利用高新技术手段展开河流、湖泊水质污染问题研究检测
一、水质监测需求
“地表水水质监测现状的分析与对策， 绿色科技，2019(10)”中提出我国拥有28124亿m3水资源，其中地表水占96.4%，另“中国生态环境状况公报2019”中指出1931个地表水水质断面中，劣V类水质比例为3.4%。对于中国水污染的困境，国家先后制定了《水十条》、《重点流域 水污染防治规划（2016-2020年）》。
以上表明，我国河流、湖泊众多，然而伴随经济的高速发展，人类活动的增强，河流、湖泊水质污染问题日益严重，已经成为制约城市可持续发展的关键因素，因此有必要利用高新技术手段展开河流、湖泊水质污染问题研究，及时、快速的提供河流、湖泊的水质状况，保障人们正常的生产生活。
常规水质监测的痛点问题： 非原位监测，需要进行取样； 实时性差，自动监测站约4小时一次数据，人工分析时间更长 ；监测区域有限， 无法实现大范围区域性监测。
高光谱遥感由于其高精度、全谱段、信息量大等特点被广泛应用于遥感水质监测，大大提高了水质参数的估测精度。同时，该技术具备非接触式原位监测，无需取样；准实时测量，数据更新快；实现大范围区域性监测等优势。伴随着遥感技术的不断进步，水质监测已由定性描述转向定量分析，可监测的水质参数逐渐增加，反演精度也不断提高，在水资源的保护、规划和可持续发展方面发挥了重大作用。
二、数据采集设备
数据采集的设备为杭州高谱成像技术有限公司自主研发的无人机载高光谱成像系统（HY-9010），设备实景图，如下图。系统参数，见下表。系统核心部件采用自研大靶面高光谱相机及高稳云台，集成高清相机、高精度POS模块、地面站模块及数据采集与控制系统，实现高光谱数据、高清可见光数据及GPS数据同步采集，小型地面站模块搭配远程智控系统，实现系统状态监测及远程控制，极大程度上提高作业效率和使用便利性。
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系统主要指标 |
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序号 |
指标 |
参数 |
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1 |
光谱相机光谱范围 |
400-1000nm |
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2 |
光谱相机光谱分辨率 |
优于2.8nm |
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3 |
光谱相机IFOV |
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4 |
光谱相机空间通道数 |
480 |
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5 |
光谱相机光谱通道数 |
300 |
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6 |
光谱相机视场宽度 |
15.6°@f=35mm |
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7 |
光谱相机镜头焦距 |
35mm |
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8 |
可见光相机分辨率 |
1500万像素 |
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9 |
RTK定位精度 |
10cm |
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10 |
POS采集模式 |
硬件同步触发 |
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11 |
地面站控制模式 |
远程智控 |
无人机载高光谱成像系统（HY-9010）
三、飞行概况
四、数据分析
未经处理的原始高光谱数据如下图所示，可以看出图像清晰，光谱信噪比符合数据处理要求。
根据水质参数模型反演得到的水质分布结果，下图截取部分河道反演快示
叶绿素 a COD
氨氮 总氮
总磷 悬浮物
五、数据对比
现场组织专业水质取样检测公司对监测河道进行选点取样，经过一周的数据处理，得出“表一”所列数据；
通过对单点检测数据的分析，对监测河道进行建模反演得出“表二”所列数据，可以看出，数据反演与实测数据匹配精度多达80%，精度较高，能够满足检测需求。
测试利用无人机高光谱技术，根据采样点测定值，建立指数模型，在水面上空获取水体的高光谱影像，通过在线反演可实时观察水环境的水质参数总氮、总磷、叶绿素a、悬浮物、浊度的变化，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，同时也为湖泊、河流的水环境保护及治理提供了依据。
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表一、现场水样单点检测数据 |
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采样日期 |
2021/6/5 |
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采样位置 |
叶绿素a |
悬浮物 |
总磷（以P计） |
总氮（N计） |
氨氮 |
高锰酸盐指数 |
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点位1 |
55 |
20 |
0.66 |
3.67 |
1.45 |
6 |
|
点位2 |
31 |
14 |
0.48 |
3.87 |
2.42 |
3.9 |
|
点位3 |
26 |
12 |
0.48 |
3.88 |
2.45 |
3.9 |
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表二、无人机载高光谱建模反演数据 |
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点位 |
编号 |
叶绿素a Chla（ug/L） |
总悬浮物 Tss（mg/L） |
总磷 TP(mg/L) |
总氮 TN（mg/L） |
氨氮 NH3-N(mg/L) |
高锰酸盐 指数CODmn(mg/L)
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1 |
架次1 |
100% |
99.75% |
100.00% |
100.00% |
100.00% |
98.33% |
|
|
架次2 |
97.48% |
62.95% |
96.97% |
98.37% |
92.41% |
90.00% |
|
2 |
架次1 |
100% |
94.43% |
97.92% |
100.00% |
99.17% |
96.92% |
|
|
架次2 |
57.58% |
98% |
87.50% |
89.41% |
90.91% |
95.90% |
|
3 |
架次1 |
100% |
60.8% |
97.92% |
99.74% |
99.18% |
98.72% |
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|
架次2 |
91.38% |
93.33% |
79.17% |
93.81% |
86.12% |
98.97% |
