張顯峰 丁奕文 李丹祥 侯先寶 李冬來

（上海元易勘測設(shè)計有限公司，上海 201210）

1 張家浜流域試點項目研究背景

張家浜流域試點位于上海市浦東新區(qū)張家浜區(qū)域，該區(qū)域擁有楔形綠地：北起錦繡東路、南至龍東大道，西至羅山路，東至外環(huán)高速，橫跨花木街道、張江鎮(zhèn)、金橋鎮(zhèn)、唐鎮(zhèn)4 個行政鎮(zhèn)（街道），總面積約14.5km2。楔形綠地分布于12 條河流，河流總長度為21.3km。選取該區(qū)域中的4 段河流實施水質(zhì)監(jiān)測，利用光譜水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)，研究試點區(qū)域的水質(zhì)情況，驗證該技術(shù)的可行性、可靠性以及時效性。選取的4 段河流總長度共計7km。選取河流的詳細信息如表1 所示。

表1 河流信息統(tǒng)計表

2 光譜水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)介紹

2.1 光譜原理

由于不同物質(zhì)對應(yīng)不同波長，具有不同的特性，通過這些波長特性就可以利用光譜判斷物質(zhì)的原有屬性。如，檢測河流水質(zhì)中的關(guān)鍵指標葉綠素a，可以使用光波覆蓋范圍在400nm ～1000nm 波段的無人機載高光譜設(shè)備；利用550nm ～650nm 波段的光譜就可以對總氮、總磷、氨氮、總懸浮物、化學需氧量、溶解氧等濃度信息進行分析，賦值后就可以反演COD 和氨氮濃度等信息[1]。

2.2 光譜水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)路線

張家浜河流水域的光譜水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)試點工作流程：運用無人機載高光譜水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，及時、高效地采集水域范圍內(nèi)的精細化光譜信息，建立水質(zhì)反演模型，快速分析監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的各個濃度因子，定性、定量地分析處理水質(zhì)指標參數(shù)，形成高光譜反演異常點分析結(jié)果，為水環(huán)境治理決策提供強有力的支持。

3 張家浜流域水質(zhì)監(jiān)測試點過程應(yīng)用與結(jié)果

3.1 張家浜流域水質(zhì)監(jiān)測流程

無人機載高光譜技術(shù)的監(jiān)測主要流程：首先，勘查測區(qū)周邊環(huán)境，進行信息采集，以此為基礎(chǔ)規(guī)劃無人機飛行的路線，執(zhí)行無人機的數(shù)據(jù)采集，并確保測試區(qū)域的數(shù)據(jù)采集完整；其次，人工進行實地采樣，對樣本數(shù)據(jù)進行分析；最后，進行高光譜分析，結(jié)合該區(qū)域地面水質(zhì)的采樣結(jié)果，建立水流域的水質(zhì)反演模型效果圖，通過對小流域水質(zhì)反演分析，精準掌控水流域的污染區(qū)域[2]。

3.2 張家浜流域水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

該試點水質(zhì)監(jiān)測所采用的設(shè)備是專業(yè)的高光譜設(shè)備系統(tǒng)，使用400nm ～1000nm 波段的光譜；該系統(tǒng)具有高精度、高信噪比、輕量化的特點。通過搭載專業(yè)的飛行設(shè)備，可實現(xiàn)大載重、航時長的作業(yè)優(yōu)勢，為高光譜的應(yīng)用提供靈活的平臺。張家浜流域水質(zhì)監(jiān)測共啟用無人機載采集4 架次，采集時間為同一天，所獲取原始數(shù)據(jù)量約229G，具體的數(shù)據(jù)采集情況如表2 所示。

張家浜流域中4 段河流現(xiàn)場共采集33 個水樣。本次試點現(xiàn)場水質(zhì)樣本采集化驗結(jié)果部分內(nèi)容如表3 所示。

表3 試點現(xiàn)場水質(zhì)樣本化驗信息統(tǒng)計表

3.3 對張家浜流域水質(zhì)光譜采集數(shù)據(jù)處理

為了保證水質(zhì)光譜采集數(shù)據(jù)與POS 數(shù)據(jù)的完整性，需要對無人機載光譜監(jiān)測設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，主要是對數(shù)據(jù)的輻射校正處理、發(fā)射校正處理、幾何校正處理以及波段裁剪處理等；其中的波段裁剪處理主要是為了保留400nm ～900nm 波段的數(shù)據(jù)信息。在數(shù)據(jù)預(yù)處理后，還需要對數(shù)據(jù)進行后處理，主要是幾何精校正與影像拼接處理。前者是由于數(shù)據(jù)采集、POS 定位、校正算法等原因，導(dǎo)致單景象的位置發(fā)生不同程度的變化，因此需要在一定程度上進行影像的幾何校正[3]。后者影像拼接數(shù)據(jù)處理是將多個場景或者多架次無人機采集數(shù)據(jù)拼接成完整的影像，利用ENVI 進行影像拼接處理，并調(diào)整羽化值與設(shè)置均色參數(shù)等，使拼接后的數(shù)據(jù)無明顯色差等問題。

