引言

實時、快速監測礦區周圍地表水狀況是防治礦區水環境污染的前提。懸浮物（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄｓｕｂ－ｓｔａｎｃｅ，ＳＳ）是水體中懸浮物顆粒物質的總稱，濁度（ｔｕｒｂ）即水體的混濁程度是用來估計懸浮物質量的關鍵。傳統水質參數檢測手段是實地采樣，通過實驗室生化檢測獲得，該方法能對水質指標做出較為精確的評價，但由于樣品少、耗時長，難以全面表達地表水的水質狀況。遙感技術具有高動態、低成本和宏觀性等優勢，可以快速對大范圍水域進行監測，反映水質在空間和時間上的分布和變化情況。

數據采集分析

選擇河南省信陽市羅山縣定遠鄉石材開采區（３１°４４′～３１°５２′Ｎ，１１４°２６′～１１４°３４′Ｅ）水庫為研究區，使用高光譜輻射儀在３５０～１０００ｎｍ波譜段內按照１．４ｎｍ間隔采樣，１００１～２５００ｎｍ波段采樣間隔為２ｎｍ。水面光譜采用傾斜法進行測量，每次測定前需對輻射儀進行校正，單個樣點重復采集５次，以均值為光譜反射值。

依據采集光譜數據繪制水面光譜反射曲線（圖２）。由圖２可以看出，采樣點在３５０～５００ｎｍ波段區間反射率變化基本一致，光譜反射率較低，這是由于水體葉綠素與其他可溶性有機物在該波段內的吸收率較高。反射率隨著波長的增加而增大，波峰出現在５８０ｎｍ附近。達到峰值后，反射率隨著波長的增大迅速降低，在８００～１０００ｎｍ的近紅外波段趨近于０，這是由于純水的吸收波段主要在近紅外波段內。

圖2水面實測光譜反射率

使用無人機搭載推掃式高光譜相機，其光譜范圍為３８０～１０００ｎｍ，光譜和空間分辨率為3.5ｎｍ 和０.22ｍ。波段小于400ｎｍ和大于９００ｎｍ的信噪比較低，故選擇４００～９００ｎｍ 波段。對高光譜影像進行小波變換濾波見式（1）

經小波濾波去噪，高光譜數據前后對比（圖３）。

圖3無人機高光譜反射率小波去噪

研究方法

采用相關分析法，根據地面實測光譜數據與懸 浮物濃度、濁度的關系，選擇出最佳反演波段，并利用決定系數（Ｒ２）與均方根誤差（ＲＭＳＥ）對線性模型、指數模型和乘冪模型進行評定，建立水質參數反演模型。推廣到無人機高光譜數據中，選擇最優波段，對選擇出的波段進行懸浮物濃度與濁度反演。水質參數與水面光譜數據相關性分析。計算不同波長反射率與目標參數間的相關系數，分析波長反射率與目標參數之間關聯性。構建歸一化差值指數式，見式（２）。

式中：ρｉ、ρｊ代表第ｉ、ｊ波段水面實測反射率；ｉ、ｊ取值范圍為３５０～１０００ｎｍ。計算ＮＤＳＩ與懸浮物濃度、濁度間的Ｐｅａｒｓｏｎ相關系數，見式（３）。

式中：Ｒ為相關系數；ｎ為樣品總數（取值２０）；ｘｉ為第ｉ個樣品的光譜值；ｙｉ為第ｉ個樣品的水質參數。選擇相關性最高波段組合構建ＮＤＳＩ，建立研究區懸浮物濃度和濁度的反演模型。計算均方根誤差進行模型精度評定，由于樣本數量較少，本文采用留一法（ｌｅａｖｅ－ｏｎｅ－ｏｕｔ）交叉驗證數據，對模型進行精度評價。采用式（４）的表達式。

結果與分析

4.1 水質參數反演模型構建

通過逐波段遍歷構建ＮＤＳＩ，計算其與懸浮物濃度、濁度間的Ｐｅａｒｓｏｎ相關系數。建立相關性分布圖４、圖５。觀察單波段反射率與水質參數間的相關系數分布（圖４），水質參數的相關系數隨波長的變化呈現出相似的趨勢，即懸浮物濃度值越高，對應水體濁度值越高，這一現象與兩水質參數的定義相吻合。分析相關系數等值線分布（圖５），懸浮物濃度相關系數最大值為０．８５６，對應波長５００、６７０ｎｍ；濁度相關系數最大值為０．８７４，對應波長５４０與６２５ｎｍ。本研究決定以ＮＤＳＩ（５００，６７０）和ＮＤＳＩ（５４０，６２５）為自變量，分別構建研究區水庫的懸浮物濃度和濁度反演模型。

圖4懸浮物濃度、濁度與反射波譜的相關性分布

圖5相關系數等值線分布

表1水質參數反演模型分析

圖6懸浮物濃度與濁度反演結果

構建的水域水質參數（懸浮物濃度（ＳＳ）、濁度（ｔｕｒｂ））反演模型為式（５）、式（６）。

4.2無人機高光譜水質參數反演

將無人機獲取的同時期研究區高光譜影像數據結合構建的水質參數反演模型進行反演，繪制出水庫懸浮物濃度和濁度分布。如圖８所示，礦區附近水域的懸浮物濃度在０～９７ｍｇ／Ｌ，多數處在４～１３ｍｇ／Ｌ；濁度則在０～４５度，多數處在５～８度。水體較為清澈，無明顯污染現象，水庫邊界處的懸浮物濃度和濁度較高，與反演結果一致，符合實際實地調研結果。

圖8礦區水域水質參數濃度分布

結論

本文以實測光譜和采樣的水質參數為數據源建立反演模型，利用無人機高光譜遙感，實現水體懸浮物濃度和濁度的精準監測。通過實例驗證，得出結論：①采用波長５００、６７０和５４０、６２５ｎｍ計算的歸一化差值指數所構建的線性模型，可以作為懸浮物濃度與濁度的反演模型；②基于本文建立的水質參數反演模型，利用無人機高光譜遙感，可以快速監測小中型水域的水質參數。相比于衛星影像，無人機有著實時、高時間空間分辨率的優點，可用于礦區水域污染監測預警，對礦區環境保護有著重要參考意義。隨著高光譜衛星的發展，未來可以進一步探討基于高光譜衛星影像的水質反演，優化模型降低成本，提供穩定的時序監測能力，為水質監測與環保提供長期的參考與支持。

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審核編輯黃宇