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无人机高光谱在水环境行业的应用

1 为什么要进行水污染监测

水是生命之源,同时作为生态系统的血液,是人类生存、生产、生活的基础,充足优质的水资源是生态水资源是生态系统得以健康循环的首要条件,然而水资源却极易受到污染,特别是一些内陆水体、由于自然封闭性其污染问题就更加突出,同时水资源作为污染物的载体,具有动态的扩散和蔓延特性,会进一步加剧水体的污染程度。

我国河流、湖泊众多,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典型应用领域。


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1.1遥感技术监测水污染的优势

传统的河流、湖泊水质监测主要是采用实地采样和实验室分析等方法,这种监测方法需要在河流、湖泊内定点、定剖面进行,通过常年累月的监测、记录和实验室分析,虽然能够达到一定的数据精度,但是不能反映河流、湖泊水质的总体时空状况,且费时费力、监测区域有限,只具有局部和典型的代表意义,不能满足实时、快速、大尺度的监测和评价要求。

遥感技术的发展与进步为河流、湖泊水体的监测和研究开辟了新的途径。遥感水质监测技术具有高动态、低成本和宏观性等显著特点,在河流、湖泊水质污染研究方面有着常规检测不可替代的优点。它既可以满足大范围水质监测的需要,也可以反映水质在空间和时间上的分布和变化情况,弥补了单一采用水面采样的不足,同时还能发现一些常规方法难以揭示的污染源的分布以及污染物的迁移特征和影响范围,为科学布设水面采样点提供依据。高光谱遥感由于其高精度、多波段、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。

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1.2 水体遥感的原理

水体的光学特征集中表现在可见光在水体中的辐射传输过程,包括水面的入射辐射、水的光学性质、表面粗糙度、日照角度与观测角度、气–水界面的相对折射率以及在某些情况下还涉及水底反射光等。对于清水,在蓝—绿光波段反射率为4%~5%。0.5um以下的红光部分反射率降到2%~3%,在近红外、短波红外部分几乎吸收全部的入射能量。因此水体在这两个波段的反射能量很小。这一特征与植物形成十分明显的差异,水在红外波段(NIR, SWIR)的强吸收,而植被在这一波段有一个反射峰,因而 在红外波段识别水体是较容易的。

 

1.3水的光谱特性

水体的光谱特性不仅是通过表面特征确定的,它包含了一定深度水体的信息,且这个深度及 反映的光谱特性是随时空而变化的。水色(即水体的光谱特性)主要决定于水体中浮游生物含量 (叶绿素浓度)、悬浮固体含量(混浊度大小)、营养盐含量、有机物质、盐度指标)以及其他污染物、底部形态(水下地形)、水深等因素。因此,通过遥感系统测量并分析水体吸收和散射太阳辐射而形成的光谱特征,是水质遥感定量监测的基础。

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图1不同浑度的水体光谱反射率

2 高光谱遥感的起源

多光谱技术在遥感系统中占有重要的地位。如美国的陆地卫星TM、法国SPOT等一系列多光谱成像遥感器件为人类研究地球提供了大量可贵的资料。但是进一步研究发现,多光谱型遥感技术所提供的信息有限,不能满足某些特定的需求,由于其光谱波段数量不足,往往会出现“同物异谱”、“异物同谱”的现象。因而在20世纪80年 代-90年代,成像高光谱技术应运而生而且迅速获得了发展。

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图2多光谱与高光谱的光谱

 

2.高光谱遥感的定义

成像高光谱是指在电磁波波谱的紫外、可见光和近红外区域,获取 非常多且非常窄的波段连续的图像信息,可为每个像素提供数十至数百个窄波段光谱信息,从而将观测场景中对象的光谱特性以完整的光谱曲线形式记录下来。它的理论基础是波谱分析和成像光谱学。波谱分析是指通过测量和分析各种物质反射和吸收能量产生的电磁波谱而对各种物质特性进行研究。成像光谱学是指以成像形式对物质光谱特性进行研究。

2. 高光谱的基本原理

成像高光谱图像数据是一个三维数据立方体,它的每一层都是一幅图像,对应于一个光谱波段;每个像素点位置对应于观测向量,这个观测向量的数值安装不同波段依次排列就可近似连成一条光谱曲线,不同的地物对应于不同的光谱曲线特征。

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2. 高光谱仪的组成

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高光谱成像仪的主要组成部分有:准直镜、分光计、聚焦透镜、面阵CCD。

2.水质监测高光谱设备-地面监控系统

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与传统的水质监控设备相比其优势在于能监控整条河流而非单点监控,不仅能提供水质的连续光谱曲线,还能提供水质的众多指标,如浑度、叶绿素a、总磷、总氮、PH值、总悬浮物、化学需氧量等。

2.  水质监测高光谱设备-无人机监控系统

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3 高光谱在水质监测中的应用

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3. 水体的高光谱曲线

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3.  水体参数与高光谱的关系

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3.  无人机高光谱监测水质指标案例

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