張顯峰 丁奕文 李丹祥 侯先寶 李冬來(lái)

（上海元易勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，上海 201210）

1 張家浜流域試點(diǎn)項(xiàng)目研究背景

張家浜流域試點(diǎn)位于上海市浦東新區(qū)張家浜區(qū)域，該區(qū)域擁有楔形綠地：北起錦繡東路、南至龍東大道，西至羅山路，東至外環(huán)高速，橫跨花木街道、張江鎮(zhèn)、金橋鎮(zhèn)、唐鎮(zhèn)4 個(gè)行政鎮(zhèn)（街道），總面積約14.5km2。楔形綠地分布于12 條河流，河流總長(zhǎng)度為21.3km。選取該區(qū)域中的4 段河流實(shí)施水質(zhì)監(jiān)測(cè)，利用光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)，研究試點(diǎn)區(qū)域的水質(zhì)情況，驗(yàn)證該技術(shù)的可行性、可靠性以及時(shí)效性。選取的4 段河流總長(zhǎng)度共計(jì)7km。選取河流的詳細(xì)信息如表1 所示。

表1 河流信息統(tǒng)計(jì)表

2 光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)介紹

2.1 光譜原理

由于不同物質(zhì)對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)，具有不同的特性，通過(guò)這些波長(zhǎng)特性就可以利用光譜判斷物質(zhì)的原有屬性。如，檢測(cè)河流水質(zhì)中的關(guān)鍵指標(biāo)葉綠素a，可以使用光波覆蓋范圍在400nm ～1000nm 波段的無(wú)人機(jī)載高光譜設(shè)備；利用550nm ～650nm 波段的光譜就可以對(duì)總氮、總磷、氨氮、總懸浮物、化學(xué)需氧量、溶解氧等濃度信息進(jìn)行分析，賦值后就可以反演COD 和氨氮濃度等信息[1]。

2.2 光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)路線

張家浜河流水域的光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)試點(diǎn)工作流程：運(yùn)用無(wú)人機(jī)載高光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備，及時(shí)、高效地采集水域范圍內(nèi)的精細(xì)化光譜信息，建立水質(zhì)反演模型，快速分析監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的各個(gè)濃度因子，定性、定量地分析處理水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)，形成高光譜反演異常點(diǎn)分析結(jié)果，為水環(huán)境治理決策提供強(qiáng)有力的支持。

3 張家浜流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)試點(diǎn)過(guò)程應(yīng)用與結(jié)果

3.1 張家浜流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)流程

無(wú)人機(jī)載高光譜技術(shù)的監(jiān)測(cè)主要流程：首先，勘查測(cè)區(qū)周邊環(huán)境，進(jìn)行信息采集，以此為基礎(chǔ)規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行的路線，執(zhí)行無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)采集，并確保測(cè)試區(qū)域的數(shù)據(jù)采集完整；其次，人工進(jìn)行實(shí)地采樣，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；最后，進(jìn)行高光譜分析，結(jié)合該區(qū)域地面水質(zhì)的采樣結(jié)果，建立水流域的水質(zhì)反演模型效果圖，通過(guò)對(duì)小流域水質(zhì)反演分析，精準(zhǔn)掌控水流域的污染區(qū)域[2]。

3.2 張家浜流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

該試點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)所采用的設(shè)備是專業(yè)的高光譜設(shè)備系統(tǒng)，使用400nm ～1000nm 波段的光譜；該系統(tǒng)具有高精度、高信噪比、輕量化的特點(diǎn)。通過(guò)搭載專業(yè)的飛行設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)大載重、航時(shí)長(zhǎng)的作業(yè)優(yōu)勢(shì)，為高光譜的應(yīng)用提供靈活的平臺(tái)。張家浜流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)共啟用無(wú)人機(jī)載采集4 架次，采集時(shí)間為同一天，所獲取原始數(shù)據(jù)量約229G，具體的數(shù)據(jù)采集情況如表2 所示。

張家浜流域中4 段河流現(xiàn)場(chǎng)共采集33 個(gè)水樣。本次試點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)樣本采集化驗(yàn)結(jié)果部分內(nèi)容如表3 所示。

表3 試點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)樣本化驗(yàn)信息統(tǒng)計(jì)表

3.3 對(duì)張家浜流域水質(zhì)光譜采集數(shù)據(jù)處理

為了保證水質(zhì)光譜采集數(shù)據(jù)與POS 數(shù)據(jù)的完整性，需要對(duì)無(wú)人機(jī)載光譜監(jiān)測(cè)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要是對(duì)數(shù)據(jù)的輻射校正處理、發(fā)射校正處理、幾何校正處理以及波段裁剪處理等；其中的波段裁剪處理主要是為了保留400nm ～900nm 波段的數(shù)據(jù)信息。在數(shù)據(jù)預(yù)處理后，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，主要是幾何精校正與影像拼接處理。前者是由于數(shù)據(jù)采集、POS 定位、校正算法等原因，導(dǎo)致單景象的位置發(fā)生不同程度的變化，因此需要在一定程度上進(jìn)行影像的幾何校正[3]。后者影像拼接數(shù)據(jù)處理是將多個(gè)場(chǎng)景或者多架次無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù)拼接成完整的影像，利用ENVI 進(jìn)行影像拼接處理，并調(diào)整羽化值與設(shè)置均色參數(shù)等，使拼接后的數(shù)據(jù)無(wú)明顯色差等問(wèn)題。

