基于高光譜遙感的水體濁度反演與模型構(gòu)建

濁度是水環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要水質(zhì)參數(shù)，與懸浮物之間具有緊密聯(lián)系，是用來估計(jì)懸浮物質(zhì)量的關(guān)鍵。實(shí)時(shí)、快速監(jiān)測(cè)礦區(qū)周邊地表水水質(zhì)是防止礦區(qū)水環(huán)境污染的前提。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)手段主要通過實(shí)地定點(diǎn)采樣、實(shí)驗(yàn)室理化分析的形式獲取水質(zhì)參數(shù)，在一定程度上能排除環(huán)境干擾，對(duì)水質(zhì)指標(biāo)做出較為精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)，但采樣間隔較長、樣本點(diǎn)分布稀疏，且耗時(shí)費(fèi)力，難以完成全面實(shí)時(shí)的地表水水質(zhì)狀況監(jiān)測(cè)。遙感技術(shù)具有時(shí)效性強(qiáng)、低成本和場(chǎng)景監(jiān)測(cè)能力，可實(shí)現(xiàn)大區(qū)域水體的快速監(jiān)測(cè)，反映研究區(qū)水質(zhì)的時(shí)空變化特征。但衛(wèi)星觀測(cè)能力易受天氣、時(shí)空分辨率等限制，難以及時(shí)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

近年來，無人機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，以無人機(jī)為飛行平臺(tái)搭載高光譜傳感器，可低空作業(yè)，具有獲取數(shù)據(jù)分辨率高、光譜信息豐富等優(yōu)勢(shì)，可在一定程度上彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感對(duì)水體監(jiān)測(cè)的不足。

基于國內(nèi)諸多研究的基礎(chǔ)，聯(lián)合無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)與地面實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)、水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，采用相關(guān)性分析法選取最優(yōu)波段，分析光譜指數(shù)與水體水質(zhì)參數(shù)的定量關(guān)系，構(gòu)建反演模型，并應(yīng)用于無人機(jī)高光譜影像，生成礦區(qū)水體濁度空間分布圖，實(shí)現(xiàn)范圍性地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

01數(shù)據(jù)獲取與處理

采用大疆為搭載平臺(tái)，搭載機(jī)載高光譜，通過高光譜成像系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與獲取。根據(jù)任務(wù)要求合理規(guī)劃攝區(qū)航線，利用航跡規(guī)劃子系統(tǒng)將規(guī)劃的航線數(shù)據(jù)載入空中控制系統(tǒng)，然后按照航線數(shù)據(jù)進(jìn)行拍攝。拍攝數(shù)據(jù)將通過無線電實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂葡到y(tǒng)。為準(zhǔn)確掌握研究區(qū)水體情況，在研究區(qū)水域范圍內(nèi)均勻隨機(jī)選取20個(gè)采樣點(diǎn)，采集采樣點(diǎn)處光譜數(shù)據(jù)、水樣，并及時(shí)完成水質(zhì)參數(shù)測(cè)定。水面樣本點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)采集使用背攜式ASD光譜輻射儀，光譜響應(yīng)范圍為350～2500nm，光譜分辨率為1nm。無人機(jī)搭載傳感器獲取的光譜范圍是380～1000nm，為確保采樣光譜與無人機(jī)高光譜波長范圍一致，選用實(shí)測(cè)采樣點(diǎn)光譜350～1000nm數(shù)據(jù)。部分水體光譜曲線如圖1所示，水體實(shí)測(cè)光譜曲線基本符合標(biāo)準(zhǔn)水體反射光譜曲線，水體反射率較低，遠(yuǎn)低于其他大多數(shù)地物，水體在藍(lán)綠波段具有較強(qiáng)反射，在其他可見光波段吸收較強(qiáng)。

