基于多通道光譜技術的煤礦水環(huán)境監(jiān)測方法研究

王 皓，叢茂勤，劉昕悅，明 星，林海燕

(1.天津海運職業(yè)學院，天津 300350；2.中科院軟件所南京軟件技術研究院，江蘇 南京 210049)

煤礦資源的開采與利用為我國創(chuàng)造了巨大的經濟效益，同時也帶來了一定的環(huán)境、生態(tài)和社會問題。煤礦地表塌陷區(qū)是隨著礦區(qū)煤炭開挖而形成的一種特殊的生態(tài)環(huán)境，地下潛水水位高的煤礦塌陷區(qū)將會形成大面積的塌陷積水。據統(tǒng)計，我國煤炭開采造成的土地占壓和沉陷已達50多萬公頃[1]，生態(tài)恢復治理工作嚴重滯后。煤礦水環(huán)境決定著區(qū)域內的生態(tài)水平，因此對水質狀況進行及時高效的動態(tài)監(jiān)測是水環(huán)境保護和生態(tài)治理的關鍵，同時也為采煤塌陷區(qū)污染的控制和綜合治理提供科學參考。

葉綠素a(Chla)、總磷(TP)和總懸浮物(TSM)是影響水體光譜特征的重要因素，也是煤炭礦區(qū)水質參數反演[2-5]、礦區(qū)水質污染等級[3]、水體富營養(yǎng)化評價[2]研究的主要指標。目前，煤炭礦區(qū)水環(huán)境監(jiān)測主要有人工移動監(jiān)測和遙感監(jiān)測。人工移動監(jiān)測通過人工移動采樣，獲取水樣后進行實驗室化學分析，該方法僅能獲取點狀分布的監(jiān)測數據，存在人工采集成本較高、時效性差、結果具有局限性等問題；遙感監(jiān)測具有空間性強、覆蓋面廣等特點，主要是通過衛(wèi)星搭載的傳感器獲取水域的光譜影像，經過水質參數反演計算獲取區(qū)域內的水質參數，但是這種方法觀測周期較長，不能達到實時監(jiān)測效果，因此亟需一種既能滿足實時高效動態(tài)監(jiān)測又能滿足局部覆蓋的水質監(jiān)測方法。

本文以徐州九里礦區(qū)為研究對象，提出了一種實時多通道光譜水質監(jiān)測方法。此方法通過將自主研發(fā)的云譜相機搭載在高點平臺上進行非接觸的水體光譜影像數據采集，計算出水體的反射率數據，運用反演模型測定水體中Chla、TP和TSM的含量，實現目標區(qū)域水質參數的連續(xù)自動監(jiān)測，以期為煤炭礦區(qū)水質動態(tài)監(jiān)測和水資源的保護提供技術支撐。

1 研究區(qū)域概況與數據采集

1.1 研究區(qū)概況

徐州市位于江蘇省西北部，市區(qū)面積約963km2。市區(qū)內以黃河故道為分水嶺，九里礦區(qū)在黃河故道以北，有龐莊煤礦、夾河煤礦、王莊煤礦和寶應煤礦，是主要的采煤塌陷區(qū)，由于地下潛水位高，采煤塌陷積水嚴重，地表水系遭到破壞，工業(yè)、生活污水就近排放，進一步加重了水質污染。因此對采煤塌陷積水區(qū)進行綜合整治是礦區(qū)治理與生態(tài)重建的關鍵之一[6]。

1.2 數據采集

本文使用KSHA-C08型多通道云譜相機采集被監(jiān)測區(qū)域水體的光譜影像，云譜相機一般選擇固定在便于數據采集且易于安裝、維護的地點。本次試驗云譜相機安裝高度為10m。由于安裝點是由東南方向日出，西南方向日落，綜合太陽高度角、方位角以及環(huán)境因素，為了盡量避免太陽直射反射的干擾所產生的耀斑，確定多通道云譜相機的觀測方向為西北方向，與水平面法線之間的觀測夾角約為45°。采集時間為日照的上午8點至下午5點，圖像采集間隔自定義為30min，空間分辨率為1mm(35mm焦距)，幅寬為1.44m×1.08m(35mm焦距)，設備共有8路光譜通道，包括彩色、藍光、綠光、紅光、紅光邊緣、近紅外等8路單通道影像，均為8bit圖像數據，光譜通道參數見表1。

