無人機載高光譜儀在八里湖水質監(jiān)測中的應用研究

常婧婕，鄧燕青，陳斯芝，殷曉杰，蔡 倩

(1.江西省水文局，南昌 330001； 2.南昌市水文局，南昌 330001； 3.九江市水文局，江西 九江 332000)

1 概 述

無人駕駛飛機簡稱無人機，英文縮寫為UAV，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。無人機涉及傳感器技術、通信技術、信息處理技術、智能控制技術以及航空動力推進技術等。

高光譜遙感是在電磁波譜的紫外、可見光、近紅外、中紅外和熱紅外波段范圍內，獲取許多非常窄且光譜連續(xù)的影像數據的技術，是在傳統(tǒng)的二維遙感的基礎上增加了光譜維，形成的一種獨特的三維遙感[1]。不同的物體會表現(xiàn)出不同的光譜反射和輻射特征，運用具有高光譜分辨率的儀器，通過獲取圖像上任何一個像元或像元組合所反映的物質的光譜特性，經過后續(xù)數據處理，就能達到快速區(qū)分和識別物質的目的。

高光譜遙感的成像光譜儀具有光譜分辨率高、光譜范圍寬的顯著特點，可以分離成幾十甚至數百個很窄的波段來接收信息，所有波段排列在一起能形成一條連續(xù)的、完整的光譜曲線。高光譜遙感技術已廣泛應用到環(huán)境監(jiān)測、資源調查、工程建設等各個領域。礦產資源勘探、巖石礦物識別和填圖等一直是高光譜技術發(fā)展和應用的主要方向[2]。高光譜遙感憑借其高光譜分辨率的優(yōu)勢，在植被研究中的應用已從植被遙感擴大到生態(tài)意義方面[3]。

無人機載高光譜遙感技術因其靈活機動的特點在近海及小范圍的水質監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用，水質監(jiān)測近些年成為無人機高光譜成像設備的應用研究熱點領域之一。

本文利用無人機搭載的高光譜成像設備完成水體光譜數據的采集，并對比分析采集的光譜數據和實驗室檢測數據，通過定量模型估測水質參數濃度，為后續(xù)該技術在水質監(jiān)測中的應用推廣提供數據支持。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)概況

八里湖位于九江市區(qū)西部，涉及九江市潯陽區(qū)、濂溪區(qū)和柴桑區(qū)。湖區(qū)地理位置處于E115°53.4′-E115°57.2′、N29°37.6′-N29°42.2′之間。流域東鄰鄱陽湖，南毗博陽河，西靠賽城湖，北毗長江。湖區(qū)主要承接廬山西北面沙河、十里水等支流坡面匯流，總集水面積273 km2。湖區(qū)南北長、東西窄，呈不規(guī)則分布，岸線總長29 km。

2.2 數據獲取

機載高光譜監(jiān)測范圍為八里湖十里河入湖口處附近水域。測區(qū)位于九江市八里湖東側(29°41′21.82″N 115°57′20.88″E)，為長寬均約1 km左右的不規(guī)則區(qū)域，面積約0.86 km2(圖1紅框內)。共計利用機載高光譜設備，飛行3架次，完成測區(qū)內湖面的高光譜數據采集。同時，對同片水域均勻布設水質斷面，采樣點布設見圖1，分析參數包括葉綠素a、懸浮物、總氮、總磷。

圖1 采樣點布設圖

3 結果與分析

3.1 高光譜遙感數據處理

水體中的各個重要光學成分濃度發(fā)生變化時，必將引起水體光學性質的變化，主要表現(xiàn)為水體的吸收和散射特性的變化，進而導致水體離水反射率的變化，如懸浮物在可見光波段反射率與濃度顯著呈正相關。造成水體反射率變化的主要原因是水體中各種物質的濃度存在差異，根據水體的反射率等光學信息與相應物質的濃度之間的特定關系，可以建立相應的模型算法，對水體中葉綠素、懸浮物等各種指標的濃度和分布等信息進行反演。

3.2 葉綠素a高光譜數據分析

葉綠素a濃度分布范圍0.017～0.067 mg/L，主要分布在0.02～0.04 mg/L之間，水體富營養(yǎng)化明顯。見圖2。

圖2 無人機航飛高光譜影像圖和葉綠素a濃度空間分布圖

3.3 總氮高光譜數據分析

總氮濃度分布范圍1.45～2.5 mg/L，主要分布在1.66～1.975 mg/L之間，表現(xiàn)為IV-劣V類水之間，水體富營養(yǎng)化明顯。見圖3。

圖3 無人機航飛高光譜影像圖和總氮濃度空間分布圖

圖4 無人機航飛高光譜影像圖和總磷濃度空間分布圖

3.4 總磷高光譜數據分析

總磷濃度分布范圍0.15～0.25 mg/L，主要分布在0.17～0.21 mg/L之間，表現(xiàn)為IV-劣V類水之間，水體富營養(yǎng)化明顯。見圖4。

3.5 懸浮物高光譜數據分析

懸浮物濃度分布范圍0～25 mg/L，主要分布在5～12.5 mg/L之間，水體透明度較高。見圖5。

圖5 無人機航飛高光譜影像圖和懸浮物濃度空間分布圖

3.6 水質參數遙感反演驗證

在無人機高光譜遙感水質飛行采集的同時，對同片水域進行了水質采樣分析。通過高光譜水質遙感技術，反演了相應指標的濃度值，依據位點的經緯度坐標，對相同位點的指標數值進行了提取，各點位的測定值和反演值見表1。

通過偏差分析表明，各位點的指標值平均偏差控制在20%以內，偏差分析結果表明差異在可控范圍。見表2。

表1 原位采樣點水質參數國標法測定值與遙感反演值

4 結 論

1) 實現(xiàn)監(jiān)測數據對比精準化。通過實驗室檢測數據對遙感反演經驗模型進行的驗證可見，模型各指標偏差在可控范圍內。將無人機載高光譜反演結果和水質常規(guī)檢測結果比對，水質類別評價一致性較高，高達80%。總磷和總氮數據保持一致性為90%，體現(xiàn)了在湖泊Ⅳ-Ⅴ類水數值范圍內的一致性。葉綠素a和懸浮物的高光譜結果和實驗室檢測結果都有非常高的一致性。葉綠素a兩者的平均濃度值之差只有2.8 ug/L,

達到了國標檢測方法中的高濃度(>20 ug/L)標準偏差的水平(1.35～2.79 ug/L)，懸浮物兩者的平均濃度值之差只有1.69 mg/L，低于文獻報道的水質懸浮物測定的擴展不確定度(2 mg/L)[4]。

2) 實現(xiàn)數據獲取的多元化。不僅能夠獲取模型反演得到的水質數據，還能得到高清化遙感影像，且分辨率較高。除了水質數據結果，更能夠直觀感受查看水域狀況。

3) 實現(xiàn)測定指標梯度的可視化。能夠較好地測定各水質指標的濃度以及濃度梯度空間分布圖，并形成可視化地圖。

4) 實現(xiàn)監(jiān)測大范圍的機動化。相較于傳統(tǒng)水質監(jiān)測手段，本文所研究的無人機載高光譜儀通過模型得到各參數的數據，省掉了繁瑣的野外采樣及實驗檢測過程，具有更省時、省力、快速、監(jiān)測范圍廣等優(yōu)點，能夠及時地監(jiān)測水域的最新水質狀況。