羅華坊 LUO Hua-fang

（福建省經(jīng)緯數(shù)字科技有限公司，福州 350000）

0 引言

近年來，隨著人口增長、工業(yè)化進(jìn)程加快以及環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，水質(zhì)監(jiān)測的重要性愈發(fā)凸顯。水質(zhì)監(jiān)測是評估水體健康狀況、保護(hù)水資源和人類健康的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法往往需要大量的人力物力投入，并且監(jiān)測范圍有限，效率低下[1]。然而，隨著科技的發(fā)展，新的水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用研究不斷涌現(xiàn)，為水質(zhì)監(jiān)測工作帶來了新的突破和進(jìn)展[2]。

目前，在水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用研究中，主要通過信息技術(shù)和常規(guī)遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測[3-4]。信息技術(shù)主要通過傳感器網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)實(shí)時監(jiān)測水體中的溫度、pH 值、溶解氧、濁度等重要指標(biāo)，從而及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)警水體污染問題，此外人工智能技術(shù)的應(yīng)用也為水質(zhì)監(jiān)測帶來了新的突破。通過建立智能模型和算法，可以對大量的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，提取出有用的信息和規(guī)律，為決策提供科學(xué)依據(jù)，從而使得水質(zhì)監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)自動化、連續(xù)化和實(shí)時化。但目前的信息技術(shù)方法具有較大的限制條件，主要在于信息技術(shù)的應(yīng)用還缺乏完善的標(biāo)準(zhǔn)，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性，且監(jiān)測面積較小[5-6]。相比之下遙感技術(shù)則是通過遙感衛(wèi)星或無人機(jī)搭載的高光譜傳感器，可以獲取水體表面的光譜特征，進(jìn)而分析水體的渾濁度、葉綠素含量、水體溫度等重要指標(biāo)[7]。這種非接觸式的監(jiān)測方法不僅能夠提高監(jiān)測效率，還可以實(shí)現(xiàn)對大范圍水域的監(jiān)測，為水質(zhì)保護(hù)和水資源管理提供更全面的數(shù)據(jù)支持[8]進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對水體的全面監(jiān)測和評估。

基于此，本文以吉水縣水環(huán)境監(jiān)測與河湖管理平臺數(shù)字集成設(shè)備采購項目為背景，借助無人機(jī)高光譜技術(shù)，通過對無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演和對比，為機(jī)載高光譜技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)作用。

1 工程概況

吉水縣水環(huán)境監(jiān)測與河湖管理平臺數(shù)字集成設(shè)備采購項目包含：①吉水縣水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)；②吉水縣水環(huán)境指揮服務(wù)中心；③吉水縣水環(huán)境數(shù)據(jù)綜合管理平臺；④吉水縣水環(huán)境監(jiān)測與河湖管理系統(tǒng)；⑤吉水縣水環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。項目利用遙感、無人機(jī)、地理信息、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)手段，面向各部門、群眾建設(shè)一體化流程的吉水縣水環(huán)境監(jiān)測與河湖管理平臺。

建設(shè)目標(biāo)包括：①通過水環(huán)境監(jiān)測體系的水質(zhì)監(jiān)測建設(shè)，實(shí)現(xiàn)吉水縣河界斷面在線監(jiān)測覆蓋率達(dá)到90%以上，飲用水源地和污水排口在線監(jiān)測覆蓋率達(dá)到100%，監(jiān)測頻率至少滿足4 次/天，監(jiān)測因子至少包含常規(guī)五參數(shù)、總磷、總氮、氨氮和COD。數(shù)據(jù)傳輸時間<2s；②水環(huán)境監(jiān)測體系的岸線視頻監(jiān)控建設(shè)，吉水縣贛江流域岸線全天候視頻監(jiān)控不低于70 個，至少覆蓋河長巡查點(diǎn)、重點(diǎn)碼頭、采砂區(qū)，監(jiān)控輪訓(xùn)頻次不低于12 次/天，視頻自動化識別精度不低于80%，識別類別涵蓋油污染、垃圾、堤壩破損、河道非法采砂；③通過水資源、水環(huán)境遙感衛(wèi)星應(yīng)用的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)水資源分布、陸表水體動態(tài)監(jiān)測專題成果不少于4次/年，空間分辨率優(yōu)于1 米，洪澇災(zāi)害損毀評估專題成果不少于1 次/年，空間分辨率優(yōu)于1 米，水土保持植被覆蓋監(jiān)測、水體懸浮物、藍(lán)藻水華、水體富營養(yǎng)化、水體泥沙含量不少于10 次/年，空間分辨率不低于30 米。遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)相對輻射定標(biāo)精度不低于3%，平原地區(qū)幾何精校正的精度不低于1 個像元，丘陵、高原地區(qū)幾何精校正的精度不低于3 個像元。