表1 光譜通道參數

在監(jiān)測水域內隨機選擇多個距離盡可能遠的采樣點，按照設定時間間隔對多個采樣點進行多通道光譜數據采集，同時采集監(jiān)測水域采樣點的水樣，用以驗證水質參數與特定波段的相關性，進一步驗證反演模型的準確度。

2 地物光譜特征

2.1 多通道光譜數據

礦區(qū)檢測區(qū)域內有水體、植被、建筑物三類不同地物，通過云譜相機采集的某晴天上午11點40分的地物光譜影像如圖1所示。

從圖1中可以看出水體區(qū)域在多通道下像素值(DN值)均較低，尤其是藍光和近紅外光的DN較低；建筑物在各通道的DN值均比其他地物高，反映了建筑物高反射率的特點；植被在560nm和近紅外通道DN值較高，尤其是709nm，反映了植被在560nm通道和近紅外通道存在較為明顯的反射特征。結果表明云譜相機采集到的多通道光譜影像符合不同地物的光譜特征[7，8]。

圖1 多通道光譜影像數據

2.2 地物反射光譜

在進行多通道光譜影像采集后，需計算地物光譜反射率。本文提出了依據光照度進行DN值數據庫索引的方法。首先構建多通道不同光照度下反射率為30%的標準DN值數據庫，并根據光照度計獲得的實時照度值進行數據庫索引，找出對應照度值下的多通道標準DN值，進而計算出多通道相應地物的反射率[9，10]。不同地物的反射率曲線如圖2所示。

圖2中植被在560nm處有一個小的反射峰，在490nm和665nm處有兩個吸收谷，在近紅外通道有較強的反射，符合常見綠色植被的光譜反射特征；水體整體的反射率均較低，在560nm有一個小的反射峰，近紅外通道反射較低，符合低葉綠素a濃度的水體反射特征；建筑物整體反射率均較高，尤其是709nm，也滿足常見的建筑物的反射光譜特征。

圖2 不同地物對應的反射率曲線

2.3 相關性分析

本文結合已有特殊波段及組合，對不同采樣點的葉綠素a(Chla)、總磷(TP)和總懸浮物(TSM)濃度與光譜反射率相關性進行分析得知，葉綠素a(Chla)、總磷(TP)和總懸浮物(TSM)濃度與光譜反射率在Band6/Band5、Band7/Band2、Band7/Band3三個波段組合情況下具有最大相關性。Band6/Band5、Band7/Band2、Band7/Band3稱為葉綠素a(Chla)、總磷(TP)和總懸浮物(TSM)的最優(yōu)通道組合。相關性公式見式(1)。

式中，γ(X，Y)為相關系數，度量X與Y之間的線性關系；Cσv(X，Y)為X與Y的協方差；Vαγ[X]為X的方差；Vαγ[Y]為Y的方差。

3 水質監(jiān)測

3.1 水質參數反演模型的構建

本文選取最優(yōu)通道組合數據作為建模因子，然后依次構建線性、指數、冪函數和多項式這四種基本模型，并計算決定系數R2。相比單一通道的模型方法，能夠有效降低背景干擾，提高水體有效光譜信息的獲取。模型構建流程如圖3所示。

