陶慧華 姚雨彤 林文潔

(1.南寧市水資源管理服務(wù)中心，廣西 南寧 530000；2.南寧市水土保持分站，廣西 南寧 530000)

1 概 述

近年來(lái)，由于城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，我國(guó)各大流域尤其是長(zhǎng)江流域河湖水質(zhì)污染嚴(yán)重，河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量嚴(yán)重下降[1-3]。由于河流和湖泊面積廣，且水域范圍內(nèi)難以實(shí)施人工操作，因此，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)河湖水質(zhì)監(jiān)控與河流污染管理具有重要的研究意義[4-5]。

目前，由于無(wú)人機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全方位、多角度航拍及降低人力消耗等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于地貌和水文勘測(cè)水信息工作中。王雅萍等[6]基于無(wú)人機(jī)技術(shù)展開(kāi)了水域影像航拍工作，并基于研究成果提出了一種新的類影像自動(dòng)拼接程序，并進(jìn)一步深入分析了無(wú)人機(jī)技術(shù)及該自動(dòng)拼接技術(shù)在流域水資源監(jiān)測(cè)和應(yīng)急救災(zāi)中的應(yīng)用前景。孟慶志[7]基于無(wú)人機(jī)技術(shù)建立了新型航跡規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，并指出該模型能夠快速生成流域航船最佳可行航跡。

綜上所述，由于技術(shù)限制等因素，現(xiàn)有針對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)的研究很少涉及到河湖水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)工作。本文提出一種 “無(wú)人機(jī)+高光譜成像”協(xié)同技術(shù)，并基于廣西省南寧市青秀區(qū)金沙湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性及需要優(yōu)化的設(shè)置，研究成果為實(shí)現(xiàn)高效水質(zhì)監(jiān)控工作提供了一定思路。

2 研究區(qū)域概況

為研究無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)在河湖水質(zhì)污染監(jiān)控中的應(yīng)用，本次研究選取廣西省南寧市青秀區(qū)金沙湖進(jìn)行。轄區(qū)內(nèi)有邕江、竹排江等多條河流，并形成大大小小上百個(gè)湖泊。然而，由于工業(yè)化迅速發(fā)展，水生態(tài)環(huán)境收到一定的影響，區(qū)域河湖水質(zhì)下降、水生物數(shù)量和多樣性減少。因此，通過(guò)引入無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)，能夠達(dá)到快速、高效、準(zhǔn)確地調(diào)查研究區(qū)域水質(zhì)污染情況的目的，從而因地制宜采取合理的處置措施開(kāi)展水質(zhì)改良工作。

3 無(wú)人機(jī)技術(shù)

3.1 技術(shù)設(shè)備

為探討無(wú)人機(jī)技術(shù)在河湖污染水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，本次研究主要采用了兩種新型設(shè)備，分別為大疆M600 Pro型無(wú)人機(jī)及北京卓立漢光儀器有限公司生產(chǎn)的Gaiasky-mini-VN型高光譜成像儀。大疆M600 Pro型無(wú)人機(jī)的最大飛行速度可達(dá)65km/h，最大飛行高度為2500m,最大可傾斜角度為25°，垂直懸停精度為-0.5～+0.5m。機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)GaiaSky-mini設(shè)備采用集成一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其探測(cè)光譜范圍為400～1000nm，光譜分辨率為3.5nm，光學(xué)傳感器采用CCD Sony ICX285，像素間距為6.45μm，可完美地搭載于M600 Pro和S1000+型無(wú)人機(jī)上。上述設(shè)備能夠較好地配合使用，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)湖面的全面監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖1)。

圖1 無(wú)人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)

