基于無人機(jī)高光譜遙感的城市水域水質(zhì)監(jiān)測與應(yīng)用

1. 引言

河湖水環(huán)境監(jiān)測是人類一直以來高度重視的問題。目前，傳統(tǒng)水體污染監(jiān)測仍是在“點(diǎn)”尺度上進(jìn)行的，這種方法難以在宏觀尺度上準(zhǔn)確獲取信息。相對于傳統(tǒng)監(jiān)測手段，衛(wèi)星遙感技術(shù)有宏觀、高效、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，對于獲取長期、大范圍河湖水環(huán)境的時(shí)空變化具有顯著優(yōu)勢，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者利用衛(wèi)星平臺，對監(jiān)測水域水質(zhì)研究也取得了一定的成果。但此技術(shù)多應(yīng)用于大面積水域的水質(zhì)監(jiān)測，且由于衛(wèi)星遙感影像周期長，易受大氣云層影響，對天氣環(huán)境要求較高，不能及時(shí)監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)濃度，了解水體污染情況。

與衛(wèi)星遙感相比，無人機(jī)遙感技術(shù)具有靈活性高、響應(yīng)迅速、可連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測、時(shí)空分辨率高和空間變化特征明顯等特點(diǎn)，在災(zāi)害救援、流域污染演變、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等方面已有較多應(yīng)用。

我國南方城市水域眾多，經(jīng)常出現(xiàn)因工地、工業(yè)園違規(guī)排水，汛期水土流失，管網(wǎng)錯(cuò)接、滲漏等原因造成的突發(fā)性水體污染。因此如何快速發(fā)現(xiàn)水體出現(xiàn)污染，精確定位污染源，對后續(xù)采取有效措施消除水體污染具有現(xiàn)實(shí)意義。本文利用無人機(jī)及定點(diǎn)架設(shè)設(shè)備搭載高光譜成像儀完成不同天氣下實(shí)驗(yàn)水體光譜數(shù)據(jù)的采集，研究其濃度空間分布，對比光譜反演數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室化學(xué)檢測數(shù)據(jù)，分析天氣對光譜反演數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的影響，為后續(xù)該技術(shù)在水域的污染溯源，水環(huán)境保護(hù)及治理提供依據(jù)。

1. 材料與方法

2.1 研究區(qū)與概況

茅洲河是深圳市第一大河，發(fā)源于深圳市石巖水庫上游的羊臺山，流經(jīng)石巖、光明、公明、長安（屬東莞市）、沙井等街道轄區(qū)，屬于珠江水系；干流經(jīng)深圳市與東莞市接壤，全長為41.61km，其中深圳境內(nèi)長為31.29km。茅洲河流域位于深圳市西北部，總面積為388.23km2（包括石巖水庫以上流域面積），其中深圳市境內(nèi)流域面積為310.85km2。流域水系發(fā)達(dá)，兩岸支流眾多，深圳一側(cè)共有支流60條，一級支流27條，其中光明區(qū)13條。

實(shí)驗(yàn)選取茅洲河（光明區(qū)段）一級支流玉田河、上下村排洪渠和新陂頭河作為觀測目標(biāo)，所有水域水質(zhì)均穩(wěn)定達(dá)到地表Ⅴ類及以上。

2.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

2021年進(jìn)行了2個(gè)階段的外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作（5月和11月），其中第1階段為無人機(jī)高光譜監(jiān)測，采樣地點(diǎn)為玉田河、上下村排洪渠部分水域，監(jiān)測時(shí)間1d，分析參數(shù)包括COD、TP、NH₃-N，每條河均設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，采集水樣數(shù)據(jù)共6個(gè)；第2階段為定點(diǎn)架設(shè)高光譜監(jiān)測，采樣地點(diǎn)為新陂頭河河口斷面，在不同天氣（多云、晴天、晴間多云、陰天、小雨）的情況下對同一點(diǎn)位連續(xù)監(jiān)測15d，分析參數(shù)包括DO、COD_Mn、TP、TN、NH₃-N，采集水樣數(shù)據(jù)共59個(gè)。在利用高光譜成像設(shè)備采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)同步取水樣送化驗(yàn)室檢測，最后對比兩者間的差異。第一階段旨在展示水域水質(zhì)變化趨勢，快速鎖定污染源，第二階段旨在對高光譜成像技術(shù)監(jiān)測水質(zhì)的可靠性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 水質(zhì)檢測

