基于無人機遙感技術(shù)的漁業(yè)養(yǎng)殖池塘水質(zhì)監(jiān)測方法

一、引言

近年來我國注重發(fā)展養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，尤其是漁業(yè)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，其不僅是我國國民經(jīng)濟重要的組成部分，也為民眾提供品類豐富的魚類、蝦類、蟹類等，其與人民生活息息相關(guān)。我國幅員遼闊，淡水資源豐富，為漁業(yè)養(yǎng)殖帶來了得天獨厚的條件。伴隨著相關(guān)部門政策支持，漁業(yè)養(yǎng)殖業(yè)極為發(fā)達。但在漁業(yè)養(yǎng)殖過程中，對池塘水質(zhì)要求極高。漁業(yè)養(yǎng)殖池塘均為“活水”，極易受到上游河水污染，同時當水質(zhì)內(nèi)某種微生物或物質(zhì)超標后，影響水產(chǎn)養(yǎng)殖動物正常生長，嚴重可造成水產(chǎn)養(yǎng)殖動物大量死亡，因此對漁業(yè)養(yǎng)殖池塘水質(zhì)進行監(jiān)測非常有必要。近年來，有不少專家學(xué)者研究漁業(yè)養(yǎng)殖池塘水質(zhì)監(jiān)測方法。

無人機遙感技術(shù)是通過無人機搭載遙感影像采集設(shè)備，執(zhí)行遙感影像拍攝后，通過遙感影像獲取目標相關(guān)信息的技術(shù)。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用指揮救援、地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。本文在此將無人機遙感技術(shù)應(yīng)用到池塘水質(zhì)監(jiān)測過程中，提出基于無人機遙感技術(shù)的漁業(yè)養(yǎng)殖池塘水質(zhì)監(jiān)測方法，以提升漁業(yè)養(yǎng)殖池塘水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)水平。

無人機遙感技不是通過無人機搭載遙感影像采集設(shè)備，執(zhí),行遙感影像拍攝 后，通過遙感影像獲取目標相關(guān)信息的技術(shù)。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用指揮救援、地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。本文在此將無人機遙感技術(shù)應(yīng)用到池塘水質(zhì)監(jiān)測過程中，提出基于無人機謠感技術(shù)的漁業(yè)養(yǎng)殖池塘水質(zhì)監(jiān)測方法，以提升漁業(yè)養(yǎng)殖池塘水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)水平。

二、研究區(qū)概況

以某水產(chǎn)養(yǎng)殖公司的半循環(huán)養(yǎng)殖池塘作為實驗對象，該半循環(huán)養(yǎng)殖池塘占地面積約為200X104m²，其中蟹塘為53X104m²左右，淡水魚塘為140X104m²左右，凈化區(qū)面積為7X104m²左右。該半循環(huán)養(yǎng)殖池塘存在多條交匯河流，且河流上游存在工業(yè)區(qū)和生活區(qū)，會存在生活廢水排放問題和工業(yè)污染殘留。該半循環(huán)養(yǎng)殖池塘水質(zhì)監(jiān)測點位置如圖1所示，

圖1 研究區(qū)水質(zhì)監(jiān)測點位置示意圖

在圖1內(nèi)10個水質(zhì)監(jiān)測點位置，采集表層0.3m處水樣，容量為800mL，分別使用堿性過硫酸鉀分光光度法、鉗酸分光光度法、納氏試劑法、高錳酸鹽指數(shù)法和重量法測試池塘水樣內(nèi)的總氮(TN)、總磷(TP)、銨態(tài)氮(NH₄⁺-N)高酸鹽指數(shù)(COD_Mn)和總懸浮物(TSS)。

三、漁業(yè)養(yǎng)殖池塘水質(zhì)監(jiān)測方法

3.1基于無人機的池塘水質(zhì)監(jiān)測圖像采集

使用無人機搭載高光譜成像儀和地物高光譜儀方式采集研究區(qū)內(nèi)池塘遙感圖像。利用無人機搭載高光譜成像儀和地物光譜儀拍攝到研究區(qū)池塘遙感圖像后，將其回傳到地面計算機內(nèi)備用。

3.2池塘遙感圖像輻射校正

在計算機內(nèi)，將采集到的池塘遙感圖像按照該圖像的量級對其進行量化處理，得到物理意義上的量輻射率，其詳細過程如下:

令DN表示池塘遙感圖像的像元亮度值，高光譜輻射率由L表示二者之間存在較強的線性關(guān)系。則第i個輻射波段池塘遙感圖像的輻射率表達公式如下:

式中:Qi表示第i個輻射波段池塘遙感圖像的輻射率;Zi，Bi分別表示第個輻射波段的增益數(shù)值和偏置系數(shù).

