圖 （mg/L）                       Chl-a濃度反演圖（mg/L）

DO濃度反演圖（mg/L）                         NH₃N濃度反演圖（mg/L）

TN濃度反演圖（mg/L）

本次測試能直觀體現(xiàn)王母河不同水域的COD、Chl-a、DO、NH₃N、TN濃度變化，但僅為高空遙感測試，還需用地物光譜儀同時進行水面采樣，將采樣數(shù)據(jù)進行模型選擇、模型構(gòu)建后，再與高光譜數(shù)據(jù)進行比對，以獲得更加完善、準確的反演圖。用無人機高光譜測量可實現(xiàn)大范圍水質(zhì)檢測，也可以反映水質(zhì)在空間、時間上的分布和變化情況以及預測未來水質(zhì)變化趨勢。