基于無人機(jī)多光譜遙感圖像信息的水質(zhì)污染監(jiān)測研究

何雄

（遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義 563002）

0 引言

貴州地貌屬于中國西南部高原山地，省內(nèi)地勢西高東低，海拔約1 100 m，植被覆蓋茂密，常年雨水多，境內(nèi)大小河流最終匯入長江和珠江兩大水系。近些年隨著國家對鄉(xiāng)村振興的重視，鄉(xiāng)村用水問題是近年來貴州大力解決的問題，各種大小中型水庫建立解決了山區(qū)農(nóng)民用水難、吃水難的問題。

但是科技的發(fā)展，生活水平的提高，環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提高了老百姓的生活水平，也越來越重視生活質(zhì)量和品質(zhì)，對生活環(huán)境也提出了更高的要求。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展遺留的問題就是在發(fā)展的同時對于環(huán)境保護(hù)的考慮不夠，出現(xiàn)很多都是先污染后治理的問題。貴州河流水庫眾多，改革開放以來，省內(nèi)大多數(shù)區(qū)域大力發(fā)展重工業(yè)，以拉動經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此導(dǎo)致過渡排放的工業(yè)廢水非常多。初期環(huán)保意識薄弱，宣傳教育力度不夠，排放的生活污水流入河流當(dāng)中，導(dǎo)致水質(zhì)被嚴(yán)重污染。很多水庫、河流、湖泊富營養(yǎng)化，浮游藻類瘋狂繁殖，給企業(yè)和國家?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。因此，水污染問題現(xiàn)在已經(jīng)非常嚴(yán)峻，而水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)作為發(fā)現(xiàn)問題的手段，是一項重要監(jiān)測環(huán)節(jié)。

1 無人機(jī)遙感

1.1 無人機(jī)

無人駕駛飛機(jī)，是利用遙控設(shè)備（無線電技術(shù)）和控制程序及控制設(shè)備操縱的不載人飛機(jī)。

與有人駕駛飛機(jī)相比，無人機(jī)靈活性非常高，可以在低空領(lǐng)域靈活飛行，只需要簡單的操作或者航線設(shè)計，而且無人機(jī)的飛行高度低，相對事故風(fēng)險很低。

近幾年無人機(jī)技術(shù)，GPS差分技術(shù)，軟件技術(shù)的發(fā)展，使得以基于后差分處理系統(tǒng)，自動化駕駛航線設(shè)計，長航時，大載重的無人機(jī)技術(shù)越來越成熟，各種新技術(shù)，新手段在不斷的摸索，無人機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。

1.2 遙感技術(shù)

遙感技術(shù)是利用非接觸傳感器去獲取地物信息的一種手段，主要通過光學(xué)、多光譜、高光譜、雷達(dá)、激光等方式被動或者主動的方式獲取地物的光譜信息，通過技術(shù)手段，還原或者模擬光譜信息從而對地物進(jìn)行量測、分析、比較的技術(shù)。

1.3 無人機(jī)遙感技術(shù)

無人機(jī)遙感，是近幾年新起的監(jiān)測手段。主要結(jié)合無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、GPS 差分定位技術(shù)、通訊技術(shù)，自動化、智能化、專業(yè)化完成監(jiān)測。以無人機(jī)搭載環(huán)境監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測將成為環(huán)境監(jiān)測的重要手段。

無人機(jī)遙感一般搭載簡單的單發(fā)相機(jī)或者激光雷達(dá)，進(jìn)行被動或者主動攝影，完成地面信息的采集，通過攝影測量技術(shù)，還原現(xiàn)場模型，從而獲取地形數(shù)據(jù)。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于數(shù)字化成圖，變化監(jiān)測等領(lǐng)域。

而新型的無人機(jī)遙感，可以搭載多光譜成像儀，對特定植被，水域進(jìn)行拍攝，經(jīng)后續(xù)數(shù)據(jù)處理后，對比分析植被的病蟲災(zāi)害、水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量，進(jìn)行監(jiān)測。

2 水質(zhì)監(jiān)測

水質(zhì)監(jiān)測，是對水體中各類污染物的種類、濃度及變化趨勢監(jiān)視和測定，從而評價水質(zhì)污染狀況的一種技術(shù)。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測是在水資源范圍內(nèi)，修建監(jiān)測站，通過不斷提取采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)專業(yè)的設(shè)備分析后，得出分析結(jié)果。該手段投入的設(shè)備繁多，前期投入非常大，而且在實際操作過程中，靠監(jiān)測站只能就近采樣，對于監(jiān)測站附近的水質(zhì)監(jiān)測非常準(zhǔn)確，但是離開這個范圍的水質(zhì)就無法監(jiān)測到了。人工采樣，對人員經(jīng)驗判斷考驗非常大，采樣的位置，采樣的水質(zhì)及對樣本的保護(hù)都非常關(guān)鍵，而且人員投入也大，不可控因素多，操作非常不方便。以無人機(jī)為平臺搭載多光譜傳感器作業(yè)方式，可以彌補這些短板，全方位方便快捷獲取全區(qū)域的遙感影像資料，效率快捷，實時性高，利用該技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測意義重大。

