無人機(jī)載高光譜儀在八里湖水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)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(jī)簡稱無人機(jī)，英文縮寫為UAV，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。無人機(jī)涉及傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、信息處理技術(shù)、智能控制技術(shù)以及航空動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)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(nèi)，獲取許多非常窄且光譜連續(xù)的影像數(shù)據(jù)的技術(shù)，是在傳統(tǒng)的二維遙感的基礎(chǔ)上增加了光譜維，形成的一種獨(dú)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(yùn)用具有高光譜分辨率的儀器，通過獲取圖像上任何一個(gè)像元或像元組合所反映的物質(zhì)的光譜特性，經(jīng)過后續(xù)數(shù)據(jù)處理，就能達(dá)到快速區(qū)分和識別物質(zhì)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(diǎn)，可以分離成幾十甚至數(shù)百個(gè)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(shù)已廣泛應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測、資源調(diào)查、工程建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域。礦產(chǎn)資源勘探、巖石礦物識別和填圖等一直是高光譜技術(shù)發(fā)展和應(yīng)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(yīng)用已從植被遙感擴(kuò)大到生態(tài)意義方面[3]。

無人機(jī)載高光譜遙感技術(shù)因其靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)在近海及小范圍的水質(zhì)監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用，水質(zhì)監(jiān)測近些年成為無人機(jī)高光譜成像設(shè)備的應(yīng)用研究熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。

本文利用無人機(jī)搭載的高光譜成像設(shè)備完成水體光譜數(shù)據(jù)的采集，并對比分析采集的光譜數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)，通過定量模型估測水質(zhì)參數(shù)濃度，為后續(xù)該技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用推廣提供數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)獲取

機(jī)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(cè)(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(nèi))。共計(jì)利用機(jī)載高光譜設(shè)備，飛行3架次，完成測區(qū)內(nèi)湖面的高光譜數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，對同片水域均勻布設(shè)水質(zhì)斷面，采樣點(diǎn)布設(shè)見圖1，分析參數(shù)包括葉綠素a、懸浮物、總氮、總磷。

圖1 采樣點(diǎn)布設(shè)圖

3 結(jié)果與分析

3.1 高光譜遙感數(shù)據(jù)處理

水體中的各個(gè)重要光學(xué)成分濃度發(fā)生變化時(shí)，必將引起水體光學(xué)性質(zhì)的變化，主要表現(xiàn)為水體的吸收和散射特性的變化，進(jìn)而導(dǎo)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(guān)。造成水體反射率變化的主要原因是水體中各種物質(zhì)的濃度存在差異，根據(jù)水體的反射率等光學(xué)信息與相應(yīng)物質(zhì)的濃度之間的特定關(guān)系，可以建立相應(yīng)的模型算法，對水體中葉綠素、懸浮物等各種指標(biāo)的濃度和分布等信息進(jìn)行反演。

3.2 葉綠素a高光譜數(shù)據(jù)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(jī)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(shù)據(jù)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(jī)航飛高光譜影像圖和總氮濃度空間分布圖

圖4 無人機(jī)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jī)航飛高光譜影像圖和懸浮物濃度空間分布圖

3.6 水質(zhì)參數(shù)遙感反演驗(yàn)證

在無人機(jī)高光譜遙感水質(zhì)飛行采集的同時(shí)，對同片水域進(jìn)行了水質(zhì)采樣分析。通過高光譜水質(zhì)遙感技術(shù)，反演了相應(yīng)指標(biāo)的濃度值，依據(jù)位點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，對相同位點(diǎn)的指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行了提取，各點(diǎn)位的測定值和反演值見表1。

通過偏差分析表明，各位點(diǎn)的指標(biāo)值平均偏差控制在20%以內(nèi)，偏差分析結(jié)果表明差異在可控范圍。見表2。

表1 原位采樣點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)國標(biāo)法測定值與遙感反演值

4 結(jié) 論

1) 實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比精準(zhǔn)化。通過實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)對遙感反演經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行的驗(yàn)證可見，模型各指標(biāo)偏差在可控范圍內(nèi)。將無人機(jī)載高光譜反演結(jié)果和水質(zhì)常規(guī)檢測結(jié)果比對，水質(zhì)類別評價(jià)一致性較高，高達(dá)80%?？偭缀涂偟獢?shù)據(jù)保持一致性為90%，體現(xiàn)了在湖泊Ⅳ-Ⅴ類水?dāng)?shù)值范圍內(nèi)的一致性。葉綠素a和懸浮物的高光譜結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)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(dá)到了國標(biāo)檢測方法中的高濃度(>20 ug/L)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)報(bào)道的水質(zhì)懸浮物測定的擴(kuò)展不確定度(2 mg/L)[4]。

2) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取的多元化。不僅能夠獲取模型反演得到的水質(zhì)數(shù)據(jù)，還能得到高清化遙感影像，且分辨率較高。除了水質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)果，更能夠直觀感受查看水域狀況。

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

4) 實(shí)現(xiàn)監(jiān)測大范圍的機(jī)動(dòng)化。相較于傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測手段，本文所研究的無人機(jī)載高光譜儀通過模型得到各參數(shù)的數(shù)據(jù)，省掉了繁瑣的野外采樣及實(shí)驗(yàn)檢測過程，具有更省時(shí)、省力、快速、監(jiān)測范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能夠及時(shí)地監(jiān)測水域的最新水質(zhì)狀況。