針對光譜水質監測在張家浜流域試點工作的研究與分析

張顯峰 丁奕文 李丹祥 侯先寶 李冬來

（上海元易勘測設計有限公司，上海 201210）

1 張家浜流域試點項目研究背景

張家浜流域試點位于上海市浦東新區張家浜區域，該區域擁有楔形綠地：北起錦繡東路、南至龍東大道，西至羅山路，東至外環高速，橫跨花木街道、張江鎮、金橋鎮、唐鎮4 個行政鎮（街道），總面積約14.5km2。楔形綠地分布于12 條河流，河流總長度為21.3km。選取該區域中的4 段河流實施水質監測，利用光譜水質監測技術，研究試點區域的水質情況，驗證該技術的可行性、可靠性以及時效性。選取的4 段河流總長度共計7km。選取河流的詳細信息如表1 所示。

表1 河流信息統計表

2 光譜水質監測技術介紹

2.1 光譜原理

由于不同物質對應不同波長，具有不同的特性，通過這些波長特性就可以利用光譜判斷物質的原有屬性。如，檢測河流水質中的關鍵指標葉綠素a，可以使用光波覆蓋范圍在400nm ～1000nm 波段的無人機載高光譜設備；利用550nm ～650nm 波段的光譜就可以對總氮、總磷、氨氮、總懸浮物、化學需氧量、溶解氧等濃度信息進行分析，賦值后就可以反演COD 和氨氮濃度等信息[1]。

2.2 光譜水質監測技術路線

張家浜河流水域的光譜水質監測技術試點工作流程：運用無人機載高光譜水質監測設備，及時、高效地采集水域范圍內的精細化光譜信息，建立水質反演模型，快速分析監測區域內的各個濃度因子，定性、定量地分析處理水質指標參數，形成高光譜反演異常點分析結果，為水環境治理決策提供強有力的支持。

3 張家浜流域水質監測試點過程應用與結果

3.1 張家浜流域水質監測流程

無人機載高光譜技術的監測主要流程：首先，勘查測區周邊環境，進行信息采集，以此為基礎規劃無人機飛行的路線，執行無人機的數據采集，并確保測試區域的數據采集完整；其次，人工進行實地采樣，對樣本數據進行分析；最后，進行高光譜分析，結合該區域地面水質的采樣結果，建立水流域的水質反演模型效果圖，通過對小流域水質反演分析，精準掌控水流域的污染區域[2]。

3.2 張家浜流域水質監測數據采集

該試點水質監測所采用的設備是專業的高光譜設備系統，使用400nm ～1000nm 波段的光譜；該系統具有高精度、高信噪比、輕量化的特點。通過搭載專業的飛行設備，可實現大載重、航時長的作業優勢，為高光譜的應用提供靈活的平臺。張家浜流域水質監測共啟用無人機載采集4 架次，采集時間為同一天，所獲取原始數據量約229G，具體的數據采集情況如表2 所示。

張家浜流域中4 段河流現場共采集33 個水樣。本次試點現場水質樣本采集化驗結果部分內容如表3 所示。

表3 試點現場水質樣本化驗信息統計表

3.3 對張家浜流域水質光譜采集數據處理

為了保證水質光譜采集數據與POS 數據的完整性，需要對無人機載光譜監測設備采集到的數據進行預處理，主要是對數據的輻射校正處理、發射校正處理、幾何校正處理以及波段裁剪處理等；其中的波段裁剪處理主要是為了保留400nm ～900nm 波段的數據信息。在數據預處理后，還需要對數據進行后處理，主要是幾何精校正與影像拼接處理。前者是由于數據采集、POS 定位、校正算法等原因，導致單景象的位置發生不同程度的變化，因此需要在一定程度上進行影像的幾何校正[3]。后者影像拼接數據處理是將多個場景或者多架次無人機采集數據拼接成完整的影像，利用ENVI 進行影像拼接處理，并調整羽化值與設置均色參數等，使拼接后的數據無明顯色差等問題。

3.4 張家浜流域水質反演效果圖及效果分析

3.4.1 張家浜流域水質反演效果圖

通過對河道拼接好的影像進行裁剪，去除河道兩岸的相關數據信息，只保留水體部分的數據，就可以對水質進行反演處理，主要是對水體部門的數據進行全流程反演處理，輸出的反演效果圖如圖1 所示。

圖1 三八河、張家浜反演成果圖

3.4.2 水質反演分析

通過對4 段河流的水質進行反演并統計，詳細內容如表4 所示。

表4 四段河流水質反演數值統計表

結合《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）進行判斷，三八河、張家浜、馬家浜與北界浜、陸家宅河、友誼河各項水質因子數值達IV 類水標準。

3.4.3 光譜反演異常點分析

第一，對疑似污染點位劃分。根據采集水樣的監測結果，將超標因子高錳酸鹽、氨氮、溶解氧及總磷作為本次反演結果中關注的污染物[4]?；诟吖庾V反演結果圖中污染物TP、DO、NH3-N 及高錳酸鹽濃度的變化趨勢（由綠變紅/黃片區），將紅色/黃色突出位置標定為疑似污染點位，最終標定9 個疑似污染點位。

第二，異常點主要分布情況。根據疑似污染點分布圖，對水質異常點位進行統計，如表5 所示。

表5 水質異常點統計表

第三，對河涌兩個疑似污染點位進行分析，以其中點位1-1 進行示意，該點位位于云山路張家浜橋西側，南面為住宅區，可能是雨水或者污水排水導致該點水質數值異常[5]。該點位的疑似污染點高光譜反演結果如表6 所示。

表6 疑似污染點1-1高光譜反演結果表

因此，疑似污染點1-1 高光譜反演結果如圖2 所示。

圖2 疑似污染點影像圖

4 結語

對張家浜流域試點的光譜水質進行監測，依據水質反演結果分別監測總磷、溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數4 個水質因子，張家浜、馬家浜、三八河與北界浜、陸家宅河、友誼河各項水質因子數值達IV 類水標準。其中監測中共發現了9 個疑似點，張家浜河道有2 個疑似污染點，其余的分布在其他河道。張家浜河道的疑似污染點位于居民住宅區附近，生活污水以及雨水的排放是導致水質異常的主要原因[6-7]。本次采集的4 條河流水質平均數值達到III 類水標準，發現異常點的數值均未超過IV 類水標準限值。

通過對張家浜河道試點的光譜水質監測，發現該次提供的結果是一次性結果，不能反映河道全年各個時段的水質情況，建議在汛期時間之外再進行1 ～2 次高光譜水質檢測。另外，試點中采用了多旋翼無人機，該設備具有速度快、機動性高、安全性高的特點，配合高光譜技術和國內領先優勢的定姿定位技術，可以更全面地了解河涌整體的水質濃度變化，確定疑似污染點位，精準定位排污口。定期采集河涌高光譜數據，一方面可以全面排查污染源，另一方面對治理效果進行對比評價，對該河道的整治與治理效果評估具有重要意義。