3 飲用水源水質(zhì)監(jiān)測

2021年7月，選擇飛馬D2000搭載多光譜航攝儀對遵義某重要水源水庫建有水質(zhì)監(jiān)測站的一段進(jìn)行無人機(jī)多光譜航攝。該水庫為遵義市重要水源水庫，水質(zhì)質(zhì)量直接影像老百姓的飲水質(zhì)量，也是遵義市重點監(jiān)測的水源水庫。

為了保證監(jiān)測質(zhì)量，航高選擇100 m，當(dāng)?shù)氐匦蜗拗?，高度無法再降低。

此次根據(jù)遙感定量反演出水色指數(shù)共9 項。其中包括葉綠素a濃度、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、富營養(yǎng)化指數(shù)、顏色指數(shù)等。現(xiàn)對以上參數(shù)進(jìn)行說明。

3.1 葉綠素a濃度

水中浮游生物、初級生產(chǎn)力和水體富營養(yǎng)化程度影響著水體葉綠素a濃度含量，從而引起高光譜成像光譜上反射率的變化?；趯θ~綠素a 濃度敏感的反射率光譜或吸收光譜以及光譜指數(shù)，探索其與葉綠素a 濃度之間的定量關(guān)系，估算影像中葉綠素a濃度的含量。

從反演結(jié)果來看，整體上葉綠素a濃度整體偏低（圖1中黃色1.04～2，淺綠色0.95～1.04，綠色-4.44～0.95），表明整體水質(zhì)偏好。將葉綠素a 濃度分為三個等級：小于0.95 ug/L、小于1.04 ug/L、小于2 ug/L。

圖1 葉綠素a濃度圖

3.2 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

水體營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)是建立營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的目的是識別或評價水體的富營養(yǎng)化，是評估水體中用于植物、動物、浮游生物生存的營養(yǎng)物質(zhì)的指標(biāo)。富營養(yǎng)化的最重要特征是水體水生生物群落中的生產(chǎn)性有機(jī)體遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過消費性有機(jī)體這種明顯的不平衡，一般分為貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)和富營養(yǎng)三種類型。該指數(shù)是通過間接估算水體葉綠素a 濃度的方式進(jìn)行營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計算，從而間接建立水體營養(yǎng)狀態(tài)與水體光譜反射率之間的關(guān)系。水質(zhì)整體偏好，故水體的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)偏低。

3.3 水體富營養(yǎng)化指數(shù)

水體富營養(yǎng)化指數(shù)原理同上，區(qū)別在于此次用的水體富營養(yǎng)化指數(shù)，只是單純的NDVI 指數(shù)的比對。沒有代入葉綠素a濃度。計算NDVI，區(qū)分正常水體與富營養(yǎng)化水體，確定不同程度富營養(yǎng)化的指數(shù)閾值。

水質(zhì)整體較好，為了基于一期影像同期對比，可將水體分為三個等級。小于-0.20的為水質(zhì)優(yōu)秀、大于-0.20小于0的為水質(zhì)一般，小于1的為較差水質(zhì)。

3.4 總磷

水中的總磷含量是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，總磷的定義是水中各種有機(jī)氮的總量。在葉綠素a影像上，水體內(nèi)生化成分的改變，使得對總磷生化成分敏感的波段位置的葉綠素值出現(xiàn)波動，曲線上的差異增大?；趯α姿亟M分敏感的葉綠素值變化特征，探索葉綠素a 濃度與磷含量之間的定量關(guān)系，估算影像中總磷的含量。

此次反演出的磷的總量在0～0.16 mg/L，總體水質(zhì)較好。這個總磷量整體控制較好，保證了水質(zhì)微生物群安全。

3.5 總氮

水中的總氮含量是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，總氮的定義是水中各種形態(tài)無機(jī)和有機(jī)氮的總量。在葉綠素a影像上，水體內(nèi)生化成分的改變，使得對總氮生化成分敏感的波段位置上的葉綠素值出現(xiàn)波動，曲線上的差異增大?；趯Φ亟M分敏感的葉綠素值變化特征，探索葉綠素a濃度與氮含量之間的定量關(guān)系，估算影像中總氮的含量。整體反演出總氮含量控制在0～0.89 mg/L，趨于正常水平。

