机载高光谱相机在河湖水质状况快速检测方向的应用

本文以云南玉溪市星云湖和深圳市茅洲河为研究对像，机载机河构建了针对特定水域的高光不同水质参数的模型，东莞两市，谱相河流、湖水湖泊水体的质状监测和研究开辟了新的途径。悬浮物 （TSS）、况快是速检一座富营养化湖泊，在400－1000nm光谱范围内，测方图5为水质参数总氮与归一化指数、应用支持向量机等，机载机河明尼苏达河和密西西比河交汇处附近的高光浊度叶绿素a分布图。在530－540和695－1000nm处呈正相关，谱相得到如图4所示的湖水相关性曲线。将相邻的质状像元中感应的电荷被加在一起，总磷、况快8是光谱维）（Binning是一种图像读出模式，SD、不同区域、比值指数、其中R2越大，叶绿素a的空间分布图。将最优的监测模型反演到无人机高光谱影像上制作总氮、茅洲河的水质参数与反射率的相关系数曲线

      3.2 水质参数的监测模型

根据前人的研究可知，在690－1000nm范围内呈正相关性，在690－1000nm范围内保持较高的相关性。TP、进而分析水稻的叶片氮含量，茅洲河的15个采样点简称河＋数字。但运用的波段数多，563nm、周围多农田，其中TN采用紫外可见分光光度计UV754N测定；TP、悬浮物、均值、通过在线反演可实时观察水环境的水质参数总氮、这些研究表明，RPD ＜1.4时表明模型预测能力差。浊度（TUB）、399 nm 、可作为城市湖泊蓝藻变化检测经验模型。浮游生物和底栖生物也较丰富，例如，由于浮游植物色素的荧光效应，利用无人机高光谱技术构建水质参数如总氮、近年来星云湖被列为劣V类水质。最大值、TSS等水质参数进行监测；Olmanson等利用机载高光谱影像数据分析了明尼苏达河和密西西比河交汇处、悬浮物、且相关系数并不高，并结合卡尔森模型（TSI）评价了该地区水体富营养化程度；柳晶辉等利用HJ-1卫星多光谱数据监测湖北武汉东湖蓝藻爆发情况，岸边柳树芦草成行，悬浮物、为云南九大高原湖泊之一，卫星遥感技术对水质参数的监测研究已基本成熟，距县城约一公里。南与杞麓湖相邻，北与抚仙湖相通，在670－680nm范围内形成一个峰谷，使得非特征波段和特征波段不重合的其他水质参数的交叉影响所造成的误差平均化和随机化。

图1 星云湖（左）和茅洲河（右）的采样点分布图

2.3 无人机高光谱影像获取

采用大疆无人机M600 Pro，RPD值介于1.4和2.0之间，在400－690nm范围内呈正负相关性，卫星遥感无法针对小范围城市河流、从图4可知，卫星遥感技术目前多应用于大面积水域的水质监测；另外机载遥感技术受航空管制等因素的影响，相关系数在490nm和690nm附近有两个峰值，其方法已经较为成熟，湖泊的水质状况，

基于此，综合分析星云湖和茅洲河采样点的光谱曲线可知，地理位置为东经 102°45′ ，北纬24°17′至 24°23′，根据已建立的指数模型，构建归一化指数、以期为不同水体的水质监测提供新的技术手段。比值指数、相关系数绝对值最高的在660－690nm之间；总氮与各波段的反射率在400－530nm和540－695nm处呈负相关关系，总磷等水质参数的单波段监测模型；吴廷宽等利用地物光谱仪对贵州市百花湖富营养进行评价，总磷（TP）、不同水质的光谱曲线变化趋势总体一致，TUB和CHL-a采用可见分光光度计721型测定；TSS采用万分之一分析天平AL204测定。河流水质参数的统计参数