2 研究方法

2.1 基本原理及特征波段

高光譜技術(shù)結(jié)合窄波段連續(xù)光譜和光譜成像技術(shù)，通過對所需監(jiān)測的對象進(jìn)行光譜特征波段采集，將收集到的光譜數(shù)據(jù)借助光譜成像技術(shù)中的光譜分光技術(shù)生成具備連續(xù)性的窄波圖像，其結(jié)果一般具有較高的光譜分辨率和空間分辨率，可以準(zhǔn)確地捕捉和分析目標(biāo)物體的光譜特征，且無需直接接觸目標(biāo)物體，可以對大范圍、高分辨率的物體進(jìn)行快速檢測和監(jiān)測。利用工業(yè)級無人機(jī)搭載高光譜技術(shù)對所需監(jiān)水質(zhì)的流域進(jìn)行精細(xì)、高效的光譜收集并建立水質(zhì)反演計算模型，即可實(shí)現(xiàn)對所需監(jiān)測流域各參數(shù)濃度的監(jiān)測和高效率、具備較高可靠性的定量計算，有效節(jié)省人力、設(shè)備成本并且能夠大大縮短監(jiān)測周期。由于溶解氧、高錳酸鹽、氨氮、總磷等參數(shù)與單波段的反射率較低，為了用不同波段表征各參數(shù)，本文采用比值法對波段與參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行計算分析，得出了溶解氧、高錳酸鹽、氨氮、總磷等參數(shù)的特征波段。其中溶解氧的特征波段為R650/R600、高錳酸鹽的特征波段為R480/R410和R500/R850、氨氮的特征波段為R600/R500、總磷的特征波段為R500/R430和R500/R800。

2.2 無人機(jī)搭載高光譜技術(shù)

利用無人機(jī)對高光譜技術(shù)進(jìn)行搭載，首先對所需勘測的區(qū)域進(jìn)行信息收集，之后對無人機(jī)的航行路線進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，在此基礎(chǔ)上利用無人機(jī)進(jìn)行水質(zhì)光譜數(shù)據(jù)的采集，對無人機(jī)所采集的光譜數(shù)據(jù)信息進(jìn)行完整性確認(rèn)。此外對所監(jiān)測區(qū)域的水質(zhì)進(jìn)行人工采樣，并進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)分析。根據(jù)高光譜技術(shù)對采集信息進(jìn)行分析，并與實(shí)際人工采集結(jié)果進(jìn)行對比，建立水質(zhì)反演計算模型，通過計算模型對當(dāng)?shù)氐乃廴厩闆r進(jìn)行精確掌握。為保證反演計算的精度，采用下式對反演數(shù)據(jù)進(jìn)行精確度計算：

式中：A 為精確度；mi為某個取樣點(diǎn)人工化驗(yàn)結(jié)果；ni為某個取樣點(diǎn)光譜反演結(jié)果；m′為各取樣點(diǎn)人工化驗(yàn)結(jié)果的平均值。

3 結(jié)果分析

3.1 溶解氧分析

由于所監(jiān)測河段呈倒L 型分布，為了保證監(jiān)測的效率和準(zhǔn)確性，將待測河段分為A-B、B-C、D-E 和E-F 共4 段分別進(jìn)行監(jiān)測，每個待測河段分別使用一架搭載高光譜技術(shù)的工業(yè)無人機(jī)在同一時刻起飛進(jìn)行監(jiān)測。實(shí)際每個作業(yè)段的距離平均約為1.8m。在4 個作業(yè)段一共布設(shè)32 個監(jiān)測點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際作業(yè)段長度，其中A-B 段設(shè)置11 個監(jiān)測點(diǎn)，B-C 段設(shè)置7 個監(jiān)測點(diǎn)，D-E 段共設(shè)9 個監(jiān)測點(diǎn)，E-F段設(shè)置5 個監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測河流區(qū)段及監(jiān)測測點(diǎn)設(shè)置示意圖如圖1。

圖1 監(jiān)測河流區(qū)段及監(jiān)測測點(diǎn)設(shè)置示意圖

考慮到實(shí)際河道存在一定程度的污染，溶氧量一般大于0.2mg/L，因此為了便于試驗(yàn)進(jìn)行，對于人工采樣的溶解氧分析，本文采用碘量法進(jìn)行，根據(jù)實(shí)際檢測結(jié)果和反演輸出結(jié)果，繪制成了如圖2 所示的溶解氧檢測和反演結(jié)果圖。

圖2 溶解氧檢測和反演結(jié)果

根據(jù)圖2 的檢測結(jié)果和反演結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，溶解氧的反演輸出結(jié)果較實(shí)際檢測結(jié)果存在一定的波動，但其結(jié)果總體收斂于實(shí)際檢測數(shù)據(jù)，且總體變化趨勢同檢測結(jié)果較同步，根據(jù)式（1）對反演準(zhǔn)確度進(jìn)行計算，得到該參數(shù)的反演準(zhǔn)確率為81.5%。

