無人機水質(zhì)遙感監(jiān)測方法

朱熹 劉黎明 葉張林

摘 要：面對高分辨率水質(zhì)監(jiān)測的需求，運用無人機多光譜傳感器，本文提出了一種水質(zhì)參數(shù)反演方法。以上海市淀山湖和元蕩為實驗區(qū)，總磷、氨氮、高錳酸鹽、溶解氧為待反演水質(zhì)參數(shù)，構(gòu)建相應的反演模型，基于國家標準得到水質(zhì)類別。實驗結(jié)果顯示，各水質(zhì)參數(shù)相對誤差均在30%以內(nèi)，湖內(nèi)的污染主要集中在細小分支和岸邊。

關(guān)鍵詞：無人機多光譜;水質(zhì)監(jiān)測;水質(zhì)反演

中圖分類號：X832 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）07-0157-03

1引言

水資源是我們賴以生存的重要資源[1]，然而人類活動對水環(huán)境的影響日趨嚴重。傳統(tǒng)檢測方法主要以實驗檢測法為主，但是該方法需要大量的人力物力，且覆蓋范圍有限，需要新的手段相結(jié)合構(gòu)建新的水質(zhì)監(jiān)測體系。遙感由于其成本低，速度快，監(jiān)測面積大等優(yōu)點被廣泛應用于水質(zhì)監(jiān)測，但是針對更小尺度上的河道，受限于衛(wèi)星傳感器的時空分辨率，衛(wèi)星遙感反演的效果受限，此時無人機遙感的優(yōu)勢得以體現(xiàn)[7-8]。無人機具有機動靈活、操作簡便、時空分辨率高等優(yōu)點，可以根據(jù)監(jiān)測水域特征制定不同的檢測方案，及時發(fā)現(xiàn)水質(zhì)問題區(qū)域，對于微小水域的水質(zhì)監(jiān)測具有重要意義。

目前水質(zhì)反演方法主要分析法，經(jīng)驗法[2-6]等。分析法主要基于水體的光譜反射散射特性，建立在光學傳輸?shù)睦碚摶A之上，具有嚴密的物理邏輯推演過程，但是所需輔助數(shù)據(jù)眾多，模型構(gòu)建過程繁瑣且具有一定的區(qū)域局限性。而經(jīng)驗法建立在樣本數(shù)據(jù)與光譜數(shù)據(jù)的統(tǒng)計關(guān)系之上，模型構(gòu)建成本低，指定區(qū)域季節(jié)內(nèi)精度較高，但采樣難度高難以與衛(wèi)星影像同步匹配[7-8]。

近些年來無人機的應用領域在不斷拓展，其中有針對葉綠素相對含量反演，還有在水環(huán)境中應用于水土流失狀況分析，但目前針對水質(zhì)反演的研究還較少，基于此，本文以上海市青浦區(qū)金澤鎮(zhèn)淀山湖部分區(qū)域為實驗區(qū)，利用樣本點、地面光譜儀、縱橫無人機及K6多光譜相機構(gòu)建DO（溶解氧）、CODMN（高錳酸鹽指數(shù)）、TP（總磷）、TN（總氮）、NH3（氨氮）的遙感反演模型，并驗證其精度。

2研究區(qū)及數(shù)據(jù)

本文以青浦區(qū)金澤鎮(zhèn)淀山湖風景區(qū)為實驗區(qū)，水域以淀山湖和元蕩為主，2019年7月31日飛行一個架次，覆蓋面積約3平方公里。

與此同時，在無人機飛行期間，同步采取40個水樣并在當天送檢，檢測指標為總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽、溶解氧。

3水質(zhì)參數(shù)反演模型構(gòu)建

3.1等效反射率計算

對于多光譜及高光譜傳感器，每個波段都有一定的光譜響應寬度，同時在該波長寬度范圍內(nèi)的入射輻亮度并沒有被完整的記錄，一般會有一個單峰函數(shù)來描述該波段的輻射接收情況，即為光譜響應函數(shù)，是傳感器在每個波長接受的輻亮度與入射的輻亮度的比值。

