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低空多光譜遙感的城市水質監測方法研究

       城市水環境反映了城市的宜居指數，決定著城市的生態水平。城市水體水質動態監測能及時反映城市水環境污染狀況，有利于制定精細的城市水體治理管理方案，改善和提高環境質量。傳統的水環境監測方法包括人工移動監測和測站監測，但這種點狀分布的監測數據不能反映水域面狀的連續特點，且人工獲取數據成本較高，處理效率較低。隨著空間技術的發展， 衛星遙感監測技術具有覆蓋面廣、空間性強等特點， 因此越來越多的學者將衛星遙感技術應用于城市水體質量監測中，并與傳統方法相結合提供了更多的分析手段。 

       現有的水質遙感監測手段主要包括衛星遙感監測、 航空遙感監測和無人機低空遙感監測。Shareef MA[1]  等提出了一種整合Ladsat8 OLI熱紅外影像和TerraSAR-X雷達影像數據來評估水體電導率、鹽度和溫度等參數的方法，并成功應用于巴格達市（伊拉克首都）的蒂格里斯河；Rostom NG [2] 等在 2014年利用高光譜遙感數據和實驗室數據，對Mariut湖的溫度、pH值、濁度、溶解氧、葉綠素濃度和原油污染等水質參數進行了快速評估和預測模型分析； Keith D J[3] 等校正了大氣影響的HICO高光譜影像，并反演得到佛羅里達州西北海岸 4 個河口的葉綠素濃度、有色溶解有機物質和濁度，從而對河口海岸的生態環境進行評估；CHEGN P [4] 等在研究陜西渭河的基礎上，基于遙感影像設計并實現了一個遙感水質監測系統，并對其系統結構和關鍵技術進行了描述，準確高效地了解了水質信息， 提高了水質監測的有效性；GONG CL [5] 等利用地物光譜測量技術以及同步配套的常規水質采樣分析實驗， 選取上海市黃浦江全河段水體31個典型站位進行調查研究，分析了 TP、TN、BOD5、DO、懸浮物濃度、濁度等 9 個水質指標，并指出了水質參數之間存在的較大相關性，建立了常規水質參數與水體光譜反射率之間的關系模型，為利用遙感技術監測水環境提供了基礎；ZANGW Q [6] 等則利用固定翼無人機對云南省大理市、重慶云陽縣等我國西南地區水體污染狀況進行了調研，并提供了很多有價值的實驗經驗。

       然而，面對城市小而多的毛細河道水系，這些監測方法仍存在以下問題：

       ①遙感衛星的空間分辨率無法滿足城市毛細水系的觀測需求，時間分辨率無法滿足長期觀測的需求；

       ②無論是航空還是航天遙感，由于觀測距離遠，大氣傳輸將引入誤差，影響觀測模型精度；

       ③多光譜無人機波長不夠豐富，高光譜無人機作業面積無法覆蓋。 

       本文提出了一種地面建模與地空定標相結合的低空多光譜遙感觀測方法，能準確、動態地監測城市水質狀況。該方法首先同時采集地面水樣水質參數和水樣光譜信息，并建立二者的關聯關系；然后在研究區同步觀測特定的光譜信息，并建立水質參數觀測模型。 該方法覆蓋度高、機動性強、分辨率高，在定量水質分析中具有較強的發展空間。 

1 監測實驗與研究方法 

1.1 研究區概況 

       為了保證觀測環境可控、監測數據準確、結論可靠，本文選取污染控制與資源化研究國家重點實驗室位于上海市嘉定區同濟大學嘉定校區的室外水體實驗場所作為觀測目標（圖 1a）。該區域貫穿在大學校園內，包括同濟新開河、小吳塘和新河港 3 條主要水系， 水域面積約為 0.5 km2 ，水系總長約為 5 km，平均水深為 2.5 m，水體質量狀況穩定。實驗時天氣晴朗，水域在實驗前一個月內均無特殊情況污染，水體水質狀況保持平穩。 

1.2 實驗組設置 

       實驗場內，觀測組對象為蕰藻浜支流水體，根據水體所處環境，測試水體被分為 5 個區域（圖 1b）分別進行水質參數測量。

1.3 實驗監測 

1.3.1　水樣水質監測 

       水樣水質監測工作由污染控制與資源化研究國家重點實驗室負責，共采集濁度、pH 值、COD、硝氮、總磷和氨氮 6 類水質參數，各參數均通過現場采水實驗室分析的方法采集。其中，采用紫外可見分光光度計進行氨氮、硝氮和總磷含量的提取；采用便攜式分光光度計進行COD測量；采用濁度儀進行濁度測量；采用便攜式水質分析儀進行 pH 值測量。 