3.2 高錳酸鹽分析

水體中還原性有機(jī)物對水體的污染程度主要由水體中的高錳酸鹽含量表征。其含量的測定主要通過酸量法和堿量法進(jìn)行測定，并根據(jù)氯離子含量選擇對應(yīng)方法，考慮到本文研究河道污染以生活污水為主，氯離子含量較高，因此為對高錳酸鹽的計算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對于實(shí)際的樣本檢測，高錳酸鹽的人工測定采用堿性滴定法進(jìn)行，滴定溶液為碳酸氫銨溶液。將實(shí)際檢測結(jié)果與高光譜反演計算結(jié)果繪制成了如圖3 所示的高錳酸鹽檢測和反演結(jié)果。

圖3 高錳酸鹽檢測和反演結(jié)果

根據(jù)圖3 所反映的結(jié)果可以看出，高錳酸鹽在不同河段的監(jiān)測和反演計算結(jié)果表現(xiàn)不同。在A-B 河段的1-11監(jiān)測點(diǎn)中，其反演結(jié)果普遍大于實(shí)際監(jiān)測結(jié)果，而在B-C河段中，反演結(jié)果基本均小于實(shí)際監(jiān)測結(jié)果，其原因在于人工取樣基本呈點(diǎn)狀分布，主要以某點(diǎn)的取樣結(jié)果表征該流域片區(qū)的總體結(jié)果，因此造成取樣結(jié)果出現(xiàn)偏大或偏小的情況，因此存在一定的片面性。其余各河段的反演結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果均呈現(xiàn)波動趨勢互有大小，整體上高錳酸鹽的檢測結(jié)果和反演計算結(jié)果變化趨勢相近，結(jié)果相差不大，根據(jù)式（1）對其準(zhǔn)確率進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)高錳酸鹽的反演計算準(zhǔn)確率為86.3%。

3.3 氨氮分析

對于各取樣點(diǎn)水體中氨氮濃度的實(shí)際測定，由于本次研究河道周邊均為居民居住區(qū)，其生活污水一般為堿性，因此為了便于觀察研究，本文采用水楊酸分光光度法進(jìn)行測定，并對無人機(jī)采集的光譜信息進(jìn)行反演分析，將結(jié)果繪制如圖4 所示。

圖4 氨氮檢測和反演結(jié)果

從圖4 所示的結(jié)果可以看出該河流各河段水體中的氨氮濃度反演結(jié)果基本均在實(shí)際結(jié)果一定范圍內(nèi)上下波動，總體相差不大。變化趨勢較為相近，同樣在C-D 河段中的19 號監(jiān)測點(diǎn)氨氮濃度最大，且在該河段中的25 號監(jiān)測點(diǎn)氨氮濃度達(dá)到最低。利用式（1）對其進(jìn)行精確度計算，氨氮濃度的反演精確率達(dá)到了90.1%。

3.4 總磷分析

為了對各測點(diǎn)總磷進(jìn)行測量，采取鉬酸銨分光光度法進(jìn)行測定，在中性試驗(yàn)環(huán)境中，過硫酸鉀可以將樣本中的磷進(jìn)行氧化，氧化過后生成的正磷酸鹽鉬酸銨反應(yīng)生成藍(lán)色絡(luò)合物，能夠便于試驗(yàn)中觀察。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將實(shí)際檢測數(shù)據(jù)與反演數(shù)據(jù)繪制成了如圖5 所示的總磷檢測和反演圖。

圖5 總磷檢測和反演結(jié)果

從圖5 可以看出總磷濃度的反演結(jié)果同前文各參數(shù)相同，其數(shù)據(jù)均在實(shí)際檢測數(shù)據(jù)上下波動且與實(shí)際結(jié)果相差不大，變化趨勢也基本一致，但與實(shí)際檢測不同之處在于，反演計算中總磷濃度在B-C 段的17 號測點(diǎn)出現(xiàn)最大值，而實(shí)際檢測中，總磷濃度在9 號測點(diǎn)最大，其原因在于隨機(jī)抽樣的點(diǎn)狀性和片面性，且實(shí)際該區(qū)段總磷分布均呈現(xiàn)出較高的狀態(tài)，導(dǎo)致某點(diǎn)在反演計算時可能會出現(xiàn)略高的情況。借助式（1）得到總磷的反演精度為88.4%。

4 結(jié)論

本文以吉水縣水環(huán)境監(jiān)測與河湖管理平臺數(shù)字集成設(shè)備采購項目為背景，借助無人機(jī)搭載高光譜技術(shù)對當(dāng)?shù)睾恿髁饔蜻M(jìn)行反演計算通過對比實(shí)際檢測結(jié)果，得出了如下結(jié)論：

①溶解氧、高錳酸鹽、氨氮、總磷濃度的反演計算結(jié)果在實(shí)際檢測結(jié)果上下波動，但相差不大。

②研究河流各區(qū)段的溶解氧、高錳酸鹽、氨氮、總磷濃度最大值基本集中于C-D 段河流中，該河段為重點(diǎn)污染區(qū)段。

③無人機(jī)搭載高光譜技術(shù)能夠在保證監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確率的情況下做到大面積、高效率監(jiān)測，對于城市河道污染監(jiān)測具備一定的可行性。