3.6 顏色指數(shù)

水體顏色指數(shù)即水色指數(shù)。水色指數(shù)是傳統(tǒng)水體光學(xué)性質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)之一，水色指的是水的顏色?；诟ＨR爾比色表將自然水體顏色劃分為21個顏色級別。色級標(biāo)準(zhǔn)是藍(lán)色、黃色、褐色三種溶液按一定比例配置21 種顏色，數(shù)值越小水色越高。就直觀而言，數(shù)值大小決定了看到水是否清澈，是否蔚藍(lán)。水色指數(shù)是建立水體反色率與水體顏色之間的關(guān)系，水體顏色與水質(zhì)參數(shù)變化密切相關(guān)，從而反映水質(zhì)參數(shù)變化，是水體顏色重要的監(jiān)測依據(jù)?？梢钥闯鏊w呈現(xiàn)兩種顏色，水質(zhì)整體較好。

3.7 水體透明度

透明度作為水質(zhì)參數(shù)的重要指標(biāo)，其濃度不同，在高光譜影像上的反射率差異明顯?；趯ν该鞫葷舛让舾械姆瓷渎使庾V或吸收光譜以及光譜指數(shù)，探索其與透明度濃度之間的定量關(guān)系，估算影像中水體透明度濃度的含量。從定量反演結(jié)果來看，整體水質(zhì)透明度較好，水體清澈。

3.8 生化需氧量

生化需氧量（BOD5）是指表示水中有機(jī)化合物等需氧物質(zhì)含量的一個綜合指標(biāo)。在葉綠素a影像上，水體內(nèi)生化成分的改變，使得對生化需氧量敏感的波段位置上的葉綠素值出現(xiàn)波動，曲線上的差異增大?；趯ι柩趿棵舾械娜~綠素值變化特征，探索葉綠素a 濃度與生化需氧量之間的定量關(guān)系，估算影像中生化需氧量。

數(shù)值越大代表需氧量越大，定量反演結(jié)果整體在0～3.80 mg/L，需氧量較少，水質(zhì)參數(shù)較好。

3.9 高錳酸鹽指數(shù)

高錳酸鹽指數(shù)（CDOMn）是測定地表水中還原性污染物的主要指標(biāo)。在葉綠素a 影像上，水體內(nèi)生化成分的改變，使得對高錳酸鹽指數(shù)敏感的波段位置上的葉綠素值出現(xiàn)波動，曲線上的差異增大?；趯Ω咤i酸鹽指數(shù)敏感的葉綠素值變化特征，探索葉綠素a 濃度與高錳酸鹽指數(shù)之間的定量關(guān)系，估算影像中高錳酸鹽指數(shù)。

如圖2遙感定量反演出的高錳酸鹽指數(shù)整體控制在0.40～5.56 mg/L，指數(shù)正常范圍。

圖2 高錳酸鹽指數(shù)圖

上述所分析結(jié)果與水質(zhì)監(jiān)測站數(shù)據(jù)對比，結(jié)果均與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相吻合。

雖然結(jié)論來看較為準(zhǔn)確，但是數(shù)據(jù)還是存在如下問題：①噪點多，對于多光譜數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)特點應(yīng)該是連續(xù)的，不應(yīng)該出現(xiàn)細(xì)小顆粒；②邊緣區(qū)域數(shù)據(jù)判斷不夠準(zhǔn)確，這個有可能是本身水源邊緣由于起風(fēng)導(dǎo)致水浪拍擊水源邊緣水質(zhì)混濁導(dǎo)致，也有可能是航拍邊緣質(zhì)量不過關(guān)，需進(jìn)一步驗證。

4 結(jié)語

利用無人機(jī)搭載多光譜傳感器的新型技術(shù)，就目前熱點水質(zhì)量，水環(huán)境問題，進(jìn)行初步實驗，利用無人機(jī)影像具有實時性，較衛(wèi)星影像有分辨率高的特點，通過反演模型，實現(xiàn)了對研究區(qū)域葉綠素a、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、富營養(yǎng)化、總磷、總氮、顏色指數(shù)、水體透明度、生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)9 種水質(zhì)參數(shù)分析，通過與實測數(shù)據(jù)對比，得出無人機(jī)遙感可以較為準(zhǔn)確的反應(yīng)研究區(qū)域水質(zhì)污染情況，從而確認(rèn)無人機(jī)遙感技術(shù)在水源監(jiān)測領(lǐng)域的可行性。