1.3.2　地物光譜監測 

       水體地物光譜采集用于檢測檢定水樣水質與低空遙感數據特定波段的相關性。地物光譜儀其輻射溯源與低空多光譜遙感傳感器同級同源，可認為它們在相同的波段下對地物輻射亮度的響應具有高度一致性。為了保證水質采樣數據與低空遙感數據在時間和空間上的同步性，本文利用該光譜儀在水質采樣相同的位置同步進行采樣。地物光譜儀采用水體光譜專用標準，漫反射板采用中科院安光所生產的聚四氟乙烯面板。地物光譜采樣概況如圖2所示，按照標準版測量規范，測量時考慮了太陽高度角和方位角的影響，避免了陰影的干擾。 

1.3.3　無人機低空遙感數據采集 

        無人機低空遙感采用低空多光譜航攝儀對實驗區域內的水體進行數據采集。航攝儀起飛重量為10kg，單架次執行任務時間為35min。在實驗區域內，規劃觀測測區為0.5km2 ，航行時間為15min，航行高度為300m，采集有效影像192幅、搭載波5個，其中包括紅綠藍3 個可見光波段以及 500nm和675nm窄帶多光譜波段。 

1.3.4　基于遙感數據的水質反演 

        將同步采集的水體地物光譜和水質樣本指標檢測結果作為一組數據，對多次采集的多組數據進行相關性分析和回歸分析，可獲得水質指標的反演模型。反演模型的技術路線為：輸入歸一化反射率曲線和各水質指標檢測數據，采用單波段歸一化反射率、歸一化反射率取對數、歸一化反射率取一階導、歸一化反射率兩兩比值4種反射率處理方法分別與水質指標數據進行相關性計算，再根據相關性選擇反射率處理方法以及用于水質反演的波段，并將二者的關系進行回歸分析，最終輸出反演模型。

2 實驗結果分析 

2.1 水樣水質檢測結果 

        通過分析5個觀測水體11月--次年1月的3期水體采樣結果，得到6項指標，共計15組數據，如表1示。其中，J1.11.1～J1.11.5 為第一期采樣結果， J1.18.1～J1.18.5 為第二期采樣結果，J2.1.1～J2.1.5 為 第三期采樣結果。

2.2 地物光譜結果 

       利用地物光譜對不同水質水體400-900nm光譜 特性進行觀測，5個觀測水體3期地物反射光譜特征如圖3所示。 將地物光譜特征與同期水質參數進行相關性分析，則相關系數的計算公式為：

       式中，R 為光譜反射率；I 為水質參數；cov(R,I )為 R 與 I 的協方差；var[R] 為 R 的方差；var[I] 為 I 的方差。 由此可見，675nm波段和500nm 波段與總磷、氨氮、pH 值和濁度具有較強的相關性。如圖4所示，其中675nm波段與濁度、總磷和 氨氮的相關性均超過正相關70%，與 pH 值的相關性 超過負相關60%。如圖5所示，濁度與675nm波段反 射率具有較強的相關性；而其他水質參數因水樣變化較小、數值變化不大，還未體現出較強的相關性，有待繼續增加水樣水質觀測，以獲取更多的數據用于分析其他水質參數的光譜特性。 

2.3 低空遙感影像數據 

       在第三期水樣水質采樣中，同步進行了低空遙感影像數據采集，獲取了實驗區域0.5km2的RGB真 彩色影像、500nm波段影像和675nm波段影像，共計192組，采集用時15min，數據成圖用時2h，數 據成果如圖6所示；并利用水面識別算法自動提取了5個觀測水體的遙感影像區塊（圖7）。 通過自主研發的聚類分析算法，對觀測水體影像區塊中的多光譜遙感影像數據進行了針對水質特征 的影像聚類分析。將實驗區域內的水體分為優、良、 中、差4個等級，用于相對定性分析；劃分依據為GB3838-2002《地表水環境質量標準》[7] ，其中劣5 類水質等級為差，5類水質等級為中，4類水質等級為良， 3類以及更優水質等級為優，結果如圖8所示。

       本文利用自主研發的多光譜遙感影像水體水質聚類分析算法得到的相對定性分析結果與第三期水樣水質結果的吻合度較高。1 號水體與其他水體分屬蕰藻浜的兩個支流，兩個支流水體雖均屬 4 類水體，但 1 號 水體所在支流水質差于其他水體所在支流。實驗室水質分析結果與低空多光譜遙感數據分析結果均準確反映了該結論。 