那么傳感器在每個波長接收到信號時，利用以下這個公式求出無人機多光譜通道（波段）信號的等效反射率值。

其中g(shù)函數(shù)代表傳感器的光譜響應函數(shù)，X代表著在該波長的實測反射率值。共獲得450nm、490nm、550nm、615nm、650nm、685nm、725nm和808nm八個通道地的光譜響應函數(shù)，如圖1所示。

將實測的水體反射率曲線與各通道的光譜響應函數(shù)按照上述公式計算即可得到對應于該多光譜相機的等效反射率。

3.2水質(zhì)參數(shù)敏感性分析

通過分析單波段及組合波段與實測水質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)性，挑選相關(guān)性較高的組合，從而為設計相應的模型提供支持。其中單通道相關(guān)性如下圖所示。

由上圖可以看出，除DO（溶解氧）外，CODMN（高錳酸鹽指數(shù)）、TP（總磷）、TN（總氮）、NH3（氨氮）與單波段等效反射率的相關(guān)性都不高（<0.5），無明顯相關(guān)性，需要進行波段比值的相關(guān)性分析。除此之外對各波段組合也進行相關(guān)性分析。

3.3反演模型構(gòu)建

3.3.1 CODMN反演模型構(gòu)建

CODMN于725/550波段處有較強的相關(guān)性，因此選擇725nm和550nm作為特征波段，使用波段比值構(gòu)建模型。

在建模之前并不是所有的樣本點數(shù)據(jù)都可以用于建模，如果建模數(shù)據(jù)中存在一些異常點都會對模型性能造成較大的影響，因此需要在建模之前對異常點進行剔除。將725/550比值與CODMN分別進行排序，再根據(jù)平均值和標準差設定閾值，將數(shù)據(jù)點與平均值差值絕對值大于閾值的點刪除。

對數(shù)化后的CODMN與特征波段比值有明顯的線性關(guān)系，通過最小二乘求解可得。

3.3.2 TN反演模型構(gòu)建

TN與單波段相關(guān)性都較低，但是從550-615相關(guān)系數(shù)有明顯下降，從685-725有明顯上升，結(jié)合615/550、725/685的比值相關(guān)性較高，選取該比值為特征波段。隨后去除異常值并取對數(shù)，采用多元線性回歸構(gòu)建模型。

4水質(zhì)反演結(jié)果

對預處理過后的無人機遙感數(shù)據(jù)，針對各水質(zhì)參數(shù)進行遙感水質(zhì)反演，得到研究區(qū)域內(nèi)個水質(zhì)參數(shù)濃度，再根據(jù)國家標準及單一指標評價法，生成水質(zhì)等級圖，分為I類至劣V類共六類水質(zhì)等級。

由上圖可以看出，淀山湖區(qū)域水質(zhì)以II類為主，而元蕩則以III類為主，其中V類及劣V類主要分布在細小河道和水體邊緣地區(qū)，一方面原因是岸邊地區(qū)是排污區(qū)域，所以一定程度上反映排污分布情況，另一方面原因則是岸邊有河岸、植被、陰影的影響，同時混合像元現(xiàn)象普遍存在，造成類別的誤判。

5精度驗證

采用樣本數(shù)據(jù)進行相對誤差驗證，結(jié)果顯示CODmn的相對誤差最低，DO的相對誤差較高，綜合來看相對誤差都在30%以下，具有較高的精度。

6結(jié)論

利用無人機多光譜數(shù)據(jù)以及準同步水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)，構(gòu)建水質(zhì)反演模型，反演總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽、溶解氧五類水質(zhì)參數(shù)，結(jié)合單一因子評價標準得到水質(zhì)指標。本文實驗結(jié)論表明，各類水質(zhì)參數(shù)相對誤差率均低于30%，錯分像元主要集中于河岸區(qū)域，大部分區(qū)域誤差在一個類別以內(nèi)，展現(xiàn)了較高的精度。

除此之外，本模型主要針對夏季的水質(zhì)樣本，是否有全季節(jié)適用性還未進行探究，未來面向全季節(jié)的水質(zhì)反演依然有可提升的空間。

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基金項目：上海市科學技術(shù)委員會，基于高分遙感的近海水環(huán)境監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究及示范應用（19511100900）。