1．什么是高光谱

成像光谱技术由分光计发展而来，它是一项新技术，又名高光谱成像技术，传统的光谱分析技术只能做局部平均光谱分析，而高光谱能够做到整幅图的各个点光谱分析。成像光谱有凝视成像型、推帚型、摆扫型。它能够在生成一副图像的同时获取这副图像每个像素点的光谱信息，实现“图谱合一”。高光谱获取的光谱信息能够包括图像中任何一个像素点的光谱，而普通的地物光谱仪只能获取测试地物的平均光谱，所以高光谱获取的数据能够跟准确、精细地去分析被测地物。它的出现标志着光学遥感进入了高光谱遥感阶段，利用从高光谱数据反演的地物反射光谱特征，能研究地球表面物体的分类、物质的成分、含量、存在状态、空间分布及动态变化。

1.1遥感技术监测水质的优势

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。

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水体遥感的测试流程

无人机高光谱成像系统要实现水质定性定量从宏观空间和时间上污染分布变化，不简单是高光谱数据采集，要实现空间分布及定量测量，还需同时用地物光谱仪去进行水面采样，将采样数据进行水质化学参数分析后，再与高光谱数据进行比对、匹配，完成模型。图1-1为无人机高光谱水质检测流程图；图1-2为莱森光学地物光谱仪。

图1-1无人机高光谱水质检测流程图

图1-2莱森便携式地物光谱仪iSpecField-HH

2.水体光谱特性

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。

图2-1不同浑度的水体光谱反射率

2.1水体测量指标

通过高光谱测量得出的水体光谱反射率演算出COD浓度、Chl-a浓度、NH₃N浓度、TN浓度、DO浓度在河中不同区域的浓度大小。

表2-1 常用水体测量指标

3.水体光谱数据获取

3.1野外光谱数据采集

环境因素、仪器参数灵敏度、采集的方法、水体本身特性等各种因素都会影响我们野外水体光谱测量的结果，所以我们在测量前需要根据被测的水体和人物指定相应的测试方案，尽可能规避所有对所测结果产生影响的各种干扰因素，尽可能保证所得的光谱数据能够真实体现出水体本身的光谱特性，并且记录当时使用的仪器参数，测量条件以及被测水体的信息。这样测量出来的数据才具有可靠性、准确性。

3.2水样采集流程（本次未进行）

在研究区内选取20个采样点，使用标准采样器对水面至水下50cm的水柱进行取样，并测定水质参数。悬浮物浓度(mg/L)、浊度(度)分别按照GB11901—89(1990年)、GB 13200—91(1990年)进行测定，同步开展水面高光谱数据测量。

图3-1水面采样图

使用iSpecFile-HH地物光谱仪（图1-2）在350-1000 nm波谱段内按照1 nm间隔采样，水面光谱采用倾斜法进行测量，每次测定前需对辐射仪进行校正，单个样点重复采集5次，以均值为光谱反射值。图3-1为水面采样图。

