【典型案例】多光譜遙感技術(shù)助力河道水質(zhì)定量反演

　　Part 1 項(xiàng)目簡介

　　2023年長光禹辰信息技術(shù)與裝備（青島）有限公司與黑龍江省環(huán)境科學(xué)研究院聯(lián)合開展了城鄉(xiāng)河道水質(zhì)定量遙感的試點(diǎn)項(xiàng)目（以下簡稱“項(xiàng)目”），按計(jì)劃獲取三期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成多光譜遙感設(shè)備在水環(huán)境定性評估與水質(zhì)參數(shù)定量反演技術(shù)中的應(yīng)用性研究。

　　項(xiàng)目一期實(shí)驗(yàn)開展時間為2023年5月，長光禹辰與黑龍江環(huán)科院技術(shù)人員共同前往黑龍江省某實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)河道獲取無人機(jī)多光譜影像、地面高光譜數(shù)據(jù)和實(shí)測水質(zhì)參數(shù)。

　　Part 2 數(shù)據(jù)采集

　　【1】多光譜數(shù)據(jù)采集

　　本項(xiàng)目采用M300 RTK+AQ600 Pro多光譜遙感系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)航時可達(dá)35min，單架次可執(zhí)行約4km河道的數(shù)據(jù)采集工作。具體飛行參數(shù)見表1：

　　圖1 多光譜數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場

　　表1 飛行參數(shù)

　　【2】地面高光譜數(shù)據(jù)采集

　　水體高光譜數(shù)據(jù)采用ASD FieldSpec 4高光譜儀進(jìn)行采集并與無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取同步進(jìn)行，獲取方式遵循《水體可見光-短波紅外反射率測量》GB_T 36540-2018.采集過程如圖2所示：

　　圖2 高光譜數(shù)據(jù)采集

　　【3】水樣數(shù)據(jù)采集

　　河道水樣數(shù)據(jù)采用延長桿加采水器沉沒取樣的方式進(jìn)行獲取，每次取樣深度在表層水面下0.5m處，并且與無人機(jī)數(shù)據(jù)同步獲取，采樣過程如圖3所示。本項(xiàng)目測定5種水質(zhì)指標(biāo)，分別為氨氮、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、透明度，采樣和測定方式均參考國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖3 水樣數(shù)據(jù)采集

　　Part 3 富營養(yǎng)化和黑臭水識別

　　【1】富營養(yǎng)化分析

　　水體富營養(yǎng)化是指水中營養(yǎng)物質(zhì)（如氮、磷）過度積累，導(dǎo)致水體中藻類、水生植物大量繁殖的現(xiàn)象。水體富營養(yǎng)化會造成藻類過度生長，破壞水生態(tài)系統(tǒng)的平衡，甚至引發(fā)水體死亡。通過無人機(jī)多光譜遙感技術(shù)，結(jié)合實(shí)測水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的分析，對本次實(shí)驗(yàn)河道水體富營養(yǎng)化的識別情況如圖4所示。

　　圖4 水體富營養(yǎng)化識別結(jié)果

　　由上圖可以看出，該河道不存在富營養(yǎng)化現(xiàn)象，這與地面實(shí)測參數(shù)和現(xiàn)場感官情況保持一致，無人機(jī)多光譜遙感進(jìn)行水體富營養(yǎng)化識別精度較高。

　　【2】黑臭水體污染分析

　　黑臭水體是指水質(zhì)污染嚴(yán)重、水體顏色異常、散發(fā)惡臭的情況。它通常由生活污水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)排放物等引起，造成環(huán)境破壞和健康風(fēng)險(xiǎn)。通過無人機(jī)多光譜遙感技術(shù)，結(jié)合水色與實(shí)測水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的分析，對本次實(shí)驗(yàn)河道黑臭水污染的識別情況如圖5所示。

　　圖5 黑臭水污染識別結(jié)果

　　由上圖可以看出，該河道存在嚴(yán)重的黑臭現(xiàn)象，與地面實(shí)測參數(shù)和現(xiàn)場感官情況保持一致，無人機(jī)多光譜遙感進(jìn)行基于水色與濁度的評估精度較高。

