水體溫度無(wú)人機(jī)熱紅外遙感監(jiān)測(cè)研究
——以遼河七星濕地為例

張永紅 李諾

（遼寧省生態(tài)環(huán)境保護(hù)科技中心，遼寧沈陽(yáng) 110161）

1 引言

水體溫度（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“水溫”）是水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。水溫與水的物理和化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，水中揮發(fā)性物質(zhì)、溶解性氣體、水生生物和微生物活動(dòng)、化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)速度及鹽度、礦化度、電導(dǎo)率、pH 等都受水溫變化的影響［1］。水溫升高會(huì)使水中的溶解氧減少，水體處于缺氧狀態(tài)，造成部分水生生物種群改變或死亡，還可使厭氧菌大量繁殖，有機(jī)物腐敗加重，從而影響環(huán)境和生態(tài)平衡。此外，水溫上升還給一些致病微生物提供人工溫床，使它們得以滋生、泛濫，引起疾病流行，危害人類(lèi)健康。水溫不僅影響農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、水產(chǎn)業(yè)和水生生態(tài)環(huán)境，而且還間接影響人體健康。因此，水溫被GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》列為基本監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一［2］。

中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 13195—91《水質(zhì) 水溫的測(cè)定溫度計(jì)或顛倒溫度計(jì)測(cè)定法》中規(guī)定用水溫計(jì)或顛倒溫度計(jì)測(cè)定水溫［3］，該方法適用于井水、江河水、湖泊和水庫(kù)水以及海水水溫的測(cè)定，但其只能獲取水體中若干采樣點(diǎn)位的溫度，無(wú)法滿(mǎn)足大面積實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體表面溫度的需要。熱紅外遙感技術(shù)利用星載或機(jī)載傳感器收集、記錄地物的熱紅外信息，并利用熱紅外信息來(lái)識(shí)別地物和反演地物表面溫度［1］。采用熱紅外遙感能快速、準(zhǔn)確地獲得大面積溫度圖像，調(diào)查水體表面溫度分布狀況和面積，研究水體污染程度和時(shí)空變化規(guī)律，分析溫度場(chǎng)和環(huán)境諸因素的關(guān)系。目前熱紅外遙感已經(jīng)形成了航空航天等多平臺(tái)的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外很多衛(wèi)星遙感系統(tǒng)都設(shè)置有熱紅外波段，研究人員也提出了一些基于衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)的比較成熟的地物溫度反演模型，但是衛(wèi)星熱紅外遙感數(shù)據(jù)受大氣影響較大，用其進(jìn)行溫度反演一般需要對(duì)熱紅外影像進(jìn)行大氣校正，過(guò)程較為復(fù)雜，有一定的技術(shù)難度。利用無(wú)人機(jī)搭載高靈敏度熱紅外成像儀獲取熱紅外影像，其飛行高度低，受大氣影響小，可不進(jìn)行復(fù)雜的大氣糾正，直接從熱紅外影像上讀取或者測(cè)量地表溫度，可以有效提高水溫監(jiān)測(cè)效率。

本文利用無(wú)人機(jī)搭載Flir 熱紅外成像儀，在遼河流域七星濕地公園內(nèi)的部分水域獲取了熱紅外影像數(shù)據(jù)，通過(guò)分析Flir 熱紅外影像格式，對(duì)其進(jìn)行處理，拼接、制作了該區(qū)域的溫度分布柵格影像。

2 研究區(qū)域

遼河七星濕地公園是沈陽(yáng)市內(nèi)最大的人工濕地公園，坐落在沈陽(yáng)市沈北新區(qū)內(nèi)，位于遼河?xùn)|側(cè)支流萬(wàn)泉河上，與石佛寺水庫(kù)相鄰，濕地面積為560.38 hm2，其中河流濕地375.45 hm2。該公園內(nèi)部分水域附近有較大空地可供無(wú)人機(jī)起飛和降落，水域岸邊地勢(shì)開(kāi)闊，適合無(wú)人船入水進(jìn)行采樣，進(jìn)行無(wú)人機(jī)熱紅外遙感監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)比較理想。

3 熱紅外無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)搭建

3.1 無(wú)人機(jī)選型

目前民用領(lǐng)域常用的無(wú)人機(jī)分為固定翼型和多旋翼型。固定翼無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定、載荷大、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，適用于較大面積區(qū)域的監(jiān)測(cè)，但是其起降不方便，一般為滑跑起飛或彈射起飛，需要跑道或者較大空地；多旋翼無(wú)人機(jī)起降靈活，無(wú)需專(zhuān)門(mén)場(chǎng)地，可空中懸停，但是其續(xù)航時(shí)間稍短。本文由于需要進(jìn)行懸停拍攝，選用大疆公司M300 型多旋翼無(wú)人機(jī)作為遙感平臺(tái)。多旋翼無(wú)人機(jī)見(jiàn)圖1。