3.2无人机高光谱采集流程及注意事项

3.2.1注意事项

①天气选择：晴朗无风

➢ 高光谱数据采集禁止在雨天、冰雹、大风天及其他极端天气进行数据采集；

➢ 温度过高（南方夏天零上 35℃以上）或者过低（北方冬天零下 10℃以下）需考虑无人机电池电量问题；

➢ 多云、强风的天气采集数据会极大的影响的数据质量；建议 3-4 风力等级以下；

 ➢ 6 旋翼（例如 M600）无人机的抗风等级相对较高；

 ➢ 4 旋翼（例如 M300）无人机的抗风等级相对较低；

②采集时间选择：10：00-14：00（北京时间）

➢ 高光谱的数据采集尽量选择在阳光正射被测物的时间，可根据自己的地理（经纬度）位置选择数据采集时间段；

③飞行场地选择：地势平坦且无障碍物

➢ 山地飞行建议通过卫星图或者实际测高图观测附近山体高度后再规划无人机航带；

➢ 城市飞行需考虑城市建筑物高度，需在空旷的场地起飞。（保证无人机不会在电磁复杂环境或者遮挡视线的建筑物附近起飞）；

➢ 水面飞行需考虑水面上面的风力等级以及数据拼接时有无靶标物识别等；

3.2.1数据采集流程

①环境考察：数据采集前要了解数据采集场地的周边环境以及准备采集时间的天气状况，必要时需要提前到现场观测；

②出行清单确认；

③仪器电量确认；

④采集现场设备安装：无人机-遥控器连接；无人机-地面工作站-地面控制终端连接；数据采集软件起飞前调试；

⑤无人机系统起飞调试：参数设置；航带规划；

⑥数据导出；

4.数据获取及处理

4.1数据获取

①实验仪器：本次测试使用iSpecHyper-VM100无人机高光谱（图4-1），其光谱范围400-1000nm，光谱通道数260，空间通道数348（4像元合并），探测器为高灵敏度CCD，成像镜头35mm，视场角为14.4°@f=35mm以及10%标准反射率板。（本次未使用地物光谱仪iSpecField-HH，其光谱范围300-1100，波长精度±1nm，分辨率≤3nm，光谱通道数1600，探测器2048像素）

②实验时间地点人物天气：2022年12月23日，深圳市大鹏区王母河，王海东，陈培杰，天气晴朗。图4-2为现场测试图。

图4-1 iSpecHyper-VM100无人机高光谱

图4-2 现场测试图

4.2数据处理

高光谱数据测量自带几何校正及拼接，只需将所测光谱原始数据根据所放置的标准反射率板转换为反射率，再用各波段反射率大小反演出COD、Chl-a、DO、NH₃N、TN浓度。

图4-3无人机航拍图

图4-4 高光谱扫描图及反射率谱线图

  通过反射率反演出以下五组图。

COD浓度反演图 （mg/L）                       Chl-a浓度反演图（mg/L）

DO浓度反演图（mg/L）                         NH₃N浓度反演图（mg/L）

TN浓度反演图（mg/L）

本次测试能直观体现王母河不同水域的COD、Chl-a、DO、NH₃N、TN浓度变化，但仅为高空遥感测试，还需用地物光谱仪同时进行水面采样，将采样数据进行模型选择、模型构建后，再与高光谱数据进行比对，以获得更加完善、准确的反演图。用无人机高光谱测量可实现大范围水质检测，也可以反映水质在空间、时间上的分布和变化情况以及预测未来水质变化趋势。

推荐：

便携式地物光谱仪iSpecField-NIR/WNIR

专门用于野外遥感测量、土壤环境、矿物地质勘探等领域的最新明星产品，由于其操作灵活、便携方便、光谱测试速度快、光谱数据准确是一款真正意义上便携式地物光谱仪。

无人机机载高光谱成像系统iSpecHyper-VM100

一款基于小型多旋翼无人机机载高光谱成像系统，该系统由高光谱成像相机、稳定云台、机载控制与数据采集模块、机载供电模块等部分组成。无人机机载高光谱成像系统通过独特的内置式或外部扫描和稳定控制，有效地解决了在微型无人机搭载推扫式高光谱照相机时，由于振动引起的图像质量较差的问题，并具备较高的光谱分辨率和良好的成像性能。

便携式高光谱成像系统iSpecHyper-VS1000

专门用于公安刑侦、物证鉴定、医学医疗、精准农业、矿物地质勘探等领域的最新产品，主要优势具有体积小、帧率高、高光谱分辨率高、高像质等性价比特点采用了透射光栅内推扫原理高光谱成像，系统集成高性能数据采集与分析处理系统，高速USB3.0接口传输，全靶面高成像质量光学设计，物镜接口为标准C-Mount，可根据用户需求更换物镜。