水體樣本采樣、保管和管理等相關(guān)流程參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》（HJ494—2009），每個(gè)采樣點(diǎn)取500mL表層0.2m左右處水樣，裝入樣品瓶中進(jìn)行密封，并放置于陰涼干燥處保存，水樣采集完成后立即送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)化驗(yàn)測量，水質(zhì)參數(shù)以及相應(yīng)的檢測方法見表1。

表1 水質(zhì)參數(shù)及檢測方法

2.4 數(shù)據(jù)獲取

無人機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)可采用大疆無人機(jī)M350RTK搭載由萊森光學(xué)自主研發(fā)的無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)iSpecHyper-VM100，獲取河道及水庫部分高光譜影像（如圖1a所示）。所選實(shí)驗(yàn)時(shí)間均晴朗微風(fēng)，無云層覆蓋。定點(diǎn)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)采用固定架設(shè)設(shè)備搭載可見/近紅外高光譜相機(jī)，水面上設(shè)漫反射率校準(zhǔn)板作為水質(zhì)監(jiān)測配套定標(biāo)板，獲取新陂頭河河口點(diǎn)位高光譜影像（如圖1b所示）。進(jìn)行連續(xù)15d以上的儀器可靠性試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備在多云、晴天、晴間多云、陰天、小雨等不同工況下的可靠性，對儀器在長期檢測上的穩(wěn)定性和適用性上進(jìn)行全面評估。

圖１ 無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)和定點(diǎn)式監(jiān)測系統(tǒng)示意

2.5 數(shù)據(jù)處理

高光譜數(shù)據(jù)處理軟件，可將所采集的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過光譜還原（導(dǎo)入光譜定標(biāo)參數(shù)、進(jìn)行輻射校正、圖幅裁切）、靶標(biāo)提取、幾何校正、反射率計(jì)算、航帶拼接（單架次）等一系列處理后，生成高光譜數(shù)據(jù)影像，并對架次間數(shù)據(jù)進(jìn)行勻色及拼接，用于后續(xù)數(shù)據(jù)應(yīng)用。高光譜水體多參數(shù)解析軟件，即高光譜檢測水質(zhì)，將儀器測量的高光譜數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，通過模型算法可以直接給出水質(zhì)檢測結(jié)果。該軟件可實(shí)現(xiàn)影像查看、水體提取以及水質(zhì)參數(shù)反演、結(jié)果統(tǒng)計(jì)及水質(zhì)參數(shù)制圖等功能，具體流程如圖2所示。

圖２ 無人機(jī)高光譜多參數(shù)解析軟件流程示意

1. 結(jié)果與分析

3.1 無人機(jī)監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)圖像反演

采用無人機(jī)搭載水質(zhì)光譜儀現(xiàn)場飛行檢測玉田河和上下村排洪渠水質(zhì)，對模型進(jìn)一步校準(zhǔn)后，結(jié)合水質(zhì)參數(shù)模型進(jìn)行反演，計(jì)算高光譜圖像各像元對應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)，繪制COD、TP和NH₃-N濃度空間分布圖，河道水質(zhì)參數(shù)濃度分布如圖3和圖4所示，可以清晰看出研究區(qū)橫、縱向的水質(zhì)分布情況，相同趨勢關(guān)聯(lián)度強(qiáng)。玉田河和上下村排洪渠水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，同一參數(shù)值差別較小，僅河道邊緣、橋兩側(cè)及河內(nèi)植被附近存在污染物淤積或水生植被未及時(shí)撈出而死亡腐爛，釋放有機(jī)細(xì)微碎屑進(jìn)入水體，造成周邊水質(zhì)較差的情況，各水質(zhì)參數(shù)反演的總體趨勢符合實(shí)際情況。通過對比無人機(jī)采樣點(diǎn)反演值和實(shí)驗(yàn)室檢測化學(xué)值，對模型進(jìn)行評估。結(jié)果見表2、表3所示，兩條河道參數(shù)偏差度均在20%內(nèi)。

3.1.1玉田河數(shù)據(jù)分析

COD濃度分布范圍為3~19mg/L，基本在5~15mg/L區(qū)間；TP濃度分布范圍為0.13~0.27mg/L，基本在0.16~0.24mg/L區(qū)間；NH₃-N濃度分布范圍為0.086~0.16mg/L，基本在0.1~0.14mg/L區(qū)間；水質(zhì)地表Ⅳ類及以上。