圖1部分樣本點(diǎn)水體光譜曲線

02研究方法

為選擇與水體參數(shù)濁度值高度相關(guān)的最優(yōu)波段，采用相關(guān)性分析法，使用采樣點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)構(gòu)建光譜歸一化差值指數(shù)，計(jì)算NDSI與采樣點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)濁度值的相關(guān)性，選取相關(guān)性最高的波段組構(gòu)建水質(zhì)反演模型，并以決定系數(shù)R2與均方根誤差RMSE作為精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)定反演模型預(yù)測(cè)精度，選取最優(yōu)反演模型，應(yīng)用于無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)反演的空間可視化。

引入均方根誤差作為驗(yàn)證反演模型精度的指標(biāo)，通過計(jì)算樣本點(diǎn)實(shí)測(cè)水質(zhì)濁度值與不同反演模型預(yù)測(cè)值之間的均方根誤差,分析不同反演模型的預(yù)測(cè)精度,進(jìn)而選取最優(yōu)模型。均方根誤差計(jì)算公式為:

公式(3)中，x_mea為采樣點(diǎn)實(shí)測(cè)水質(zhì)濁度值，x_est為模型反演預(yù)測(cè)值，n為樣本點(diǎn)總數(shù)。

03結(jié)果分析

為檢驗(yàn)所構(gòu)建反演模型的預(yù)測(cè)精度，對(duì)比采樣點(diǎn)實(shí)測(cè)濁度值與反演模型預(yù)測(cè)值，結(jié)果如圖3所示。采樣點(diǎn)實(shí)測(cè)濁度值與反演模型預(yù)測(cè)值較均勻地分布在1∶1線性附近，即模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值接近，模型預(yù)測(cè)結(jié)果可用于實(shí)際監(jiān)測(cè)需求。經(jīng)對(duì)比驗(yàn)證，反演模型預(yù)測(cè)結(jié)果具有較高精度，可用于無人機(jī)高光譜影像，進(jìn)行研究區(qū)水體濁度參數(shù)的范圍性監(jiān)測(cè)，獲取水體濁度空間可視化分布成果。

圖3水體濁度實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

基于采樣點(diǎn)實(shí)測(cè)光譜與濁度值數(shù)據(jù)構(gòu)建反演模型，滿足反演精度需求，結(jié)合同時(shí)期獲取的無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全域水體的濁度反演，并繪制水體濁度值空間分布圖，如圖4所示。研究區(qū)水體濁度值為0～45度，其中78%范圍水域濁度值為9～18度，水邊緣區(qū)域約有12%范圍濁度值達(dá)到20～45度。結(jié)果表明，該區(qū)域水體整體較為清澈，懸浮物濃度較低，濁度值較小，無明顯污染現(xiàn)象，而水域邊界處反演模型預(yù)測(cè)結(jié)果濁度值較高，與實(shí)際調(diào)研結(jié)果一致。 

圖4研究區(qū)水域濁度空間分布

04結(jié)論

結(jié)合實(shí)測(cè)樣本點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)、水體濁度，采用相關(guān)性分析方法選取與濁度相關(guān)較高的最優(yōu)波段，構(gòu)建反演模型。經(jīng)最優(yōu)波段分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波段為540、625nm，歸一化差值指數(shù)與水體濁度具有最大相關(guān)性，數(shù)值為0.762，因此基于波段（540、625nm）構(gòu)建反演模型。為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途?，?duì)比模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值發(fā)現(xiàn)，樣本點(diǎn)位置水體濁度值與反演模型預(yù)測(cè)值均勻分布在1∶1線性附近，反演精度較高。同時(shí)將反演模型應(yīng)用于無人機(jī)高光譜影像，實(shí)現(xiàn)地表水體濁度的范圍性監(jiān)測(cè)，分析水體濁度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)空間化與可視化。

研究利用無人機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、高空間分辨率的能力，對(duì)于地表水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警具有重要意義。隨著研究的深入，基于豐富的光譜信息可進(jìn)一步開展水體懸浮物濃度、CHL-a濃度以及有機(jī)物污染等方面的監(jiān)測(cè)分析，為地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)與環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支持。

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