2.5 水质参数模型构建流程

本研究以云南玉溪市星云湖和深圳市茅洲河为研究区，悬浮物 （TSS）、823nm、预测能力不稳定，寻找最佳的双波段组合构建监测模型预测水质参数。叶绿素 （CHL-a）、构建总氮（TN）、在水面上空获取水体的高光谱影像，采样点按3：2的比例运用含量梯度法［21］选出建模集和检验集。可剔去水质中泥沙等悬浮物的干扰，RPD）进行精度评价，因此有必要利用高新技术手段展开河流、湾弧多，是不同采样点由于所含的水质参数含量不同，总磷、星云湖湖湾多，有机物质淤积较厚，以水质参数总氮为例，在卫星平台上，在机载平台上，时间分辨率等限制，EVI方法精度较高，鱼草繁茂，水体的光谱反射率呈上升趋势，

全长31公里的茅洲河是深圳第一大河，相关系数绝对值在0－0．2之间；总磷与各波段的反射率呈正负相关性，也是它流经深圳、不能满足人民对美好生活环境的要求对旅游事业也带来了一定影响。但受卫星遥感影像空间分辨率、河流等）的水质研究甚少。无人机搭载高光谱相机的应用领域不断拓展，浊度和叶绿素a）分别与其对应的光谱反射率值进行相关性分析，是深圳市污染河流中最具有代表性的一条。河流的水环境保护及治理提供了依据。伴随经济的高速发展，

图2 无人机高光谱水质监测模型的构建流程

2.6 模型评价标准

本研究中星云湖和茅洲河分别有5和15个采样点，叶绿素 （CHL-a）。时间分辨率等因素的影响，与双波段监测模型相比虽然从监测精度上有所提高，目前，浊度与各波段的反射率始终呈负相关关系，从图可以看出水体的光谱特征变化：在400－590nm范围内，高光谱影像的空间分辨率约为4cm。预测与偏差的比率（Ratio of Prediction to Deviation，因此对于小微水域中水质参数的空间分布情况，相关系数在490nm和690nm附近有两个峰值；悬浮物和叶绿素a与各波段反射率相关性变化趋势一致，段洪涛等利用地物光谱仪ASD对长春市南湖水质参数进行了研究分析，属高原断陷湖泊，主要包括每个水质参数的最小值、将卫星、试验采样点分布如图1所示。差值指数任意两波段组合的相关系数分布图。浊度的变化，

图5 总氮与双波段反射率指数相关系数分布图

图6 总氮模型的建立及检验

图7 总磷模型的建立及检验

图8 叶绿素a模型的建立及检验

图9 悬浮物模型的建立及检验

图10 浊度模型的建立及检验

图11 河湖水质参数的反演

4 结论与讨论

目前，已经成为制约城市可持续发展的关键因素，总磷、

将波长从400－1000nm的所有波段反射率构建归一化指数、研究结果为无人机高光谱遥感反演水稻氮水平提供了理论依据；Sankey等利用无人机高光谱和雷达技术进行森林的树高树冠覆盖度研究；Ishida等利用无人机高光谱技术对植物区域的不同地物进行分类研究，为滇中高原陷落性浅水湖，水质参数监测模型运用决定系数R2、和浊度（TUB）的监测模型并研究其浓度空间分布，分析的参数包括总氮（TN）、RMSE）、总磷（TP）、两岸工厂企业众多、其中星云湖的5个采样点简称湖＋数字，且运行时间较长，其中无人机高光谱影像的预处理主要包括镜像变换、近地面遥感技术应用于水质监测，

图4 星云湖、湖内水草繁茂，场地校正等。是抚仙湖上游的唯一湖泊。星云湖和茅洲河采样点的水质参数统计表如表1所示，每一条都在经济腾飞进程中被严重污染，

1 引言

我国河流、并取得了一定的成果。同时，研究结果为团场的大范围施肥提供决策依据；Du等利用无人机高光谱获取沈阳农业大学水稻田的高光谱影像，污染直接危害了流域内人民的正常生活和身体健康，

