【典型案例】多光譜遙感技術助力河道水質定量反演

　　Part 1 項目簡介

　　2023年長光禹辰信息技術與裝備（青島）有限公司與黑龍江省環境科學研究院聯合開展了城鄉河道水質定量遙感的試點項目（以下簡稱“項目”），按計劃獲取三期實驗數據，完成多光譜遙感設備在水環境定性評估與水質參數定量反演技術中的應用性研究。

　　項目一期實驗開展時間為2023年5月，長光禹辰與黑龍江環科院技術人員共同前往黑龍江省某實驗區域內河道獲取無人機多光譜影像、地面高光譜數據和實測水質參數。

　　Part 2 數據采集

　　【1】多光譜數據采集

　　本項目采用M300 RTK+AQ600 Pro多光譜遙感系統進行數據采集，該系統航時可達35min，單架次可執行約4km河道的數據采集工作。具體飛行參數見表1：

　　圖1 多光譜數據采集現場

　　表1 飛行參數

　　【2】地面高光譜數據采集

　　水體高光譜數據采用ASD FieldSpec 4高光譜儀進行采集并與無人機數據獲取同步進行，獲取方式遵循《水體可見光-短波紅外反射率測量》GB_T 36540-2018.采集過程如圖2所示：

　　圖2 高光譜數據采集

　　【3】水樣數據采集

　　河道水樣數據采用延長桿加采水器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，并且與無人機數據同步獲取，采樣過程如圖3所示。本項目測定5種水質指標，分別為氨氮、總氮、高錳酸鹽指數、化學需氧量、透明度，采樣和測定方式均參考國家相關標準。

　　圖3 水樣數據采集

　　Part 3 富營養化和黑臭水識別

　　【1】富營養化分析

　　水體富營養化是指水中營養物質（如氮、磷）過度積累，導致水體中藻類、水生植物大量繁殖的現象。水體富營養化會造成藻類過度生長，破壞水生態系統的平衡，甚至引發水體死亡。通過無人機多光譜遙感技術，結合實測水質參數數據的分析，對本次實驗河道水體富營養化的識別情況如圖4所示。

　　圖4 水體富營養化識別結果

　　由上圖可以看出，該河道不存在富營養化現象，這與地面實測參數和現場感官情況保持一致，無人機多光譜遙感進行水體富營養化識別精度較高。

　　【2】黑臭水體污染分析

　　黑臭水體是指水質污染嚴重、水體顏色異常、散發惡臭的情況。它通常由生活污水、工業廢水和農業排放物等引起，造成環境破壞和健康風險。通過無人機多光譜遙感技術，結合水色與實測水質參數數據的分析，對本次實驗河道黑臭水污染的識別情況如圖5所示。

　　圖5 黑臭水污染識別結果

　　由上圖可以看出，該河道存在嚴重的黑臭現象，與地面實測參數和現場感官情況保持一致，無人機多光譜遙感進行基于水色與濁度的評估精度較高。

　　該河道水體黑臭主要是由農業、畜牧業和生活廢水的排放以及非點源污染物引起的，其次該河道水流速度較慢，加之天氣溫度升高會導致水體溫度升高，從而使水體缺氧的風險增加，缺氧條件下，有機物的降解過程會產生惡臭氣體，加劇黑臭水體的現象。

　　Part 4 水質參數定量反演

　　根據項目采集的水質參數、無人機多光譜影像以及地面高光譜數據，基于目標反射特性及水質參數實測數據進行數據分析，最終構建水質參數與多光譜遙感數據之間的定量關系模型，實現對目標水體的多種水質參數進行定量反演。同時對反演結果采用平均相對誤差（MRE）進行精度評定，計算公式為：

　　部分水質參數的定量反演結果如圖6～圖10所示。

　　精度評定結果見表2.各水質參數的平均相對誤差均在25%以下，可滿足常態化、高頻次的全局水質檢測需求。化學需氧量反演誤差稍大是因為該條河道整體水質情況存在較大的空間異質性，河道不同河段中有機物含量差異較大，而水體化學需氧量與有機物濃度密切相關，所以這種變化較快的梯度可能會引入一定的誤差，模型也有繼續優化的空間。

　　表2 精度評定

　　Part 5 總結

　　根據項目第一期實驗的結果，初步判定無人機多光譜遙感技術在水環境監測與水質參數反演工作中具有較高的行業應用可行性。

　　相較于傳統人工采樣的方法，多光譜遙感技術可以在降低河道水質參數獲取成本的同時，對目標區域進行水質情況全局展示，避免“以點帶面”評定水環境帶來的誤差;與多光譜衛星影像相比，無人機多光譜遙感技術時空分辨率更高;同時相較于高光譜遙感監測，多光譜可以用較小的數據量完成較高精度的水質參數反演，更加快速高效地獲取水體的狀態，為水環境的快速治理和保護提供有力的數據支撐。

　　后續長光禹辰公司將繼續聯合黑龍江環科院進行多區域水體的綜合測試，對無人機多光譜遙感技術在水環境綜合監測的行業應用性進行持續優化。

　　關于我們

　　長光禹辰成立于2017年，是一家由中國科學院長春光機所和青島高新區聯合成立的高新技術企業，公司核心團隊來自長春光機所空間光學部，在光譜遙感、光電探測領域具有深厚的理論基礎和豐富的工程經驗，掌握完整的光譜儀器系統設計、先進的嵌入式視覺開發、復雜場景定量遙感智能調光、高精度自動輻射校正、光譜數據半定量反演及應用等核心技術，形成了以MS200、MS400、MS600、AQ300、AQ600等系列多光譜相機為代表的無人機載光譜遙感硬件產品線，提供Yusense Fly、Wifi Web、DJI Pilot等多種相機參數設置及控制方式，依托Yusense Map/Map Plus光譜數據預處理及分析軟件、Yusense Cloud端云一體化服務平臺，在農業、林業、生態、環保、警用等領域開展了深入的行業應用。公司專注于無人機航空遙感與光電探測領域，持續推出革新的軟硬件產品，落地更豐富的行業應用場景，致力于用技術和產品推動行業進步。