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1．什么是高光譜

成像光譜技術由分光計發展而來，它是一項新技術，又名高光譜成像技術，傳統的光譜分析技術只能做局部平均光譜分析，而高光譜能夠做到整幅圖的各個點光譜分析。成像光譜有凝視成像型、推帚型、擺掃型。它能夠在生成一副圖像的同時獲取這副圖像每個像素點的光譜信息，實現“圖譜合一”。高光譜獲取的光譜信息能夠包括圖像中任何一個像素點的光譜，而普通的地物光譜儀只能獲取測試地物的平均光譜，所以高光譜獲取的數據能夠跟準確、精細地去分析被測地物。它的出現標志著光學遙感進入了高光譜遙感階段，利用從高光譜數據反演的地物反射光譜特征，能研究地球表面物體的分類、物質的成分、含量、存在狀態、空間分布及動態變化。

1.1遙感技術監測水質的優勢

傳統的河流、湖泊水質監測主要是采用實地采樣和實驗室分析等方法，這種監測方法需要在河流、湖泊內定點、定剖面進行，通過常年累月的監測、記錄和實驗室分析，雖然能夠達到一定的數據精度，但是不能反映河流、湖泊水質的總體時空狀況，且費時費力、監測區域有限，只具有局部和典型的代表意義，不能滿足實時、快速、大尺度的監測和評價要求。

遙感技術的發展與進步為河流、湖泊水體的監測和研究開辟了新的途徑。遙感水質監測技術具有高動態、低成本和宏觀性等顯著特點，在河流、湖泊水質污染研究方面有著常規檢測不可替代的優點。它既可以滿足大范圍水質監測的需要，也可以反映水質在空間和時間上的分布和變化情況，彌補了單一采用水面采樣的不足，同時還能發現一些常規方法難以揭示的污染源的分布以及污染物的遷移特征和影響范圍，為科學布設水面采樣點提供依據。高光譜遙感由于其高精度、多波段、信息量大等特點被廣泛應用于遙感水質監測，大大提高了水質參數的估測精度。

1.2水體遙感的原理

水體的光學特征集中表現在可見光在水體中的輻射傳輸過程，包括水面的入射輻射、水的光學性質、表面粗糙度、日照角度與觀測角度、氣–水界面的相對折射率以及在某些情況下還涉及水底反射光等。對于清水，在藍—綠光波段反射率為4%~5%。0.5um以下的紅光部分反射率降到2%~3%，在近紅外、短波紅外部分幾乎吸收全部的入射能量。因此水體在這兩個波段的反射能量很小。這一特征與植物形成十分明顯的差異，水在紅外波段(NIR, SWIR)的強吸收，而植被在這一波段有一個反射峰，因而在紅外波段識別水體是較容易的。

1.3水體遙感的測試流程

無人機高光譜成像系統要實現水質定性定量從宏觀空間和時間上污染分布變化，不簡單是高光譜數據采集，要實現空間分布及定量測量，還需同時用地物光譜儀去進行水面采樣，將采樣數據進行水質化學參數分析后，再與高光譜數據進行比對、匹配，完成模型。圖1-1為無人機高光譜水質檢測流程圖；圖1-2為萊森光學地物光譜儀。

圖1-1無人機高光譜水質檢測流程圖

圖1-2萊森便攜式地物光譜儀iSpecField-HH

2.水體光譜特性

水體的光譜特性不僅是通過表面特征確定的，它包含了一定深度水體的信息，且這個深度及反映的光譜特性是隨時空而變化的。水色(即水體的光譜特性)主要決定于水體中浮游生物含量(葉綠素濃度)、懸浮固體含量(混濁度大小)、營養鹽含量、有機物質、鹽度指標以及其他污染物、底部形態(水下地形)、水深等因素。因此，通過遙感系統測量并分析水體吸收和散射太陽輻射而形成的光譜特征，是水質遙感定量監測的基礎。

圖2-1不同渾度的水體光譜反射率

2.1水體測量指標

通過高光譜測量得出的水體光譜反射率演算出COD濃度、Chl-a濃度、NH₃N濃度、TN濃度、DO濃度在河中不同區域的濃度大小。

表2-1 常用水體測量指標

3.水體光譜數據獲取

3.1野外光譜數據采集

環境因素、儀器參數靈敏度、采集的方法、水體本身特性等各種因素都會影響我們野外水體光譜測量的結果，所以我們在測量前需要根據被測的水體和人物指定相應的測試方案，盡可能規避所有對所測結果產生影響的各種干擾因素，盡可能保證所得的光譜數據能夠真實體現出水體本身的光譜特性，并且記錄當時使用的儀器參數，測量條件以及被測水體的信息。這樣測量出來的數據才具有可靠性、準確性。

3.2水樣采集流程（本次未進行）

在研究區內選取20個采樣點，使用標準采樣器對水面至水下50cm的水柱進行取樣，并測定水質參數。懸浮物濃度(mg/L)、濁度(度)分別按照GB11901—89(1990年)、GB 13200—91(1990年)進行測定，同步開展水面高光譜數據測量。

