水质卫士安洲科技：无人机高光谱技术的应用与实践——《高光谱：水质监测的“科技助手”》主题约稿

　　水质卫士安洲科技：无人机高光谱技术的应用与实践——《高光谱：水质监测的“科技助手”》主题约稿

　　水体，一般称为黑臭水体。黑臭水体破坏了水质和生态环境，很大程度地影响了人们的生活、危害人类健康，是目前较为突出的环境问题。遥感技术因具有速度快、同步性好、覆盖面广、单位成本低等优点，已经被广泛地应用于水质动态监测中，遥感影像数据还可应用于水体成分的反演；研究表明，将卫星遥感技术应用于水质监测，其方法已经较为成熟，并已取得了较多的成果。然而受卫星遥感影像的分辨率限制，这种技术一般适用于大面积水域的监测，难以实现对小型水域或河道的高空间分辨率测量，而且卫星遥感还存在数据获取周期较长、时效性不够高、易受大气云层影响等问题，因此就需要一种机动灵活且能快速获得比较大覆盖面积的水质测量方法，而无人机高光谱成像系统与地面水质测量相结合进行水质反演，即可解决这一问题。无人机高光谱成像系统是由无人机技术、遥感与测量技术、计算机技术等一起发展而融合的新技术，通常由硬件（包括无人机、

　　、软件（地面站控制系统软件、相片处理软件、影像应用软件等）和售后服务团队组成。无人机高光谱成像系统测量相对于常规测量具有如下的优势：1）机动、灵活、 快速。无人机可在各

　　反应迅速，适合应急监测。2）数据获取成本低。无人机遥感系统的购置、运行成本大大低于载人飞机，对场地和人员的要求也较低，日常维护简单，大幅度的降低了遥感数据的获取成本。3）适合大面积观测。无人机作业可快速覆盖较大的观测面积，作业效率比人工现场测量大幅度的提升。4）空间分辨率比较高。无人机高光谱成像数据的光谱分辨率高达纳米数量级。5）复杂区域观测。对于一些复杂区域，例如山区河流、河口海岸带、滩涂湿地等常规测量方式难以进入的区域，无人机航测具有非常明显优势。数据获取1

　　：X20P机载高光谱成像仪是一款基于光场成像技术的高光谱成像（HSI）设备，其内核为20 MP的超高清CMOS传感器，实现了相当高的空间分辨率。该设备以画幅式成像方式高速获取超过160个光谱通道的高光谱图像，连续覆盖350~1000 nm的波长范围，高性能传感器保证了噪声被控制得非常低，双GigE摄像机接口保证了高达5Hz的图像帧率（1886*1886像素/帧）。*

　　通道同步瞬时成像，更适合高速移动式使用，数据真实可靠无伪影；配套软件具有反射率校准、感兴趣波段数据导出、光谱植被指数制图等功能。X20P具有一体式无刷云台，内置控制及固态存储，适合多旋翼或固定翼无人机搭载。X20P一体式高光谱成像仪

　　2. 无人机同步水面实验数据获取无人机飞行航测的同时，在水面开展实验，获取水体实验数据，最重要的包含：（

　　2）现场测量水质参数：地面取样或直接测量相关的水质数据，包括：透明度、浊度、水深、水温、溶解氧、氧化还原电位等。

　　利用无人机高光谱遥感图像和实测水面光谱和水质参数数据，构建水质参数遥感反演模型，实现基于无人机高光谱遥感的水质参数快速制图，包括浊度、叶绿素 a、总悬浮物浓度、无机悬浮物浓度、有机悬浮物浓度、黄色物质、水体营养状态等。

　　总磷是水样经消解后将各种形态的磷转变成正磷酸盐后测定的结果，以每升水样含磷毫克数计量。3

　　溶解于水中的分子态氧称为溶解氧，通常记作DO，用每升水里氧气的毫克数表示。水中

　　水体遥感监测原理、特点影响水质的参数有：水中悬浮物、藻类、化学物质、溶解性有机物、热释放物、病原体和油类物质等。随着遥感技术的革新和对物质光谱特征研究的深入，可以监测的水质参数种类也在逐渐增加，除了热污染和溢油污染等突发性水污染事故的监测外，用遥感监测的水质数据大概能分为以下四大类：浑浊度、浮游植物、溶解性有机物、化学性水质指标。

　　叶绿素对近红外波段有着非常明显的“陡坡效应”，故而这类水体兼有水体和植物的光谱特征，即在可见光波段反射率低，在近红外波段反射率却明显升高。

　　1 存在的问题：①多数限定于定性研究，或进行已有的航空和卫星遥感数据分析，却很少进行定量分析。②监测精度不高，各种算法以经验、半经验方法为主。③算法具有局部性、地方性和季节性，适用性、可移植性差。④监测的水质参数少，大多分布在在悬浮沉积物、叶绿素和透明度、浑浊度等参数。

　　2.2 加强水质遥感基础研究。加深对遥感机理的认识，特别是水质对表层水体的光学和热量特征的影响机理上，以逐步发展基于物理的模型，把水质参数更好的和遥感器获得的光学测量值联系起来；加深目视解译和数字图象处理的研究，提高遥感影象的解译精度；增强高光谱遥感的研究，完善航空成像光谱仪数据处理技术。

　　及与之相关的水体透明度、浑浊度等参数，对可溶性有机物、COD等参数光谱特征和定量遥感监测研究较少，拓宽遥感监测项是今后的发展的新趋势之一。应加强其他水质参数的光谱特征研究，以扩大水质参数的定量监测种类，进一步建立不同水质参数的光谱特征数据库。

　　2.4 提高水质遥感监测精度。研究表明利用遥感进行水质参数反演，其反演精度、稳定度、空间可扩展性受遥感波段设置影响较大，利用星载高光谱数据来进行水质参数反演，对其上百的波段宽度为10nm左右的连续波段与主要水质参数的波谱响应特性进行研究，确定水质参数诊断性波谱及波段组合，形成构造水质参数遥感模型和反演的核心技术，提高水质监测精度。

　　2.5 扩展水质遥感监测模型空间。系统深入的研究水质组分的内在光学特性，利用高光谱数据和中、低分辨率多光谱数据来进行水质遥感定量监测机理研究，进行水质组分的定量提取和组分间混合信息的剥离，消除水质组分间的相互干扰，建立不受时间和地域限制的水质参数反演算法，形成利用中内陆水体水质多光谱遥感监测方法和技术探讨研究低分辨率遥感数据来进行大范围、动态监测的遥感定量模型。

　　2.7 综合利用“3S”技术。利用遥感技术视域广，信息更新快的特点，实时、快速地提取大面积流域及其周边地区的水环境信息及各种变化参数；GPS为所获取的空间目标及属性信息提供实时、快速的空间定位，实现空间与地面实测数据的对应关系；GIS完成庞大的水资源环境信息存储、管理和分析。将“3S”技术在水质遥感监测中综合应用，建立水质

　　遥感监测和评价系统，实现水环境质量信息的准确、动态快速发布，推动国家水安全预警系统建设。

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