由于無人機拍攝池塘遙感圖像時，受太陽位置、拍攝角度以及大氣透明度影響，導(dǎo)致池塘遙感圖像存在失真情況。利用公式(1)得到所有池塘高光譜圖像輻射率后，依據(jù)該輻射率計算無人機拍攝池塘遙感圖像時接收到的輻射值，該輻射值由Qsat。表示則地表反射率和無人機拍攝遙感圖像時接收的輻射之間關(guān)系表達公式如下:

式中:p表示池塘表面反射率;Q_sat表示地物高光譜儀的輻射值;Q_path表示輻射路徑;T表示池塘和無人機之間的大氣透射率;E分別表示太陽輻射照度和太陽天頂角:T_z表示太陽照射方向的大氣透射率;E_down表示地表下行散射照度。

表1太陽輻射照度取值

其中太陽輻射照度取值如表1所示，在表1內(nèi)，由于6波段為熱反射波段，本文不考慮池塘區(qū)域熱反射情況，因此無6波段。

在忽略大氣透射損失和地表下行散射情況下，則公式(2)可改寫為:

當池塘遙感圖像內(nèi)黑目標的實際反射數(shù)值為0時，則無人機拍攝池塘遙感圖像時，接收到的輻射值計算公式如下:

式中:Z表示總偏置數(shù)值;B表示遙感圖像總偏置系數(shù);D_Nmin表示池塘遙感圖像的像元亮度最小值;Q_min表示輻射率最小值。

四、實驗分析

使用本文方法采集研究區(qū)遙感圖像，并采集水樣并檢測后，使用基于水質(zhì)反演模型實現(xiàn)池塘水質(zhì)監(jiān)測。

在該過程中，檢測的池塘內(nèi)總磷、總氮、按態(tài)氮、高錳酸鹽指數(shù)和懸浮物水質(zhì)參數(shù)，如表2所示。

表2池塘10個監(jiān)測點水質(zhì)參數(shù)

池塘內(nèi)總磷數(shù)值作為實驗對象，利用其驗證本文方法構(gòu)建的水質(zhì)反演模型輸出監(jiān)測結(jié)果的精度，結(jié)果如圖2所示。

圖2水質(zhì)反演模型檢驗結(jié)果

分析圖3可知，利用本文方法輸出的池塘內(nèi)總磷監(jiān)測結(jié)果的監(jiān)測值與實際值擬合曲線較為接近說明其可較好地反演池塘內(nèi)總磷實際分布狀況。

以編碼為1~5的監(jiān)測點為實驗對象，使用本文方法采集該池塘遙感圖像后，計算該5個監(jiān)測點遙感光譜反射率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 5個監(jiān)測點遙感光譜反射率曲線

分析圖3可知，該池塘5個監(jiān)測點遙感光譜反射率隨著波長的增加呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。該池塘5個監(jiān)測點的光譜反射率在500~600nm呈現(xiàn)一個反射高峰，其原因在于池塘水質(zhì)內(nèi)存在大量的葉綠素和胡蘿卜素，其吸收500~600mm波段的光譜較少，且水質(zhì)內(nèi)存在的懸浮物會將一部分光譜反射，因此在該波段內(nèi)，池塘監(jiān)測點的光譜反射率呈現(xiàn)峰狀分布，隨著波長持續(xù)增加，在波長為600~850mm左右時，池塘監(jiān)測點光譜反射率呈現(xiàn)稍大幅度下降趨勢。出現(xiàn)該現(xiàn)象原因為池塘水質(zhì)內(nèi)葉綠素和胡蘿卜素可吸收該波段光譜。因此在600~850mm波段內(nèi)，光譜反射率數(shù)值呈現(xiàn)降低趨勢在波段為850~1000mm時該池塘光譜反射率數(shù)值又呈現(xiàn)上升趨勢，其原因也是因為水質(zhì)內(nèi)葉綠素和胡蘿卜素不吸收該波段光譜所致，綜上所述，在該池塘內(nèi)。5個監(jiān)測點的光譜反射率曲線變化趨勢相同，但受監(jiān)測位置不同，在相同波長時，其光譜反射率數(shù)值存在一定差異，但相差數(shù)值不大，

