大禹治水|基于Specvision-W河流水质监测及污染源排查

1 引言

　　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。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。伴随着遥感技术的不断进步，水质监测已由定性描述转向定量分析，同时可监测的水质参数逐渐增加，反演精度也不断提高，在水资源的保护、规划和可持续发展方面发挥了重大作用。

2 研究区域与航测情况

　　本次研究区域位于安徽省，机载数据获取时间为2021年10月21日上午，天气为阴。机载影像数据采集采用无锡谱视界科技有限公司的大禹Specvision-W无人机光谱成像指数分析系统（图1），大禹Specvision-W内嵌多种水体指标和植被指数模型，可实现随无人机飞行快速反映河流水质状况以及周边林草长势状况。具体的相机性能如表1所示。图2为大禹Specvision-W无人机飞行路线规划，图3为大禹Specvision-W飞行数据拼接效果图，图4为拼接影像与Google卫星影像图匹配图。

图1 大禹 Specvision-W 无人机光谱成像指数分析系统

图2 大禹 Specvision-W 无人机飞行路线规划

图3 大禹 Specvision-W 飞行数据拼接效果图

图4 大禹Specvision-W拼接影像与Google卫星影像图匹配图

3 无人机多光谱影像河流提取方法

　　机载影像数据中不仅包含了检测目标河流，还有包括建筑物、农田、植被、道路等其他类别。从飞行影像中提取感兴趣的目标物（水体），主要分为监督分类和非监督分类两种方法，本次飞行数据对比SVM（支持向量机）、nearest neighbors（最近邻）、random forest（随机森林）、k-Means等分类方法，采用SVM对拼接好的光谱数据进行分类，提取河流信息。在此基础上利用公司基于多年的数据构建的模型对总磷、总氮、氨氮、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量等水质参数进行反演，总体精度误差在30%以内。

3.1 总磷反演分布图

   总磷是水样经消解后将各种形态的磷转变成正磷酸盐后测定的结果，以每升水样含磷毫克数计量。水中磷可以以元素磷、正磷酸盐、缩合磷酸盐、焦磷酸盐、偏磷酸盐和有机团结合的磷酸盐等形式存在。其主要来源为生活污水、化肥、有机磷农药及近代洗涤剂所用的磷酸盐增洁剂等。水体中的磷是藻类生长需要的一种关键元素，过量磷是造成水体污秽异臭，使湖泊发生富营养化和海湾出现赤潮的主要原因。

图5 光谱数据水质参数总磷反演分布图

3.2 总氮反演分布图

　　水中的总氮含量是衡量水质的重要指标之一。总氮的定义是水中各种形态无机和有机氮的总量。包括NO3-、NO2-和NH4+等无机氮和蛋白质、氨基酸和有机胺等有机氮，以每升水含氮毫克数计算。常被用来表示水体受营养物质污染的程度。总氮作为是衡量水质的重要指标之一，其测定有助于评价水体被污染和自净状况。地表水中氮、磷物质超标时，微生物大量繁殖，浮游生物生长旺盛，出现富营养化状态。

图 6 光谱数据水质参数总氮反演分布图

3.3 氨氮反演分布图

　　氨氮是指以氨或铵离子形式存在的化合氮，即水中以游离氨（NH3）和铵离子（NH4+）形式存在的氮。氨氮是水体中的营养素，可导致水富营养化现象产生，是水体中的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害。

   图7 光谱数据水质参数氨氮反演分布图

3.4 溶解氧反演分布图

　　溶解氧是指溶解在水中的空气中的分子态氧，用每升水里氧气的毫克数表示。水中溶解氧的量与其和大气接触面的大小有关，接触面越大含溶解氧愈多，又随水温升高而减少，随氧分压升高而增加。在正常状态下，地面水中溶解氧应接近饱和状态，溶解氧的含量能够反映出水体的污染程度，是用于衡量水体污染的一个重要指标。越是干净的水，所含溶解氧就越多，而污染越厉害，水中的溶解氧就越少。水中生物所需的氧气全靠溶解氧来供应，有机物的分解和氧化还原反应等都需溶解氧，所以溶解氧是水体实现自净的重要条件。

图 8 光谱数据水质参数溶解氧反演分布图

3.5 高锰酸盐指数反演分布图

   高锰酸钾指数是指在一定条件下，以高锰酸钾为氧化剂，处理水样时所消耗的氧量，以氧的mg/L来表示。水中部分的有机物及无机物可消耗高锰酸钾。因此，高锰酸钾指数常作为水体受有机物污染程度的综合指标。

图 9 光谱数据水质参数高锰酸盐反演分布图

3.6 化学需氧量反演分布图

　　化学需氧量是在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量。它是表示水中还原性物质多少的一个指标。水中的还原性物质有各种有机物、亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等，但主要的是有机物。因此，化学需氧量（COD）又往往作为衡量水中有机物质含量多少的指标。化学需氧量越大，说明水体受有机物的污染越严重。

     图10 光谱数据水质参数化学需氧量反演分布图

4 疑似水体污染源标记

　　根据飞行区域 A 和飞行区域 B 总磷、总氮、氨氮、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量等 6 水质参数反演结果，综合 6 种反演结果图高值对疑似污染源进行标记。图 11 中，对河流进行疑似污染源标记，共标注 5 个疑似污染源。飞行区域 A 综合 6 种指标高值来看，3号和 5 号污染源相对比较严重，单从总氮反演结果来看，均为 5 类以上水质。飞行区域 B 1号、2 号、5 号污染源可能是存在排污口，3 号和 4 号污染源可能是由于河流冲刷堆积。

图11 根据多种水质参数反演结果排除河流疑似污染源