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”尺度上進行的，這種方法難以在宏觀尺度上準確獲取信息。相對于傳統(tǒng)監(jiān)測手段，衛(wèi)星遙感技術有宏觀、高效、經(jīng)濟等特點，對于獲取長期、大范圍河湖水環(huán)境的時空變化具有顯著優(yōu)勢，在許多領域得到了廣泛的應用。國內(nèi)外學者利用衛(wèi)星平臺，對監(jiān)測水域水質(zhì)研究也取得了一定的成果。但此技術多應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，無人機遙感技術具有靈活性高、響應迅速、可連續(xù)動態(tài)監(jiān)測、時空分辨率高和空間變化特征明顯等特點，在災害救援、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)實意義。本文利用無人機及定點架設設備搭載高光譜成像儀完成不同天氣下實驗水體光譜數(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)和實驗室化學檢測數(shù)據(jù)，分析天氣對光譜反演數(shù)據(jù)精準度的影響，為后續(xù)該技術在水域的污染溯源，水環(huán)境保護及治理提供依據(jù)。

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，兩岸支流眾多，深圳一側共有支流60條，一級支流27條，其中光明區(qū)13條。

實驗選取茅洲河（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，所有水域水質(zhì)均穩(wěn)定達到地表Ⅴ類及以上。

2.2 采樣點布設

2021年進行了2個階段的外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作（5月和11月），其中第1階段為無人機高光譜監(jiān)測，采樣地點為玉田河、上下村排洪渠部分水域，監(jiān)測時間1d，分析參數(shù)包括COD、TP、NH3-N，每條河均設3個采樣點，采集水樣數(shù)據(jù)共6個；第2階段為定點架設高光譜監(jiān)測，采樣地點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）的情況下對同一點位連續(xù)監(jiān)測15d，分析參數(shù)包括DO、CODMn、TP、TN、NH3-N，采集水樣數(shù)據(jù)共59個。在利用高光譜成像設備采集數(shù)據(jù)的同時，對應監(jiān)測點同步取水樣送化驗室檢測，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監(jiān)測水質(zhì)的可靠性和準確性進行驗證。

2.3 水質(zhì)檢測

水體樣本采樣、保管和管理等相關流程參考行業(yè)標準《水質(zhì)采樣技術指導》（HJ494—2009），每個采樣點取500mL表層0.2m左右處水樣，裝入樣品瓶中進行密封，并放置于陰涼干燥處保存，水樣采集完成后立即送至實驗室進行水質(zhì)參數(shù)化驗測量，水質(zhì)參數(shù)以及相應的檢測方法見表1。

表1 水質(zhì)參數(shù)及檢測方法

2.4 數(shù)據(jù)獲取

無人機飛行實驗可采用大疆無人機M350RTK搭載由萊森光學自主研發(fā)的無人機高光譜成像系統(tǒng)iSpecHyper-VM100，獲取河道及水庫部分高光譜影像（如圖1a所示）。所選實驗時間均晴朗微風，無云層覆蓋。定點監(jiān)測實驗采用固定架設設備搭載可見/近紅外高光譜相機，水面上設漫反射率校準板作為水質(zhì)監(jiān)測配套定標板，獲取新陂頭河河口點位高光譜影像（如圖1b所示）。進行連續(xù)15d以上的儀器可靠性試驗，驗證設備在多云、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)定性和適用性上進行全面評估。

圖１ 無人機高光譜成像系統(tǒng)和定點式監(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（導入光譜定標參數(shù)、進行輻射校正、圖幅裁切）、靶標提取、幾何校正、反射率計算、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)進行勻色及拼接，用于后續(xù)數(shù)據(jù)應用。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)接嬎銠C上，通過模型算法可以直接給出水質(zhì)檢測結果。該軟件可實現(xiàn)影像查看、水體提取以及水質(zhì)參數(shù)反演、結果統(tǒng)計及水質(zhì)參數(shù)制圖等功能，具體流程如圖2所示。

圖２ 無人機高光譜多參數(shù)解析軟件流程示意

結果與分析

3.1 無人機監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)圖像反演

采用無人機搭載水質(zhì)光譜儀現(xiàn)場飛行檢測玉田河和上下村排洪渠水質(zhì)，對模型進一步校準后，結合水質(zhì)參數(shù)模型進行反演，計算高光譜圖像各像元對應的水質(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，相同趨勢關聯(lián)度強。玉田河和上下村排洪渠水質(zhì)穩(wěn)定達標，同一參數(shù)值差別較小，僅河道邊緣、橋兩側及河內(nèi)植被附近存在污染物淤積或水生植被未及時撈出而死亡腐爛，釋放有機細微碎屑進入水體，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際情況。通過對比無人機采樣點反演值和實驗室檢測化學值，對模型進行評估。結果見表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 定點監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)驗證

采用固定架設設備搭載高光譜成像儀定點監(jiān)測新陂頭河河口水質(zhì)，同時對同片水域進行了水質(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行計算，依據(jù)位點的經(jīng)緯度坐標，對相同位點的指標數(shù)值進行提取，各水樣化學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，化學值普遍比反演值低。對反演的各水質(zhì)數(shù)據(jù)進行Z檢驗，假設測量值與化學值之間存在緊密的聯(lián)系。其中P（a）=0.091>0.05，假設顯著，可以用測量值反映真實值；P（b）=P（c）=P（d）=P（e）=0，假設不顯著，可能是樣本數(shù)量較少及考慮此實驗的真實性未剔除異常數(shù)據(jù)所導致。通過相對偏差度分析，CODMN

表２玉田河采樣點水質(zhì)化學值與反演值誤差

3.3 多工況水質(zhì)參數(shù)驗證

在多云、晴天、晴間多云、陰天、小雨等天氣工況下，對定點監(jiān)測實驗所采取水樣的化學值及反演值進行誤差分析。結果表明，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，各水質(zhì)指標偏差度較小。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指標偏差呈現(xiàn)無規(guī)則性，初步判定，普通天氣對無人機高光譜儀監(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，本文研究的無人機搭載高光譜儀進行水質(zhì)監(jiān)測，可減少人工巡查及實驗檢測過程，具有省時、省力、監(jiān)測范圍廣等優(yōu)點，通過模型在短時間內(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，實現(xiàn)快速溯源、精準定位。2) 通過實驗室檢測數(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，導致反演結果存在偏差，若后續(xù)繼續(xù)進行長時段水域監(jiān)測，隨著本地數(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，普通天氣對無人機高光譜法監(jiān)測水質(zhì)無明顯影響。由于本次實驗時間較短，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備的精度影響方面研究還需要進一步深入探討

推薦：

無人機高光譜成像系統(tǒng)iSpecHyper-VM100

一款基于小型多旋翼無人機高光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高光譜成像相機、穩(wěn)定云臺、機載控制與數(shù)據(jù)采集模塊、機載供電模塊等部分組成。無人機機載高光譜成像系統(tǒng)通過獨特的內(nèi)置式或外部掃描和穩(wěn)定控制，有效地解決了在微型無人機搭載推掃式高光譜照相機時，由于振動引起的圖像質(zhì)量較差的問題，并具備較高的光譜分辨率和良好的成像性能。

審核編輯 黃宇