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專注光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)
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無人機高光譜在水環(huán)境行業(yè)應(yīng)用全案
1. 為什么要進行水污染監(jiān)測
水是生命之源，同時作為生態(tài)系統(tǒng)的血液，是人類生存、生產(chǎn)、生活的基礎(chǔ)，充足優(yōu)質(zhì)的水資源是生態(tài)水資源是生態(tài)系統(tǒng)得以健康循環(huán)的首要條件，然而水資源卻極易受到污染，特別是一些內(nèi)陸水體、由于自然封閉性其污染問題就更加突出，同時水資源作為污染物的載體，具有動態(tài)的擴散和蔓延特性，會進一步加劇水體的污染程度。我國河流、湖泊眾多，伴隨經(jīng)濟的高速發(fā)展，人類活動的增強，河流、湖泊水質(zhì)污染問題日益嚴重，已經(jīng)成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，因此有必要利用高新技術(shù)手段展開河流、湖泊水質(zhì)污染問題研究，及時、快速的提供河流、湖泊的水質(zhì)狀況，保障人們正常的生產(chǎn)生活典型應(yīng)用領(lǐng)域。
1.1遙感技術(shù)監(jiān)測水污染的優(yōu)勢
傳統(tǒng)的河流、湖泊水質(zhì)監(jiān)測主要是采用實地采樣和實驗室分析等方法，這種監(jiān)測方法需要在河流、湖泊內(nèi)定點、定剖面進行，通過常年累月的監(jiān)測、記錄和實驗室分析，雖然能夠達到一定的數(shù)據(jù)精度，但是不能反映河流、湖泊水質(zhì)的總體時空狀況，且費時費力、監(jiān)測區(qū)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(jiān)測和評價要求。 遙感技術(shù)的發(fā)展與進步為河流、湖泊水體的監(jiān)測和研究開辟了新的途徑。遙感水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)具有高動態(tài)、低成本和宏觀性等顯著特點，在河流、湖泊水質(zhì)污染研究方面有著常規(guī)檢測不可替代的優(yōu)點。它既可以滿足大范圍水質(zhì)監(jiān)測的需要，也可以反映水質(zhì)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(fā)現(xiàn)一些常規(guī)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(xué)布設(shè)水面采樣點提供依據(jù)。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(yīng)用于遙感水質(zhì)監(jiān)測，大大提高了水質(zhì)參數(shù)的估測精度。
1.2 水體遙感的原理
水體的光學(xué)特征集中表現(xiàn)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(xué)性質(zhì)、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水的光譜特性
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(yǎng)鹽含量、有機物質(zhì)、鹽度指標(biāo))以及其他污染物、底部形態(tài)(水下地形)、水深等因素。 因此，通過遙感系統(tǒng)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(zhì)遙感定量監(jiān)測的基礎(chǔ)。
2.1 高光譜遙感的起源
多光譜技術(shù)在遙感系統(tǒng)中占有重要的地位。如美國的陸地衛(wèi)星TM、法國SPOT等一系列多光譜成像遙感器件為人類研究地球提供了大量可貴的資料。但是進一步研究發(fā)現(xiàn)，多光譜型遙感技術(shù)所提供的信息有限，不能滿足某些特定的需求，由于其光譜波段數(shù)量不足，往往會出現(xiàn)“同物異譜”、“異物同譜”的現(xiàn)象。因而在20世紀80年 代-90年代，成像高光譜技術(shù)應(yīng)運而生而且迅速獲得了發(fā)展。
2.2 高光譜遙感的定義
成像高光譜是指在電磁波波譜的紫外、可見光和近紅外區(qū)域，獲取 非常多且非常窄的波段連續(xù)的圖像信息，可為每個像素提供數(shù)十至數(shù)百個窄波段光譜信息，從而將觀測場景中對象的光譜特性以完整的光譜曲線形式記錄下來。它的理論基礎(chǔ)是波譜分析和成像光譜學(xué)。波譜分析是指通過測量和分析各種物質(zhì)反射和吸收能量產(chǎn)生的電磁波譜而對各種物質(zhì)特性進行研究。成像光譜學(xué)是指以成像形式對物質(zhì)光譜特性進行研究。
2.3 高光譜的基本原理
成像高光譜圖像數(shù)據(jù)是一個三維數(shù)據(jù)立方體，它的每一層都是一幅圖像，對應(yīng)于一個光譜波段；每個像素點位置對應(yīng)于觀測向量，這個觀測向量的數(shù)值安裝不同波段依次排列就可近似連成一條光譜曲線，不同的地物對應(yīng)于不同的光譜曲線特征。
2.4 高光譜儀的組成
高光譜成像儀的主要組成部分有：準直鏡、分光計、聚焦透鏡、面陣CCD。
2.5 水質(zhì)監(jiān)測高光譜設(shè)備-地面監(jiān)控系統(tǒng)
與傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)控設(shè)備相比其優(yōu)勢在于能監(jiān)控整條河流而非單點監(jiān)控，不僅能提供水質(zhì)的連續(xù)光譜曲線，還能提供水質(zhì)的眾多指標(biāo)，如渾度、葉綠素a、總磷、總氮、PH值、總懸浮物、化學(xué)需氧量等。
2.6 水質(zhì)監(jiān)測高光譜設(shè)備-無人機監(jiān)控系統(tǒng)
3.1 高光譜在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用
3.2 水體的高光譜曲線
3.2 水體的高光譜曲線
3.3 水體參數(shù)與高光譜的關(guān)系
3.4 無人機高光譜監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)案例