圖３ 玉田河水質(zhì)參數(shù)濃度分布示意

圖４ 上下村排洪渠水質(zhì)參數(shù)濃度分布示意

3.1.2上下村排洪渠數(shù)據(jù)分析

COD濃度分布范圍為9~28mg/L，基本在15~20mg/L區(qū)間；TP濃度分布范圍為0.114~0.18mg/L，基本在0.13~0.16mg/L區(qū)間；NH₃-N濃度分布范圍為0.34~1.3mg/L，基本在0.46~0.76mg/L區(qū)間；水質(zhì)地表Ⅳ類及以上。

3.2 定點(diǎn)監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)驗(yàn)證

采用固定架設(shè)設(shè)備搭載高光譜成像儀定點(diǎn)監(jiān)測新陂頭河河口水質(zhì)，同時(shí)對同片水域進(jìn)行了水質(zhì)采樣檢測。通過修正后的水質(zhì)參數(shù)模型對監(jiān)測中獲取的高光譜圖像各像元進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)位點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，對相同位點(diǎn)的指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行提取，各水樣化學(xué)值和反演值的對比如圖5所示。從圖5中可看出，CODMN的兩組數(shù)據(jù)趨勢較為一致；DO和TN重合度較高；TP和NH3-N差異性最大，化學(xué)值普遍比反演值低。對反演的各水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Z檢驗(yàn)，假設(shè)測量值與化學(xué)值之間存在緊密的聯(lián)系。其中P（a）=0.091>0.05，假設(shè)顯著，可以用測量值反映真實(shí)值；P（b）=P（c）=P（d）=P（e）=0，假設(shè)不顯著，可能是樣本數(shù)量較少及考慮此實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性未剔除異常數(shù)據(jù)所導(dǎo)致。通過相對偏差度分析，COD_MN3-N，CODMN、DO和TN相對偏差均小于20%

表２玉田河采樣點(diǎn)水質(zhì)化學(xué)值與反演值誤差

3.3 多工況水質(zhì)參數(shù)驗(yàn)證

在多云、晴天、晴間多云、陰天、小雨等天氣工況下，對定點(diǎn)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)所采取水樣的化學(xué)值及反演值進(jìn)行誤差分析。結(jié)果表明，不同天氣各水樣的反演值平均偏差相差不大，除總磷和氨氮外基本都控制在20%以內(nèi)，屬于可控范圍。其中陰天和多云天氣時(shí)，各水質(zhì)指標(biāo)偏差度較小。使用多變異圖對不同工況參數(shù)是否影響測量系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析（見圖6），從圖6中可以看出，天氣對模型所反演出的化學(xué)指標(biāo)偏差呈現(xiàn)無規(guī)則性，初步判定，普通天氣對無人機(jī)高光譜儀監(jiān)測水質(zhì)無明顯影響。

圖５ 新陂頭河河口斷面實(shí)測值和反演值對比示意

圖６不同工況對河道水質(zhì)影響情況示意

4、結(jié)論與討論

1) 相較于傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測手段，本文研究的無人機(jī)搭載高光譜儀進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，可減少人工巡查及實(shí)驗(yàn)檢測過程，具有省時(shí)、省力、監(jiān)測范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，通過模型在短時(shí)間內(nèi)反演水質(zhì)濃度空間分布圖，更直觀的體現(xiàn)水域水質(zhì)狀況，實(shí)現(xiàn)快速溯源、精準(zhǔn)定位。2) 通過實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)及遙感反演數(shù)據(jù)對比，高光譜監(jiān)測CODMN、DO和TN與化學(xué)檢測法相比偏差度均在20%以內(nèi)，基本可以直接替代使用;TP和NH3-N偏差度較大。原因是原建模數(shù)據(jù)來自早期的上海市河道，TP和NH3-N濃度普遍比深圳市河道高，本次建模為上海+深圳的數(shù)據(jù)，深圳采集數(shù)據(jù)量較少，導(dǎo)致反演結(jié)果存在偏差，若后續(xù)繼續(xù)進(jìn)行長時(shí)段水域監(jiān)測，隨著本地?cái)?shù)據(jù)占比增大，模型精度會隨之提升。

3) 根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)初步判定，普通天氣對無人機(jī)高光譜法監(jiān)測水質(zhì)無明顯影響。由于本次實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，數(shù)據(jù)累積量小，各工況樣品數(shù)量分布不均，不同天氣對高光譜遙感設(shè)備的精度影響方面研究還需要進(jìn)一步深入探討

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