圖1 多旋翼無(wú)人機(jī)

3.2 熱紅外成像儀

本文采用Flir 公司的T660 熱紅外成像儀作為遙感傳感器。該儀器的熱靈敏度和熱紅外影像的分辨率較市場(chǎng)上同類(lèi)產(chǎn)品有較大優(yōu)勢(shì)，內(nèi)置了GPS 定位系統(tǒng)，可按照一定的時(shí)間間隔自動(dòng)獲取熱紅外遙感數(shù)據(jù)，對(duì)熱紅外影像的地理定位和拼接有較大幫助。熱紅外成像儀見(jiàn)圖2。

圖2 熱紅外成像儀

熱紅外成像儀的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 熱紅外成像儀的主要參數(shù)

4 數(shù)據(jù)獲取與處理

4.1 數(shù)據(jù)獲取

利用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載Flir T660 熱紅外成像儀，將熱紅外成像儀的的自動(dòng)拍照間隔設(shè)置為15 s，將無(wú)人機(jī)設(shè)置為手動(dòng)遙控模式，遙控?zé)o人機(jī)按一定航線進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，共獲取熱紅外影像78 張。

4.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

Flir T660 所獲取的熱紅外影像為假彩色影像，不同影像中相同數(shù)值的像素代表的溫度并不相同，影像上疊加了圖例、廠標(biāo)、中心點(diǎn)溫度等信息，利用Flir 公司的處理軟件Flir Tools＋無(wú)法對(duì)水域的熱紅外影像進(jìn)行有效拼接，為了獲取整個(gè)區(qū)域拼接好的溫度分布柵格數(shù)據(jù)，需要采取直接地理定位的方式對(duì)影像進(jìn)行地理配準(zhǔn)。原始影像存為假彩色影像，且存在干擾信息，因此需要對(duì)熱紅外影像進(jìn)行預(yù)處理，即提取影像的原始DN 值和提取存儲(chǔ)在影像頭信息中的普朗克常數(shù)。單張F(tuán)lir 熱紅外影像見(jiàn)圖3。

圖3 單張F(tuán)lir 熱紅外影像

利用開(kāi)源圖像信息提取軟件Exiftool 和開(kāi)源圖像轉(zhuǎn)換軟件ImageMagick 對(duì)Flir T660 熱紅外成像儀獲取的熱紅外影像進(jìn)行處理，這兩個(gè)軟件都采用命令行操作方式。安裝好Exiftool 和ImageMagick 軟件后，在Windows 命令行窗口輸入以下語(yǔ)句，從Flir 熱像中提取到原始DN 值影像，其中imagename 為原影像，newimagename 為轉(zhuǎn)換后的影像：

exiftool－b－RawThermalImage imagename ｜magickgray：－｜magick－depth 16－endian msb－size 640x480 gray：－newimagename

在Windows 命令行窗口輸入：

exiftool－Flir：all－q imagename

此外，有限元計(jì)算的J積分沿著裂紋厚度呈現(xiàn)中間較大、表面較小的分布特征，這是由于試樣內(nèi)部裂紋更趨于平面應(yīng)變狀態(tài)，裂紋尖端拘束度高，塑性變形小，應(yīng)力集中程度更高；而試樣表面裂紋接近于平面應(yīng)力狀態(tài)，裂紋尖端塑性變形充分，應(yīng)力集中程度相對(duì)較低。J積分在試樣表面的微小上跳，是由于試樣的表面效應(yīng)造成的，在裂紋前沿和自由表面交界的角點(diǎn)，應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)角點(diǎn)奇異性[23,24]。由于角點(diǎn)奇異性與裂紋奇異性的差異，角點(diǎn)處面外應(yīng)變分量很小，角點(diǎn)處平面應(yīng)變狀態(tài)占主導(dǎo)，這也導(dǎo)致了J積分在角點(diǎn)處的微小上跳。

獲取熱紅外影像的頭信息，其中包含了5 個(gè)普朗克參數(shù)，可用來(lái)將影像DN 值換算為溫度值。這5個(gè)常數(shù)為Planck R1，Planck B，Planck F，Planck O，Planck R2，在下面公式中用R1，B，F(xiàn)，O，R2 表示：