3.2 技術(shù)原理

無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)主要工作流程(見(jiàn)圖2)主要包括前期準(zhǔn)備工作、外業(yè)施測(cè)及內(nèi)業(yè)處理。其中，前期準(zhǔn)備工作主要包括區(qū)域定位、氣象條件確定及起降區(qū)域選擇三項(xiàng)，外業(yè)施測(cè)主要包括測(cè)量區(qū)域劃定、航線規(guī)劃、高光譜設(shè)備相機(jī)調(diào)整、信號(hào)覆蓋查詢及飛行作業(yè)，內(nèi)業(yè)處理則是設(shè)計(jì)后期成像及分析工作，主要包括影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型構(gòu)建和導(dǎo)出及成果交付3項(xiàng)工作。

在構(gòu)建流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)模型過(guò)程中，首先需要對(duì)光譜影像進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理需要對(duì)影像進(jìn)行鏡頭校正、背景校正、黑白幀校正、場(chǎng)地校正等工作，之后建立水質(zhì)指標(biāo)集形成水質(zhì)模型并進(jìn)行檢驗(yàn)與最佳模型反演，最后得到流域水質(zhì)參數(shù)空間分布圖。

3.3 采樣點(diǎn)分布

為研究并驗(yàn)證無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)在河湖水體質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用可行性，本次研究在該水域沿湖岸近濱湖公路石埠街道段沿線設(shè)置了5個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)取兩次數(shù)據(jù)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間距離相差約100m(見(jiàn)圖3)。開(kāi)展無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)監(jiān)測(cè)時(shí)，無(wú)人機(jī)飛行高度為100m，影響空間分辨率為4cm。在利用無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)完成數(shù)據(jù)采取后，立即在對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)取水樣并利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定對(duì)應(yīng)點(diǎn)水樣的總氮(TN)、總磷(TP)及渾濁度，以對(duì)無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 流域內(nèi)金沙湖采樣點(diǎn)分布情況

4 研究結(jié)果分析與討論

4.1 水體光譜特征分析

由該湖泊采樣點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)與其對(duì)應(yīng)光譜反射率相關(guān)性分析曲線(見(jiàn)圖4)可知，總氮和渾濁度在各個(gè)波段的反射率相關(guān)性曲線變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)出“減小→增大→減小→增大→平穩(wěn)”的變化趨勢(shì)。此外，水中總氮的相關(guān)性始終高于渾濁度，總氮在500～100nm波段范圍內(nèi)的相關(guān)性系數(shù)在0.75左右，而渾濁度在此波段范圍內(nèi)的相關(guān)系數(shù)僅為0.3左右?？偭着c各波段的反射率呈先正后負(fù)的相關(guān)性變化趨勢(shì)，且其表現(xiàn)出與總氮、渾濁度相關(guān)系數(shù)曲線相反的變化趨勢(shì)?？偭着c反射率的相關(guān)系數(shù)始終處于較低水平，最高相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值亦低于0.4。綜上所述可知，由湖泊采樣點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)與其對(duì)應(yīng)光譜反射率相關(guān)性分析曲線結(jié)果可知，光譜結(jié)果中總氮和渾濁度的相關(guān)性較高而總磷的相關(guān)性低，因此可見(jiàn)，無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)對(duì)總磷的監(jiān)測(cè)效果較差，而對(duì)總氮和渾濁度的監(jiān)測(cè)效果較好。因此，進(jìn)一步選取水質(zhì)參數(shù)總氮和渾濁度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)在檢測(cè)水體總氮和渾濁度中的應(yīng)用效果。

圖4 采樣點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)與其對(duì)應(yīng)光譜反射率相關(guān)系數(shù)曲線

