1►项目背景
2023年5月，长光禹辰信息技术与装备（青岛）有限公司在杭州长光产业技术研究院的组织下赴杭州市滨江区开展多光谱水质遥感技术测试。本次测试经过实地采样、空地数据耦合、水质参数反演等一系列技术处理，实现对广域的水环境定量反演，打破传统“以点代面”的监测方式，为河道水环境监测和水生态质量研究提供了科学的参考，为行业提供了除传统电化学等监测技术以外的新一种水质监测解决方案。同时公司力争通过接下来的几轮测试，进一步积累水质数据、优化技术方案，为基层环保监测与治理提供数据支撑，助力地方经济健康、可持续发展。
2►数据采集
【1】多光谱影像数据
本项目采用M300 RTK+AQ600 Pro无人机载多光谱遥感系统进行数据采集，系统航时可达35min，单架次可执行约5km河道的数据采集工作。
图1 M300 RTK+AQ600 Pro多光谱遥感系统
本次2条河道（以河道1、河道2命名，下同）飞行分别采用带状航线，河道1飞行时间5min，共采集0.8km河道；河道2飞行时间12min，共采集2.4km河道。
表1 飞行参数
【2】水样数据获取
水样数据采用绳索加采水器抛掷沉没取样的方式进行获取，每次取样深度在表层水面下0.5m处，并且与无人机数据同步获取，后进行实验室检测。
图2 水样采集
3►数据处理
使用长光禹辰自主研发的数据预处理软件Yusense Map对多光谱原始数据进行预处理，经过 波段配准-拼接-反射率校正 三个步骤，最终生成两个河道的多光谱正射影像DOM。
图3 河道真彩色影像
4►水体质量评估
【1】富营养化分析
河道水体的富营养化是一个普遍存在的问题。无人机载多光谱遥感可基于水体中叶绿素a、溶解有机物的浓度等要素的相对分布趋势，辅助判断水体是否存在富营养化的问题。
长光禹辰自主研发的行业应用软件Yusense Map Plus的河道生态中的水体富营养化分析模块，可以对拼接的TIFF影像进行河道水体富营养化程度的分析，并且可以一键导出河道水面线、河道富营养化栅格文件和河道富营养化专题图等多种成果。
图4 富营养化监测专题图
本次项目中河道1的水质情况较好，基本不存在富营养化情况，仅有少量岸线树荫影响边缘水体反射信号而出现轻度富营养化现象；河道2整体存在轻度富营养化现象，主要是受到周围植被生长和人类活动的影响，致使河道水体有机物与叶绿素含量升高。
【2】黑臭水体污染分析
黑臭水是指由于有机物的堆积和腐烂而导致的水体异味和变黑的现象。无人机载多光谱遥感主要基于水体色度、浊度等指标的差异，辅助判断水体是否存在黑臭水污染问题。
使用长光禹辰自主研发的行业应用软件Yusense Map Plus的河道生态中的黑臭水污染分析模块，可以对拼接的TIFF影像进行河道黑臭水污染的分析，并且可以一键导出河道水面线、河道黑臭水污染栅格文件和河道黑臭水污染专题图等多种成果。
图5 黑臭水体监测专题图
本次项目中河道1和河道2均不存在黑臭水污染现象的发生，这与我们实地采集水样的实验室测定情况保持一致，说明在全国黑臭水污染治理的大背景下，各地区针对黑臭水体的治理效果是非常显著的。
5►水质参数定量反演
水质参数定量反演是一种通过分析水样中的特定水质参数，如总氮、总磷等，利用光谱分析和数学建模等数据处理技术来估算水体水质参数含量的方法。
本项目对河道1和河道2的总氮、总磷、氨氮、溶解氧、高锰酸盐、叶绿素a等6项常用水质参数进行定量反演。反演过程中，首先分析采样点水体的光谱特征与实测数值之间的耦合结果，并提取出特征波段或特征指数，之后使用光谱特征差异与神经网络分类结合的方法构建反演模型，最后将最优模型应用于全局河道水体进行水质参数反演。以下组图展示结果为河道1、河道2各水质参数的空间分布状态与数值误差。
图6 多种水质参数进行定量反演（左右滑动查看更多图片）
各水质参数的反演结果精度评价参考实验室化学标准，即以水质实测数值（折线图中样本值折线）为基准，对用于验证的数据集进行相对误差评定，结果如表2所示。
表2 精度评价
采用多光谱进行水质参数定量反演误差普遍＜20%，其中总磷、氨氮两项指标相对误差较大。总磷偏差较大原因主要为水体内总磷含量较低，波动性小，对遥感建模的样本覆盖度不足；氨氮误差较大主要原因为样本数值分布集中且跳跃式分布，受单点数值变化与测量精度影响较大。
相较于高光谱遥感水质监测技术，在测量精度贴合相关部门进行的水环境常态化巡查与监测工作要求的前提下，多光谱使用更低的成本与更小的数据量即可满足常用水质参数的行业应用，为水环境状态准确评估与水域水质参数的时空变化提供有力的支持。本次项目经与杭州滨江区相关部门汇报沟通，目前使用多光谱遥感进行水质参数反演不仅可以一定程度降低水样采集成本，同时反演精度可以满足日常对水环境调查与评估的需求。
6►项目总结
无人机多光谱遥感技术，可以获取大范围、连续性的影像，覆盖场景包括河道、航道、湖库、岸线、水源地等水域充沛的场景。除进行水体富营养化与黑臭水体污染的相对趋势评估辅助水环境监测外，通过构建相关水质参数的定量反演模型，可以实现对多尺度水体的定量反演，避免传统“以点代面”的监测方式，同时也可达到对水质参数的全局监测和预警效果，相关成果可为环保部门水环境治理提供参考信息，也为水环境治理提供新的技术手段。