使用本文方法監(jiān)測該池塘10個監(jiān)測點的總氮、總磷、懸浮物、高酸鹽指數(shù)和態(tài)氮分布情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 池塘水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

分析圖4可知，該池塘內(nèi)總氮主要分布在池塘的內(nèi)部區(qū)域，越靠近岸邊，總氮含量越低，且10個監(jiān)測點水質(zhì)內(nèi)總氮數(shù)值相差不大。該池塘內(nèi)，總磷主要分布在2，3，4，5，監(jiān)測點附近，其他監(jiān)測點區(qū)域總磷含量較少態(tài)氮主要分布在第5~8監(jiān)測點區(qū)域，其他區(qū)域態(tài)氮數(shù)值不高。該池塘的懸浮物數(shù)值略高，且其分布較為均勻，10個監(jiān)測點位置處的懸浮物數(shù)值均相差不大。該池塘懸浮物較高的原因在于水質(zhì)內(nèi)含有水生動物所吃的食物。該池塘內(nèi)高錳酸鹽指數(shù)較低，高數(shù)值僅分布在第6和第7監(jiān)測點區(qū)域綜上結(jié)果:本文方法可有效依據(jù)池塘水質(zhì)檢測結(jié)果，反演其內(nèi)部總磷、總氮等物質(zhì)分布情況，具備較強的應(yīng)用效果。

表3 12個月內(nèi)池塘銨態(tài)氮和 高錳酸鹽指數(shù)變化

進一步驗證本文方法實際應(yīng)用效果，以12個月為期，監(jiān)測點1為實驗對象，以鍍態(tài)氮和高錳酸鹽指數(shù)為指標，測試在12個月內(nèi)，本文方法監(jiān)測該池塘鍍態(tài)氮和高錳酸鹽指數(shù)變化情況，結(jié)果如表4所示，分析表3可知，在12個月內(nèi)該池塘態(tài)氮和高酸鹽指數(shù)在8月份之前時，二者數(shù)值呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài);但當時間在8月和9月時，該池塘水質(zhì)內(nèi)錢態(tài)氮和高錳酸鹽指數(shù)迅速上升。隨著時間持續(xù)延長，該池塘水質(zhì)內(nèi)態(tài)氮和高錳酸鹽指數(shù)又恢復(fù)到略平穩(wěn)狀態(tài)。出現(xiàn)該情況原因在于在8~9月份時，晝夜溫差較大，使池塘內(nèi)藻類浮游生物大量死亡，池塘內(nèi)的懸浮物增加，有機質(zhì)含量也上升，同時該季節(jié)是魚類、蝦類、蟹類豐收時間，池塘內(nèi)生物被打撈后，池塘水質(zhì)內(nèi)存在飼料殘留，因此造成按態(tài)氮和高錳酸鹽指數(shù)上升。

五、結(jié)論

本文提出基于無人機遙感技術(shù)的漁業(yè)養(yǎng)殖池塘水質(zhì)監(jiān)測方法，豐富了水質(zhì)監(jiān)測手段，為漁業(yè)養(yǎng)殖池塘水環(huán)境保護提供了新思路。通過對本文方法進行多角度驗證，本方法具備較強的實用性。從驗證結(jié)果來看，本文方法在監(jiān)測池塘水質(zhì)方面取得一定成果，但其依然存在很大進步空間，未來可從采集遙感圖像方面和水質(zhì)反演模型適用性方面進行改進。在方法中增加遙感圖像預(yù)處理方法，去除遙感圖像內(nèi)的噪聲，充分考慮水質(zhì)反演模型參數(shù)選擇問題，使其水質(zhì)反演結(jié)果更加精準。

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