3.4 張家浜流域水質(zhì)反演效果圖及效果分析

3.4.1 張家浜流域水質(zhì)反演效果圖

通過(guò)對(duì)河道拼接好的影像進(jìn)行裁剪，去除河道兩岸的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，只保留水體部分的數(shù)據(jù)，就可以對(duì)水質(zhì)進(jìn)行反演處理，主要是對(duì)水體部門的數(shù)據(jù)進(jìn)行全流程反演處理，輸出的反演效果圖如圖1 所示。

圖1 三八河、張家浜反演成果圖

3.4.2 水質(zhì)反演分析

通過(guò)對(duì)4 段河流的水質(zhì)進(jìn)行反演并統(tǒng)計(jì)，詳細(xì)內(nèi)容如表4 所示。

表4 四段河流水質(zhì)反演數(shù)值統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）進(jìn)行判斷，三八河、張家浜、馬家浜與北界浜、陸家宅河、友誼河各項(xiàng)水質(zhì)因子數(shù)值達(dá)IV 類水標(biāo)準(zhǔn)。

3.4.3 光譜反演異常點(diǎn)分析

第一，對(duì)疑似污染點(diǎn)位劃分。根據(jù)采集水樣的監(jiān)測(cè)結(jié)果，將超標(biāo)因子高錳酸鹽、氨氮、溶解氧及總磷作為本次反演結(jié)果中關(guān)注的污染物[4]?；诟吖庾V反演結(jié)果圖中污染物TP、DO、NH3-N 及高錳酸鹽濃度的變化趨勢(shì)（由綠變紅/黃片區(qū)），將紅色/黃色突出位置標(biāo)定為疑似污染點(diǎn)位，最終標(biāo)定9 個(gè)疑似污染點(diǎn)位。

第二，異常點(diǎn)主要分布情況。根據(jù)疑似污染點(diǎn)分布圖，對(duì)水質(zhì)異常點(diǎn)位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表5 所示。

表5 水質(zhì)異常點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

第三，對(duì)河涌?jī)蓚€(gè)疑似污染點(diǎn)位進(jìn)行分析，以其中點(diǎn)位1-1 進(jìn)行示意，該點(diǎn)位位于云山路張家浜橋西側(cè)，南面為住宅區(qū)，可能是雨水或者污水排水導(dǎo)致該點(diǎn)水質(zhì)數(shù)值異常[5]。該點(diǎn)位的疑似污染點(diǎn)高光譜反演結(jié)果如表6 所示。

表6 疑似污染點(diǎn)1-1高光譜反演結(jié)果表

因此，疑似污染點(diǎn)1-1 高光譜反演結(jié)果如圖2 所示。

圖2 疑似污染點(diǎn)影像圖

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)張家浜流域試點(diǎn)的光譜水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，依據(jù)水質(zhì)反演結(jié)果分別監(jiān)測(cè)總磷、溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)4 個(gè)水質(zhì)因子，張家浜、馬家浜、三八河與北界浜、陸家宅河、友誼河各項(xiàng)水質(zhì)因子數(shù)值達(dá)IV 類水標(biāo)準(zhǔn)。其中監(jiān)測(cè)中共發(fā)現(xiàn)了9 個(gè)疑似點(diǎn)，張家浜河道有2 個(gè)疑似污染點(diǎn)，其余的分布在其他河道。張家浜河道的疑似污染點(diǎn)位于居民住宅區(qū)附近，生活污水以及雨水的排放是導(dǎo)致水質(zhì)異常的主要原因[6-7]。本次采集的4 條河流水質(zhì)平均數(shù)值達(dá)到III 類水標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)的數(shù)值均未超過(guò)IV 類水標(biāo)準(zhǔn)限值。

通過(guò)對(duì)張家浜河道試點(diǎn)的光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該次提供的結(jié)果是一次性結(jié)果，不能反映河道全年各個(gè)時(shí)段的水質(zhì)情況，建議在汛期時(shí)間之外再進(jìn)行1 ～2 次高光譜水質(zhì)檢測(cè)。另外，試點(diǎn)中采用了多旋翼無(wú)人機(jī)，該設(shè)備具有速度快、機(jī)動(dòng)性高、安全性高的特點(diǎn)，配合高光譜技術(shù)和國(guó)內(nèi)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的定姿定位技術(shù)，可以更全面地了解河涌整體的水質(zhì)濃度變化，確定疑似污染點(diǎn)位，精準(zhǔn)定位排污口。定期采集河涌高光譜數(shù)據(jù)，一方面可以全面排查污染源，另一方面對(duì)治理效果進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，對(duì)該河道的整治與治理效果評(píng)估具有重要意義。