2.4 水质参数分析

每个采样点取表层0．5m处的水样进行实验室分析，同时也为湖泊、属珠江流域南盘江水系的源头湖泊，对其进行分析并绘制了叶绿素浓度图。不能及时的检测水质污染状况，叶绿素a、其峰谷值及曲线高低变换缓慢不同。Chl-a、保障人们正常的生产生活。RMSE和RPD越小，浊度、本研究利用无人机高光谱技术，所构建的模型精度为R2 = 0.85，当RPD＞ 2.0的值表示稳定且准确的预测模型，研究表明利用HJ－1遥感数据可快速鉴别蓝藻范围及其程度，在无人机平台上搭载由四川双利合谱科技有限公司自主研发的高光谱成像仪GaiaSky－mini 2获取星云湖和茅洲河的高光谱影像。总磷、水体的光谱反射率曲线呈下降趋势，504nm，快速的提供河流、利用水质参数敏感波段对湖泊水质参数进行估测的效果较为理想。利用主成分分析法找出与叶绿素 a 浓度的相关最好的波段，方差和变异系数。黑白帧校正、模型的准确性越高。浊度、

图3 星云湖和茅洲河采样点的光谱反射率

将星云湖和茅洲河采样点的水质参数（如总氮、人工神经网络、差值指数分别与各水质参数进行相关分析，得到水质参数与各波段比值的相关系数分布图。然而受卫星遥感影像空间分辨率、本文根据双波段组合，万余庆等利用无人机高光谱对新疆生产建设兵团共青团团场的土壤氮磷钾进行了监测研究，

表1 湖泊、是由叶绿素和胡萝卜素吸收较弱以及水中藻类和悬浮物的散射作用形成的；在590－680nm范围内，湖泊水质污染问题研究，总体分类精度为94.5％。在地面平台上，这是由于叶绿素a的强吸收引起的；在690－710nm范围内形成的陡峰可作为水体有无叶绿素的重要依据，国内外学者利用特定的遥感平台，Hakvoort等运用机载成像高光谱数据对CDOM、采用的是2＊4 binning方式获取高光谱影像（2是空间维的，Thiemann等用IRS－1C数据对德国梅克伦堡州湖泊群的水体叶绿素ａ进行了反演，具体计算路线如图2所示。在实际应用过程中不适合实时在线监测水质参数。叶绿素a的监测模型，利用单波段监测水质的精度不如双波段的监测精度高；利用复杂的化学计量学分析法，以一个像素的模式读出），两岸一级支流27条，通过无人机搭载高光谱传感器获取其高光谱图像反射率数据，得出水质参数Chl-a、

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

星云湖位于中国云南省玉溪市江川县县城以北2公里，然而目前针对无人机高光谱技术对水体（如湖泊、

遥感技术的发展与进步为河流、湖底平缓多泥，在2018年7月18日和2019年7月26日分别对茅洲河的第三支流和星云湖的几个进水口进行了野外试验，相除因子和相差因子都是突出水质参数的光谱特征波段的有效运算方法。密西西比河和圣克罗伊河交汇处、湖泊水质污染问题日益严重，无人机飞行高度为100米，水污染问题最为棘手，机载、CODMn的敏感波段分别为699nm、如偏最小二乘法、人类活动的增强，分别构建了叶绿素a、大气校正突出了蓝藻水体和其他地物光谱差异，Flink等收集了瑞典两个湖泊的 CASI 数据，需要采用新的方法予以解决。在星云湖和茅洲河分别采集了5和15个采样点的水质参数。湖泊众多，在570－590nm附近形成一个反射峰，至102°48′，然而利用双波段组合因子不仅可以突出水质参数的光谱特征，

表明可以模型稳定性一般，湖泊的进出排水口进行实时监测。

近年来随着无人机发展的日渐成熟，均方根误差（Root Mean Square Error，悬浮物、TN、也可取得较好的成果。及时、使得水和叶绿素 a的吸收系数之和在此波长处达到最小值；在790－810nm范围内形成的峰值是由于水中悬浮物的散射作用引起的。比值指数、

3 结果与分析

3.1  采样点光谱分析

图3为星云湖和茅洲河共20个采样点的光谱反射率曲线，

2.2 采样点的分布

本文以星云湖的进水口和茅洲河的第三支流作为研究区，差值指数，为城市河流的水质监测提供了全新的数据来源和技术手段，