圖3 多通道光譜水質參數反演模型構建流程

水質參數反演模型及決定系數(R2)見表2。表2顯示，三種水質參數反演模型中，模型的決定系數R2均呈現出多項式函數高于線性函數高于指數函數高于冪函數的狀況[11，12]。以Band6/Band5作為建模因子的Chla反演模型中，R2均高于0.75，其中多項式函數R2高達0.86。以Band7/Band2作為因子建立的TP反演模型中，多項式函數R2達到0.81。以Band7/Band3作為因子建立的TSM反演模型中，各模型的R2均高于0.72，多項式函數R2達到0.84。最終，Chla、TP、TSM的反演模型分別選擇Band6/Band5、Band7/Band2、Band7/Band3作為因子建立的多項式函數。

表2 多通道光譜水質參數反演分析模型

3.2 基于多通道優(yōu)化反演模型的實時監(jiān)測

利用本文提出的多通道光譜優(yōu)化反演模型對實時采集的光譜影像進行分析，可以計算出不同時間段被監(jiān)測水體的主要參數值，并能夠跟隨其連續(xù)變化過程。選取某天連續(xù)整點時刻采集點的監(jiān)測結果見表3。

表3 連續(xù)整點時刻水質參數濃度空間分布

由表3可以看出，隨著數據采集時間的持續(xù)，水體中的陰影和表面漂浮的少許植被等因外界環(huán)境因素影響而變化，與此同時水體本身的內部組成含量也在發(fā)生變化。利用采集到水體的多通道光譜影像，可以完整收集動態(tài)變化的數據，并進一步反映出水體組分的變化情況。

在不同整點時刻水質參數反演結果的統(tǒng)計值如圖4所示。上午8∶00至下午17∶00，目標水體Chla濃度的變化范圍8.91～17.64mg/m3，均值13.56mg/m3。TP濃度的變化范圍0.04～0.08mg/L，均值0.06mg/L。TSM濃度的變化范圍19.42～48.57mg/L，均值33.13mg/L。其中Chla濃度較低，表明水體中藻類較少，主要是受到氣候的影響。Chla濃度升高時，TP的濃度也有所提升，表明兩種水質指標之間存在一定的相關性。TSM的濃度變化較大，主要與水體中有機懸浮物和無機懸浮物的變化相關，由于研究區(qū)位于居民生活區(qū)附近，生活污水排放會導致TSM的變化較為明顯。

圖4 水質參數變化

3.3 監(jiān)測結果分析

在煤礦監(jiān)測區(qū)域內每個采樣點采集2000mL水樣并低溫冷藏，當天由當地檢測機構通過分光光度法(HJ 897—2017)測定Chla含量，鉬酸銨分光光度法(GB/T 11893—1989)測定TP含量，稱重法(GB 11901—1989)測定TSM含量，并與相應水質參數反演結果進行了比較，也驗證了多通道光譜水質參數反演方法的精度。兩者比對結果見表4。

表4 水質參數實測與模型結果對比

對比實驗測定結果表明水質參數濃度的驗證誤差較低，反演精度較高，表明該多通道光譜優(yōu)化反演方法可以有效地對礦區(qū)內水體的水質狀況進行實時監(jiān)測。按照地表水環(huán)境質量標準(GB 3838—2002)，目標區(qū)域TP濃度大于0.02mg/L，小于0.1mg/L時，屬于二類水體。

4 結 論

1)本文針對礦區(qū)水環(huán)境監(jiān)測提出了一種基于多通道光譜水質多參數監(jiān)測方法。此方法采用遠距離非接觸方式進行水體多通道光譜數據采集，獲取的多光譜影像以及地物反射率曲線均符合不同地物的反射光譜特征，優(yōu)化的水質參數反演模型，使數據更加準確。

2)相對于傳統(tǒng)的單通道光譜數據反演建模方法，最優(yōu)通道組合數據可以在保證較高準確率的同時減小了計算量，降低數據計算復雜度，克服運算量過大問題，保證了數據處理實時性。

3)多通道光譜水環(huán)境監(jiān)測方法結合了傳統(tǒng)監(jiān)測和遙感監(jiān)測，很大程度上彌補了時效性、可視化效果等方面的不足，可以及時獲得準確的水質參數的空間分布、時空變化，對礦區(qū)水域整體治理具有重要的應用價值和實際意義。