B/log｛R1/［R2×（imageDN＋O）］＋F｝×10－273.0×10

利用ImageMagick 或其他圖像處理軟件對(duì)DN值影像逐像素進(jìn)行運(yùn)算，得到溫度值影像。

4.3 影像拼接

無(wú)人機(jī)獲取的影像畫(huà)幅較小，單張影像一般只能覆蓋較小的監(jiān)測(cè)范圍，為了對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行整體研究，需要將所獲取的單張影像進(jìn)行拼接，常規(guī)的攝影測(cè)量軟件一般通過(guò)提取影像重疊區(qū)域的同名點(diǎn)進(jìn)行影像匹配和拼接，但是水域影像的特征比較單一，利用影像匹配方法無(wú)法提取足夠的同名點(diǎn)，導(dǎo)致難以進(jìn)行影像拼接。一種比較適用的處理方法就是利用無(wú)人機(jī)飛控的POS 系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)對(duì)影像進(jìn)行地理定位。POS 系統(tǒng)能夠直接獲得測(cè)圖所需的每張相片6 個(gè)外方位元素，乃至無(wú)需地面控制可直接進(jìn)行航空影像的空間地理定位［4］。POS 系統(tǒng)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)會(huì)記錄相機(jī)拍照時(shí)的地理位置信息（經(jīng)緯度和高度）和飛機(jī)的姿態(tài)參數(shù)（旋偏、俯仰和側(cè)滾），利用這些參數(shù)和熱紅外傳感器的相關(guān)參數(shù)（CMOS 尺寸、影像大小和焦距等）可以粗略估算每張影像覆蓋的實(shí)際范圍，即求出單張影像4 個(gè)角點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)，再利用GIS 相關(guān)工具進(jìn)行幾何糾正，將其從相片坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系，從而實(shí)現(xiàn)多張影像的拼接。

航拍影像的像素坐標(biāo)與地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為［5］：

式中，X 為所求像素點(diǎn)地理X 坐標(biāo)；Y 為所求像素點(diǎn)地理Y 坐標(biāo)；P 為圖像像素點(diǎn)列號(hào)；L 為行號(hào)；A1 為影像數(shù)據(jù)起始參數(shù)左上角起點(diǎn)地理X 坐標(biāo)；A2 為東西方向上每個(gè)像素代表的地理距離；A3 為南北方向旋轉(zhuǎn)參數(shù)；A4 為左上角起點(diǎn)地理Y 坐標(biāo)；A5 為南北方向上每個(gè)像素點(diǎn)代表的地理距離；A6 為東西方向旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

其中，A1 和A4 可以通過(guò)拍照時(shí)的飛機(jī)位置經(jīng)緯度信息獲取，A2 和A5 可以通過(guò)相機(jī)焦距、飛行高度與相機(jī)相關(guān)參數(shù)獲取，具體確定方法如下：

式中，GSD 為影像的地面分辨率，即每個(gè)像素代表的實(shí)際地面距離；H 為航高；a 為相機(jī)像元大??；f 為相機(jī)焦距。

A3 和A6 可以通過(guò)飛行時(shí)的旋偏角獲取。

根據(jù)獲取影像的傳感器信息、無(wú)人機(jī)飛行時(shí)的航行高度、拼接影像的屬性信息和對(duì)應(yīng)的POS 數(shù)據(jù)信息，可以確定影像的坐標(biāo)范圍、分辨率大小，然后通過(guò)以上公式，可以確定任意像素點(diǎn)的地理坐標(biāo)，從而確定待拼接影像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行影像的拼接。本文采用Python 編程語(yǔ)言，利用GDAL，OpenCV 等開(kāi)源軟件庫(kù)開(kāi)發(fā)了影像拼接程序［5］，生成監(jiān)測(cè)區(qū)域人行橋附近的拼接圖，見(jiàn)圖4。

圖4 熱紅外假彩色影像

經(jīng)過(guò)拼接后的影像可在ArcGIS，QGIS 等地理信息軟件中利用圖像信息查詢(xún)工具直接獲取溫度信息。經(jīng)過(guò)對(duì)比，熱紅外溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)溫度差在1 ℃以?xún)?nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用多旋翼無(wú)人機(jī)和Flir T660 熱紅外成像儀，搭建了熱紅外無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)，在遼河七星濕地公園內(nèi)進(jìn)行了水溫遙感監(jiān)測(cè)，對(duì)獲取的熱紅外影像進(jìn)行解析、處理和拼接，生成了監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度分柵格影像，遙感測(cè)溫結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果符合，說(shuō)明利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行水溫監(jiān)測(cè)，可以滿(mǎn)足一般水環(huán)境監(jiān)測(cè)需求，能有效提高水溫監(jiān)測(cè)效率。