3.4 張家浜流域水質(zhì)反演效果圖及效果分析

3.4.1 張家浜流域水質(zhì)反演效果圖

通過對河道拼接好的影像進行裁剪，去除河道兩岸的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，只保留水體部分的數(shù)據(jù)，就可以對水質(zhì)進行反演處理，主要是對水體部門的數(shù)據(jù)進行全流程反演處理，輸出的反演效果圖如圖1 所示。

圖1 三八河、張家浜反演成果圖

3.4.2 水質(zhì)反演分析

通過對4 段河流的水質(zhì)進行反演并統(tǒng)計，詳細內(nèi)容如表4 所示。

表4 四段河流水質(zhì)反演數(shù)值統(tǒng)計表

結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）進行判斷，三八河、張家浜、馬家浜與北界浜、陸家宅河、友誼河各項水質(zhì)因子數(shù)值達IV 類水標準。

3.4.3 光譜反演異常點分析

第一，對疑似污染點位劃分。根據(jù)采集水樣的監(jiān)測結(jié)果，將超標因子高錳酸鹽、氨氮、溶解氧及總磷作為本次反演結(jié)果中關(guān)注的污染物[4]?；诟吖庾V反演結(jié)果圖中污染物TP、DO、NH3-N 及高錳酸鹽濃度的變化趨勢（由綠變紅/黃片區(qū)），將紅色/黃色突出位置標定為疑似污染點位，最終標定9 個疑似污染點位。

第二，異常點主要分布情況。根據(jù)疑似污染點分布圖，對水質(zhì)異常點位進行統(tǒng)計，如表5 所示。

表5 水質(zhì)異常點統(tǒng)計表

第三，對河涌兩個疑似污染點位進行分析，以其中點位1-1 進行示意，該點位位于云山路張家浜橋西側(cè)，南面為住宅區(qū)，可能是雨水或者污水排水導(dǎo)致該點水質(zhì)數(shù)值異常[5]。該點位的疑似污染點高光譜反演結(jié)果如表6 所示。

表6 疑似污染點1-1高光譜反演結(jié)果表

因此，疑似污染點1-1 高光譜反演結(jié)果如圖2 所示。

圖2 疑似污染點影像圖

4 結(jié)語

對張家浜流域試點的光譜水質(zhì)進行監(jiān)測，依據(jù)水質(zhì)反演結(jié)果分別監(jiān)測總磷、溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)4 個水質(zhì)因子，張家浜、馬家浜、三八河與北界浜、陸家宅河、友誼河各項水質(zhì)因子數(shù)值達IV 類水標準。其中監(jiān)測中共發(fā)現(xiàn)了9 個疑似點，張家浜河道有2 個疑似污染點，其余的分布在其他河道。張家浜河道的疑似污染點位于居民住宅區(qū)附近，生活污水以及雨水的排放是導(dǎo)致水質(zhì)異常的主要原因[6-7]。本次采集的4 條河流水質(zhì)平均數(shù)值達到III 類水標準，發(fā)現(xiàn)異常點的數(shù)值均未超過IV 類水標準限值。

通過對張家浜河道試點的光譜水質(zhì)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該次提供的結(jié)果是一次性結(jié)果，不能反映河道全年各個時段的水質(zhì)情況，建議在汛期時間之外再進行1 ～2 次高光譜水質(zhì)檢測。另外，試點中采用了多旋翼無人機，該設(shè)備具有速度快、機動性高、安全性高的特點，配合高光譜技術(shù)和國內(nèi)領(lǐng)先優(yōu)勢的定姿定位技術(shù)，可以更全面地了解河涌整體的水質(zhì)濃度變化，確定疑似污染點位，精準定位排污口。定期采集河涌高光譜數(shù)據(jù)，一方面可以全面排查污染源，另一方面對治理效果進行對比評價，對該河道的整治與治理效果評估具有重要意義。