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設(shè)備與工具1?
項目背景
2023年5月，長光禹辰信息技術(shù)與裝備（青島）有限公司在杭州長光產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院的組織下赴杭州市濱江區(qū)開展多光譜水質(zhì)遙感技術(shù)測試。本次測試經(jīng)過實地采樣、空地數(shù)據(jù)耦合、水質(zhì)參數(shù)反演等一系列技術(shù)處理，實現(xiàn)對廣域的水環(huán)境定量反演，打破傳統(tǒng)“以點代面”的監(jiān)測方式，為河道水環(huán)境監(jiān)測和水生態(tài)質(zhì)量研究提供了科學(xué)的參考，為行業(yè)提供了除傳統(tǒng)電化學(xué)等監(jiān)測技術(shù)以外的新一種水質(zhì)監(jiān)測解決方案。同時公司力爭通過接下來的幾輪測試，進一步積累水質(zhì)數(shù)據(jù)、優(yōu)化技術(shù)方案，為基層環(huán)保監(jiān)測與治理提供數(shù)據(jù)支撐，助力地方經(jīng)濟健康、可持續(xù)發(fā)展。
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數(shù)據(jù)采集
【1】多光譜影像數(shù)據(jù)
本項目采用M300 RTK+AQ600 Pro無人機載多光譜遙感系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)航時可達35min，單架次可執(zhí)行約5km河道的數(shù)據(jù)采集工作。
圖1 M300 RTK+AQ600 Pro多光譜遙感系統(tǒng)
本次2條河道（以河道1、河道2命名，下同）飛行分別采用帶狀航線，河道1飛行時間5min，共采集0.8km河道；河道2飛行時間12min，共采集2.4km河道。
表1 飛行參數(shù)
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【2】水樣數(shù)據(jù)獲取
水樣數(shù)據(jù)采用繩索加采水器拋擲沉沒取樣的方式進行獲取，每次取樣深度在表層水面下0.5m處，并且與無人機數(shù)據(jù)同步獲取，后進行實驗室檢測。
圖2 水樣采集
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數(shù)據(jù)處理
使用長光禹辰自主研發(fā)的數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件Yusense Map對多光譜原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，經(jīng)過 波段配準-拼接-反射率校正 三個步驟，最終生成兩個河道的多光譜正射影像DOM。
圖3 河道真彩色影像
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水體質(zhì)量評估
【1】富營養(yǎng)化分析
河道水體的富營養(yǎng)化是一個普遍存在的問題。無人機載多光譜遙感可基于水體中葉綠素a、溶解有機物的濃度等要素的相對分布趨勢，輔助判斷水體是否存在富營養(yǎng)化的問題。
長光禹辰自主研發(fā)的行業(yè)應(yīng)用軟件Yusense Map Plus的河道生態(tài)中的水體富營養(yǎng)化分析模塊，可以對拼接的TIFF影像進行河道水體富營養(yǎng)化程度的分析，并且可以一鍵導(dǎo)出河道水面線、河道富營養(yǎng)化柵格文件和河道富營養(yǎng)化專題圖等多種成果。
圖4 富營養(yǎng)化監(jiān)測專題圖（左右滑動查看更多）本次項目中河道1的水質(zhì)情況較好，基本不存在富營養(yǎng)化情況，僅有少量岸線樹蔭影響邊緣水體反射信號而出現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化現(xiàn)象；河道2整體存在輕度富營養(yǎng)化現(xiàn)象，主要是受到周圍植被生長和人類活動的影響，致使河道水體有機物與葉綠素含量升高。
【2】黑臭水體污染分析
黑臭水是指由于有機物的堆積和腐爛而導(dǎo)致的水體異味和變黑的現(xiàn)象。無人機載多光譜遙感主要基于水體色度、濁度等指標的差異，輔助判斷水體是否存在黑臭水污染問題。使用長光禹辰自主研發(fā)的行業(yè)應(yīng)用軟件Yusense Map Plus的河道生態(tài)中的黑臭水污染分析模塊，可以對拼接的TIFF影像進行河道黑臭水污染的分析，并且可以一鍵導(dǎo)出河道水面線、河道黑臭水污染柵格文件和河道黑臭水污染專題圖等多種成果。
圖5 黑臭水體監(jiān)測專題圖（左右滑動查看更多）
本次項目中河道1和河道2均不存在黑臭水污染現(xiàn)象的發(fā)生，這與我們實地采集水樣的實驗室測定情況保持一致，說明在全國黑臭水污染治理的大背景下，各地區(qū)針對黑臭水體的治理效果是非常顯著的。
5?