3 結　語 

       低空多光譜遙感數據與水體水質參數具有較強的相關性。在本文實驗中，雖然水樣樣本數量較少（僅5個采樣點，每個采樣點采集3期數據，共15 組數據），但在一些特定波段已呈現出與重點水質參數強相關的特點。此外，研究不同水質參數對不同光譜反射率的響應及其機制，以及研究不同波段反射率對水質參數的聯合響應機制，聯合多個波段光譜遙感數據進行水質監測，將進一步擴大低空多光譜遙感在水質監測中的應用潛力。 低空多光譜遙感技術具有其他方法無可比擬的高精度和高效率。本文實驗區域僅 0.5 km2 ，但水系形態分布復雜，校內區域通行限制諸多，因此對 5個樣區進行人工采樣的時間約為1h；而無人機系統僅15min即可完成整個區域的完整數據覆蓋。 水樣水質數據量和多樣性的增加將進一步提高低 空多光譜遙感在水質參數定量與定性分析中的準確度 與可靠性。本文僅通過15組水質參數數據進行了低空多光譜遙感的相關性分析，硝氮、COD 等部分參數因水質參數變化不大，無法形成有效的相關性分析結論。 隨著水質數據采集量的增加，基于低空遙感的水質監測應用范圍的擴大，將進一步提高低空多光譜遙感技術可監測的水質參數數量和監測精度。 低空多光譜遙感水質監測技術是上海市城市水域 摸排監測的有力工具。本文初步驗證了低空多光譜遙感觀測技術監測城市水體水質參數的可行性與可靠性，該技術的機動性、高效性遠超傳統人工排查手段。作為完全自主知識產權的系統，該技術涵蓋了硬件制造、 檢定標準、數據處理、智能分析和跨平臺網絡發布等整個技術鏈條，確保了應用的可用性、可靠性和可推 廣性。除了水質定性 / 定量分析功能外，該技術還具備強大的空間覆蓋度，利用空間分析技術，更可在水質監測的同時一并完成水面率、土方量、綠化率等空間統計任務。針對上海市水網復雜、毛細水體繁多、水務工程建設頻繁的特點，該技術通過需求驅動，可定制化完成不同區域覆蓋度、不同觀測精度和觀測任務的水體監測方案。利用該技術進行長效往復觀測，將為上海市水體治理過程留下寶貴的歷史影像數據資料，更能為水環境變化預測、水務監管決策提供客觀、有力的依據。

iSpecField-WNIR地物光譜儀是萊森光學（LiSen Optics）專門用于野外遙感測量、土壤環境、礦物地質勘探等領域的最新明星產品，由于其操作靈活、便攜方便、光譜測試速度快、光譜數據準確是一款真正意義上便攜式地物光譜儀。iSpecField- WNIR便攜式地物光譜儀采用了工業級觸控顯示屏手柄探頭，手柄探頭同時采用了獨有光學設計內置攝像頭（相機）、GPS、激光指示器、內置光學快門控制，同時地物光譜儀主機與工業級觸控顯示屏手柄探頭一體化設計，可野外現場直接進行地物光譜操作測量，使野外操作更加便捷方便，非常適合復雜的野外地物光譜測量。

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典型應用

1.植被研究、農作物健康、森林樹冠研究

2.林業科學、環境調查、農業調查

3.水體研究、氣候研究、生態研究

4.氮含量測量、葉片葉綠素含量

5.土壤分析、生物質研究、海洋監測

技術優勢特點

1. iSpecField-WNIR光譜范圍250-2500nm，固定全息光柵一次性快速掃描分光

2. 2048像素面陣BT-CCD，256/512像元InGaAs，高像素雙路探測器同步測量，光譜精度高、分辨率高

3. 主機與工業級觸控顯示手柄探頭一體化結構，野外測量無需額外電腦，操作靈活

4. 最短積分時間30微秒，測量動態范圍大

5. 工業級觸控顯示手柄探頭內置攝像頭（相機）、GPS、激光指示器、內置光學快門控制

6. SpecAnalysis專用地物分析軟件，兼容ENVI、TSG、Arcgis等第三方工具軟件

7. 嵌入了USGS數據庫和NDVI等19個植被指數

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9. 大容量電池，續航時間4-5小時，供電電池模塊可拆卸，帶備用電池模塊，滿足長時間野外測量

10. 整機重量不超過4.5公斤、便攜方便

SpecAnalysis地物光譜分析處理軟件

典型地物光譜

植被

硫磺

橄欖石

應用案例

主要技術指標