Part 1 項目簡(jiǎn)介

　　2023年長(cháng)光禹辰信息技術(shù)與裝備（青島）有限公司與黑龍江省環(huán)境科學(xué)研究院聯(lián)合開(kāi)展了城鄉河道水質(zhì)定量遙感的試點(diǎn)項目（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“項目”），按計劃獲取三期實(shí)驗數據，完成多光譜遙感設備在水環(huán)境定性評估與水質(zhì)參數定量反演技術(shù)中的應用性研究。

　　項目一期實(shí)驗開(kāi)展時(shí)間為2023年5月，長(cháng)光禹辰與黑龍江環(huán)科院技術(shù)人員共同前往黑龍江省某實(shí)驗區域內河道獲取無(wú)人機多光譜影像、地面高光譜數據和實(shí)測水質(zhì)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(jìn)行數據采集，該系統航時(shí)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(jiàn)表1：

　　圖1 多光譜數據采集現場(chǎng)

　　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(jìn)行采集并與無(wú)人機數據獲取同步進(jìn)行，獲取方式遵循《水體可見(jiàn)光-短波紅外反射率測量》GB_T 36540-2018.采集過(guò)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(cháng)桿加采水器沉沒(méi)取樣的方式進(jìn)行獲取，每次取樣深度在表層水面下0.5m處，并且與無(wú)人機數據同步獲取，采樣過(guò)程如圖3所示。本項目測定5種水質(zhì)指標，分別為氨氮、總氮、高錳酸鹽指數、化學(xué)需氧量、透明度，采樣和測定方式均參考國家相關(guān)標準。

　　圖3 水樣數據采集

　　Part 3 富營(yíng)養化和黑臭水識別

　　【1】富營(yíng)養化分析

　　水體富營(yíng)養化是指水中營(yíng)養物質(zhì)（如氮、磷）過(guò)度積累，導致水體中藻類(lèi)、水生植物大量繁殖的現象。水體富營(yíng)養化會(huì )造成藻類(lèi)過(guò)度生長(cháng)，破壞水生態(tài)系統的平衡，甚至引發(fā)水體死亡。通過(guò)無(wú)人機多光譜遙感技術(shù)，結合實(shí)測水質(zhì)參數數據的分析，對本次實(shí)驗河道水體富營(yíng)養化的識別情況如圖4所示。

　　圖4 水體富營(yíng)養化識別結果

　　由上圖可以看出，該河道不存在富營(yíng)養化現象，這與地面實(shí)測參數和現場(chǎng)感官情況保持一致，無(wú)人機多光譜遙感進(jìn)行水體富營(yíng)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(zhì)污染嚴重、水體顏色異常、散發(fā)惡臭的情況。它通常由生活污水、工業(yè)廢水和農業(yè)排放物等引起，造成環(huán)境破壞和健康風(fēng)險。通過(guò)無(wú)人機多光譜遙感技術(shù)，結合水色與實(shí)測水質(zhì)參數數據的分析，對本次實(shí)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(shí)測參數和現場(chǎng)感官情況保持一致，無(wú)人機多光譜遙感進(jìn)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(yè)、畜牧業(yè)和生活廢水的排放以及非點(diǎn)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(huì )導致水體溫度升高，從而使水體缺氧的風(fēng)險增加，缺氧條件下，有機物的降解過(guò)程會(huì )產(chǎn)生惡臭氣體，加劇黑臭水體的現象。

　　Part 4 水質(zhì)參數定量反演

　　根據項目采集的水質(zhì)參數、無(wú)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(zhì)參數實(shí)測數據進(jìn)行數據分析，最終構建水質(zhì)參數與多光譜遙感數據之間的定量關(guān)系模型，實(shí)現對目標水體的多種水質(zhì)參數進(jìn)行定量反演。同時(shí)對反演結果采用平均相對誤差（MRE）進(jìn)行精度評定，計算公式為：

　　部分水質(zhì)參數的定量反演結果如圖6～圖10所示。

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

　　表2 精度評定

　　Part 5 總結

　　根據項目第一期實(shí)驗的結果，初步判定無(wú)人機多光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境監測與水質(zhì)參數反演工作中具有較高的行業(yè)應用可行性。

　　相較于傳統人工采樣的方法，多光譜遙感技術(shù)可以在降低河道水質(zhì)參數獲取成本的同時(shí)，對目標區域進(jìn)行水質(zhì)情況全局展示，避免“以點(diǎn)帶面”評定水環(huán)境帶來(lái)的誤差;與多光譜衛星影像相比，無(wú)人機多光譜遙感技術(shù)時(shí)空分辨率更高;同時(shí)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(zhì)參數反演，更加快速高效地獲取水體的狀態(tài)，為水環(huán)境的快速治理和保護提供有力的數據支撐。

　　后續長(cháng)光禹辰公司將繼續聯(lián)合黑龍江環(huán)科院進(jìn)行多區域水體的綜合測試，對無(wú)人機多光譜遙感技術(shù)在水環(huán)境綜合監測的行業(yè)應用性進(jìn)行持續優(yōu)化。

　　關(guān)于我們

　　長(cháng)光禹辰成立于2017年，是一家由中國科學(xué)院長(cháng)春光機所和青島高新區聯(lián)合成立的高新技術(shù)企業(yè)，公司核心團隊來(lái)自長(cháng)春光機所空間光學(xué)部，在光譜遙感、光電探測領(lǐng)域具有深厚的理論基礎和豐富的工程經(jīng)驗，掌握完整的光譜儀器系統設計、先進(jìn)的嵌入式視覺(jué)開(kāi)發(fā)、復雜場(chǎng)景定量遙感智能調光、高精度自動(dòng)輻射校正、光譜數據半定量反演及應用等核心技術(shù)，形成了以MS200、MS400、MS600、AQ300、AQ600等系列多光譜相機為代表的無(wú)人機載光譜遙感硬件產(chǎn)品線(xiàn)，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(wù)平臺，在農業(yè)、林業(yè)、生態(tài)、環(huán)保、警用等領(lǐng)域開(kāi)展了深入的行業(yè)應用。公司專(zhuān)注于無(wú)人機航空遙感與光電探測領(lǐng)域，持續推出革新的軟硬件產(chǎn)品，落地更豐富的行業(yè)應用場(chǎng)景，致力于用技術(shù)和產(chǎn)品推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步。