圖3-1水面采樣圖

使用iSpecFile-HH地物光譜儀（圖1-2）在350-1000 nm波譜段內按照1 nm間隔采樣，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。圖3-1為水面采樣圖。

3.2無人機高光譜采集流程及注意事項

3.2.1注意事項

①天氣選擇：晴朗無風

? 高光譜數據采集禁止在雨天、冰雹、大風天及其他極端天氣進行數據采集；

? 溫度過高（南方夏天零上 35℃以上）或者過低（北方冬天零下 10℃以下）需考慮無人機電池電量問題；

? 多云、強風的天氣采集數據會極大的影響的數據質量；建議 3-4 風力等級以下；

 ? 6 旋翼（例如 M600）無人機的抗風等級相對較高；

 ? 4 旋翼（例如 M300）無人機的抗風等級相對較低；

②采集時間選擇：10：00-14：00（北京時間）

? 高光譜的數據采集盡量選擇在陽光正射被測物的時間，可根據自己的地理（經緯度）位置選擇數據采集時間段；

③飛行場地選擇：地勢平坦且無障礙物

? 山地飛行建議通過衛星圖或者實際測高圖觀測附近山體高度后再規劃無人機航帶；

? 城市飛行需考慮城市建筑物高度，需在空曠的場地起飛。（保證無人機不會在電磁復雜環境或者遮擋視線的建筑物附近起飛）；

? 水面飛行需考慮水面上面的風力等級以及數據拼接時有無靶標物識別等；

3.2.1數據采集流程

①環境考察：數據采集前要了解數據采集場地的周邊環境以及準備采集時間的天氣狀況，必要時需要提前到現場觀測；

②出行清單確認；

③儀器電量確認；

④采集現場設備安裝：無人機-遙控器連接；無人機-地面工作站-地面控制終端連接；數據采集軟件起飛前調試；

⑤無人機系統起飛調試：參數設置；航帶規劃；

⑥數據導出；

4.數據獲取及處理

4.1數據獲取

①實驗儀器：本次測試使用iSpecHyper-VM100無人機高光譜（圖4-1），其光譜范圍400-1000nm，光譜通道數260，空間通道數348（4像元合并），探測器為高靈敏度CCD，成像鏡頭35mm，視場角為14.4°@f=35mm以及10%標準反射率板。（本次未使用地物光譜儀iSpecField-HH，其光譜范圍300-1100，波長精度±1nm，分辨率≤3nm，光譜通道數1600，探測器2048像素）

②實驗時間地點人物天氣：2022年12月23日，深圳市大鵬區王母河，王海東，陳培杰，天氣晴朗。圖4-2為現場測試圖。

圖4-1 iSpecHyper-VM100無人機高光譜

圖4-2 現場測試圖

4.2數據處理

高光譜數據測量自帶幾何校正及拼接，只需將所測光譜原始數據根據所放置的標準反射率板轉換為反射率，再用各波段反射率大小反演出COD、Chl-a、DO、NH₃N、TN濃度。

圖4-3無人機航拍圖

圖4-4 高光譜掃描圖及反射率譜線圖

  通過反射率反演出以下五組圖。

COD濃度反演圖 （mg/L）                       Chl-a濃度反演圖（mg/L）

DO濃度反演圖（mg/L）                         NH₃N濃度反演圖（mg/L）

TN濃度反演圖（mg/L）

本次測試能直觀體現王母河不同水域的COD、Chl-a、DO、NH₃N、TN濃度變化，但僅為高空遙感測試，還需用地物光譜儀同時進行水面采樣，將采樣數據進行模型選擇、模型構建后，再與高光譜數據進行比對，以獲得更加完善、準確的反演圖。用無人機高光譜測量可實現大范圍水質檢測，也可以反映水質在空間、時間上的分布和變化情況以及預測未來水質變化趨勢。

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一款基于小型多旋翼無人機機載高光譜成像系統，該系統由高光譜成像相機、穩定云臺、機載控制與數據采集模塊、機載供電模塊等部分組成。無人機機載高光譜成像系統通過獨特的內置式或外部掃描和穩定控制，有效地解決了在微型無人機搭載推掃式高光譜照相機時，由于振動引起的圖像質量較差的問題，并具備較高的光譜分辨率和良好的成像性能。

便攜式高光譜成像系統iSpecHyper-VS1000

專門用于公安刑偵、物證鑒定、醫學醫療、精準農業、礦物地質勘探等領域的最新產品，主要優勢具有體積小、幀率高、高光譜分辨率高、高像質等性價比特點采用了透射光柵內推掃原理高光譜成像，系統集成高性能數據采集與分析處理系統，高速USB3.0接口傳輸，全靶面高成像質量光學設計，物鏡接口為標準C-Mount，可根據用戶需求更換物鏡。