4.2 總氮含量監(jiān)測(cè)結(jié)果

由基于無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)建立的模型得出的總氮預(yù)測(cè)值及實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線(見(jiàn)圖5)可知，水體中總氮的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間具有良好的線性相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)0.94，由此可見(jiàn)，基于無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)建立的流域水質(zhì)模型能夠很好地預(yù)測(cè)區(qū)域水質(zhì)變化規(guī)律。進(jìn)一步觀察到，TN預(yù)測(cè)值—實(shí)測(cè)值擬合曲線的斜率小于1，這表明該模型雖然能夠預(yù)測(cè)水質(zhì)的變化趨勢(shì)，但隨著總氮濃度增大，模型期預(yù)測(cè)效果會(huì)偏低且逐漸向下偏離實(shí)測(cè)值；且當(dāng)實(shí)測(cè)值為0時(shí)，預(yù)測(cè)模型輸出值為0.92。綜上所述，根據(jù)擬合結(jié)果可對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行二次校正，通過(guò)將總氮輸出數(shù)據(jù)結(jié)果用修正系數(shù)α、β進(jìn)行修正可使其預(yù)測(cè)效果更好。根據(jù)曲線擬合結(jié)果，可知修正系數(shù)α=1.136，β=0.92。

圖5 模型總氮預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值結(jié)果對(duì)比

4.3 渾濁度監(jiān)測(cè)結(jié)果

由基于無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)建立的模型得出的渾濁度預(yù)測(cè)值及實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線(見(jiàn)圖6)可知，水體含量中總氮的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間具有較好的線性相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)0.74，由此可見(jiàn)，基于無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)建立的流域水質(zhì)模型能夠很好地預(yù)測(cè)區(qū)域水體渾濁度變化規(guī)律。進(jìn)一步觀察到，渾濁度預(yù)測(cè)值—實(shí)測(cè)值擬合曲線的斜率為1.01，誤差小于1%，這表明該模型能夠很好預(yù)測(cè)水質(zhì)的變化趨勢(shì)，且隨著渾濁度的逐漸增大，模型期預(yù)測(cè)效果能夠較好地同步增大。此外，當(dāng)實(shí)測(cè)值為0時(shí)，預(yù)測(cè)模型輸出值為0.45，流域內(nèi)湖水的水體渾濁度均值在15左右，誤差在3%以內(nèi)。綜上所述，基于無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)建立的模型所輸出的結(jié)果能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)水體內(nèi)渾濁度的變化情況，該技術(shù)對(duì)水體渾濁度具有優(yōu)秀的監(jiān)測(cè)效果，不需要進(jìn)行參數(shù)修正。

圖6 模型渾濁度預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值結(jié)果對(duì)比

4.4 高光譜圖像反演結(jié)果

根據(jù)上述結(jié)果建立反演模型，進(jìn)一步對(duì)高光譜圖像進(jìn)行估算，得到高光譜圖像反演結(jié)果(見(jiàn)圖7)。由圖可知，在沿該濱湖監(jiān)測(cè)線上，湖泊的西部污染程度明顯高于其他部位，其總氮含量在5～6mg/L之間，渾濁度在15～30度之間，且由西往東污染程度呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢(shì)。結(jié)合區(qū)域地圖及實(shí)際情況調(diào)查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)湖泊東部污染程度較高的原因是湖泊東部存在一個(gè)廢水處理廠，且該廢水處理廠處置后的廢水雖基本達(dá)標(biāo)，但其中污染元素的濃度依然較高，因此湖泊東部污染物含量較高。

圖7 基于無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)不同水質(zhì)參數(shù)空間分布

5 結(jié) 論

本文依托廣西省南寧市青秀區(qū)金沙湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)與改善工程，提出一種新的“無(wú)人機(jī)+高光譜成像”協(xié)同技術(shù)，基于該技術(shù)建立了流域水質(zhì)預(yù)測(cè)模型，并基于室內(nèi)污染物檢測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。研究主要成果如下：

a.基于無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)所建立的區(qū)域水質(zhì)預(yù)測(cè)模型與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合程度高，其中，水體總氮預(yù)測(cè)結(jié)果需要進(jìn)一步進(jìn)行修正，水體渾濁度預(yù)測(cè)效果準(zhǔn)確。

b.無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)果反演空間成像效果好，湖泊的西部污染程度明顯高于其他部位，其總氮含量在5～6mg/L之間，渾濁度在15～30度之間，且由西往東污染程度呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢(shì)。