　　該河道水體黑臭主要是由農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和生活廢水的排放以及非點(diǎn)源污染物引起的，其次該河道水流速度較慢，加之天氣溫度升高會導(dǎo)致水體溫度升高，從而使水體缺氧的風(fēng)險(xiǎn)增加，缺氧條件下，有機(jī)物的降解過程會產(chǎn)生惡臭氣體，加劇黑臭水體的現(xiàn)象。

　　Part 4 水質(zhì)參數(shù)定量反演

　　根據(jù)項(xiàng)目采集的水質(zhì)參數(shù)、無人機(jī)多光譜影像以及地面高光譜數(shù)據(jù)，基于目標(biāo)反射特性及水質(zhì)參數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終構(gòu)建水質(zhì)參數(shù)與多光譜遙感數(shù)據(jù)之間的定量關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)水體的多種水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行定量反演。同時對反演結(jié)果采用平均相對誤差（MRE）進(jìn)行精度評定，計(jì)算公式為：

　　部分水質(zhì)參數(shù)的定量反演結(jié)果如圖6～圖10所示。

　　精度評定結(jié)果見表2.各水質(zhì)參數(shù)的平均相對誤差均在25%以下，可滿足常態(tài)化、高頻次的全局水質(zhì)檢測需求?；瘜W(xué)需氧量反演誤差稍大是因?yàn)樵摋l河道整體水質(zhì)情況存在較大的空間異質(zhì)性，河道不同河段中有機(jī)物含量差異較大，而水體化學(xué)需氧量與有機(jī)物濃度密切相關(guān)，所以這種變化較快的梯度可能會引入一定的誤差，模型也有繼續(xù)優(yōu)化的空間。

　　表2 精度評定

　　Part 5 總結(jié)

　　根據(jù)項(xiàng)目第一期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，初步判定無人機(jī)多光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測與水質(zhì)參數(shù)反演工作中具有較高的行業(yè)應(yīng)用可行性。

　　相較于傳統(tǒng)人工采樣的方法，多光譜遙感技術(shù)可以在降低河道水質(zhì)參數(shù)獲取成本的同時，對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行水質(zhì)情況全局展示，避免“以點(diǎn)帶面”評定水環(huán)境帶來的誤差;與多光譜衛(wèi)星影像相比，無人機(jī)多光譜遙感技術(shù)時空分辨率更高;同時相較于高光譜遙感監(jiān)測，多光譜可以用較小的數(shù)據(jù)量完成較高精度的水質(zhì)參數(shù)反演，更加快速高效地獲取水體的狀態(tài)，為水環(huán)境的快速治理和保護(hù)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

　　后續(xù)長光禹辰公司將繼續(xù)聯(lián)合黑龍江環(huán)科院進(jìn)行多區(qū)域水體的綜合測試，對無人機(jī)多光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境綜合監(jiān)測的行業(yè)應(yīng)用性進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化。

　　關(guān)于我們

　　長光禹辰成立于2017年，是一家由中國科學(xué)院長春光機(jī)所和青島高新區(qū)聯(lián)合成立的高新技術(shù)企業(yè)，公司核心團(tuán)隊(duì)來自長春光機(jī)所空間光學(xué)部，在光譜遙感、光電探測領(lǐng)域具有深厚的理論基礎(chǔ)和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，掌握完整的光譜儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、先進(jìn)的嵌入式視覺開發(fā)、復(fù)雜場景定量遙感智能調(diào)光、高精度自動輻射校正、光譜數(shù)據(jù)半定量反演及應(yīng)用等核心技術(shù)，形成了以MS200、MS400、MS600、AQ300、AQ600等系列多光譜相機(jī)為代表的無人機(jī)載光譜遙感硬件產(chǎn)品線，提供Yusense Fly、Wifi Web、DJI Pilot等多種相機(jī)參數(shù)設(shè)置及控制方式，依托Yusense Map/Map Plus光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理及分析軟件、Yusense Cloud端云一體化服務(wù)平臺，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生態(tài)、環(huán)保、警用等領(lǐng)域開展了深入的行業(yè)應(yīng)用。公司專注于無人機(jī)航空遙感與光電探測領(lǐng)域，持續(xù)推出革新的軟硬件產(chǎn)品，落地更豐富的行業(yè)應(yīng)用場景，致力于用技術(shù)和產(chǎn)品推動行業(yè)進(jìn)步。