水質(zhì)參數(shù)定量反演
水質(zhì)參數(shù)定量反演是一種通過分析水樣中的特定水質(zhì)參數(shù)，如總氮、總磷等，利用光譜分析和數(shù)學(xué)建模等數(shù)據(jù)處理技術(shù)來估算水體水質(zhì)參數(shù)含量的方法。
本項目對河道1和河道2的總氮、總磷、氨氮、溶解氧、高錳酸鹽、葉綠素a等6項常用水質(zhì)參數(shù)進行定量反演。反演過程中，首先分析采樣點水體的光譜特征與實測數(shù)值之間的耦合結(jié)果，并提取出特征波段或特征指數(shù)，之后使用光譜特征差異與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類結(jié)合的方法構(gòu)建反演模型，最后將最優(yōu)模型應(yīng)用于全局河道水體進行水質(zhì)參數(shù)反演。以下組圖展示結(jié)果為河道1、河道2各水質(zhì)參數(shù)的空間分布狀態(tài)與數(shù)值誤差。
圖6 多種水質(zhì)參數(shù)進行定量反演（左右滑動查看更多圖片）
各水質(zhì)參數(shù)的反演結(jié)果精度評價參考實驗室化學(xué)標準，即以水質(zhì)實測數(shù)值（折線圖中樣本值折線）為基準，對用于驗證的數(shù)據(jù)集進行相對誤差評定，結(jié)果如表2所示。
表2 精度評價
采用多光譜進行水質(zhì)參數(shù)定量反演誤差普遍＜20%，其中總磷、氨氮兩項指標相對誤差較大?？偭灼钶^大原因主要為水體內(nèi)總磷含量較低，波動性小，對遙感建模的樣本覆蓋度不足；氨氮誤差較大主要原因為樣本數(shù)值分布集中且跳躍式分布，受單點數(shù)值變化與測量精度影響較大。
相較于高光譜遙感水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)，在測量精度貼合相關(guān)部門進行的水環(huán)境常態(tài)化巡查與監(jiān)測工作要求的前提下，多光譜使用更低的成本與更小的數(shù)據(jù)量即可滿足常用水質(zhì)參數(shù)的行業(yè)應(yīng)用，為水環(huán)境狀態(tài)準確評估與水域水質(zhì)參數(shù)的時空變化提供有力的支持。本次項目經(jīng)與杭州濱江區(qū)相關(guān)部門匯報溝通，目前使用多光譜遙感進行水質(zhì)參數(shù)反演不僅可以一定程度降低水樣采集成本，同時反演精度可以滿足日常對水環(huán)境調(diào)查與評估的需求。
6?
項目總結(jié)
無人機多光譜遙感技術(shù)，可以獲取大范圍、連續(xù)性的影像，覆蓋場景包括河道、航道、湖庫、岸線、水源地等水域充沛的場景。除進行水體富營養(yǎng)化與黑臭水體污染的相對趨勢評估輔助水環(huán)境監(jiān)測外，通過構(gòu)建相關(guān)水質(zhì)參數(shù)的定量反演模型，可以實現(xiàn)對多尺度水體的定量反演，避免傳統(tǒng)“以點代面”的監(jiān)測方式，同時也可達到對水質(zhì)參數(shù)的全局監(jiān)測和預(yù)警效果，相關(guān)成果可為環(huán)保部門水環(huán)境治理提供參考信息，也為水環(huán)境治理提供新的技術(shù)手段。
長光禹辰成立于2017年，是一家由中國科學(xué)院長春光機所和青島高新區(qū)聯(lián)合成立的高新技術(shù)企業(yè)，公司核心團隊來自長春光機所空間光學(xué)部，在光譜遙感、光電探測領(lǐng)域具有深厚的理論基礎(chǔ)和豐富的工程經(jīng)驗，掌握完整的光譜儀器系統(tǒng)設(shè)計、先進的嵌入式視覺開發(fā)、復(fù)雜場景定量遙感智能調(diào)光、高精度自動輻射校正、光譜數(shù)據(jù)半定量反演及應(yīng)用等核心技術(shù)，形成了以MS200、MS400、MS600、AQ600等系列多光譜相機為代表的無人機載光譜遙感硬件產(chǎn)品線、以Yusense Map/Map Plus為依托的光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理及分析軟件和以Yusense Cloud為依托的端云一體化服務(wù)平臺，并在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生態(tài)、環(huán)保、警用等領(lǐng)域開展了深入的行業(yè)應(yīng)用。公司專注于無人機航空遙感與光電探測領(lǐng)域，持續(xù)推出革新的軟硬件產(chǎn)品，落地更豐富的行業(yè)應(yīng)用場景，致力于用技術(shù)和產(chǎn)品推動行業(yè)進步。
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