针对光谱水质监测在张家浜流域试点工作的研究与分析

张显峰 丁奕文 李丹祥 侯先宝 李冬来

（上海元易勘测设计有限公司，上海 201210）

1 张家浜流域试点项目研究背景

张家浜流域试点位于上海市浦东新区张家浜区域，该区域拥有楔形绿地：北起锦绣东路、南至龙东大道，西至罗山路，东至外环高速，横跨花木街道、张江镇、金桥镇、唐镇4 个行政镇（街道），总面积约14.5km2。楔形绿地分布于12 条河流，河流总长度为21.3km。选取该区域中的4 段河流实施水质监测，利用光谱水质监测技术，研究试点区域的水质情况，验证该技术的可行性、可靠性以及时效性。选取的4 段河流总长度共计7km。选取河流的详细信息如表1 所示。

表1 河流信息统计表

2 光谱水质监测技术介绍

2.1 光谱原理

由于不同物质对应不同波长，具有不同的特性，通过这些波长特性就可以利用光谱判断物质的原有属性。如，检测河流水质中的关键指标叶绿素a，可以使用光波覆盖范围在400nm ～1000nm 波段的无人机载高光谱设备；利用550nm ～650nm 波段的光谱就可以对总氮、总磷、氨氮、总悬浮物、化学需氧量、溶解氧等浓度信息进行分析，赋值后就可以反演COD 和氨氮浓度等信息[1]。

2.2 光谱水质监测技术路线

张家浜河流水域的光谱水质监测技术试点工作流程：运用无人机载高光谱水质监测设备，及时、高效地采集水域范围内的精细化光谱信息，建立水质反演模型，快速分析监测区域内的各个浓度因子，定性、定量地分析处理水质指标参数，形成高光谱反演异常点分析结果，为水环境治理决策提供强有力的支持。

3 张家浜流域水质监测试点过程应用与结果

3.1 张家浜流域水质监测流程

无人机载高光谱技术的监测主要流程：首先，勘查测区周边环境，进行信息采集，以此为基础规划无人机飞行的路线，执行无人机的数据采集，并确保测试区域的数据采集完整；其次，人工进行实地采样，对样本数据进行分析；最后，进行高光谱分析，结合该区域地面水质的采样结果，建立水流域的水质反演模型效果图，通过对小流域水质反演分析，精准掌控水流域的污染区域[2]。

3.2 张家浜流域水质监测数据采集

该试点水质监测所采用的设备是专业的高光谱设备系统，使用400nm ～1000nm 波段的光谱；该系统具有高精度、高信噪比、轻量化的特点。通过搭载专业的飞行设备，可实现大载重、航时长的作业优势，为高光谱的应用提供灵活的平台。张家浜流域水质监测共启用无人机载采集4 架次，采集时间为同一天，所获取原始数据量约229G，具体的数据采集情况如表2 所示。

张家浜流域中4 段河流现场共采集33 个水样。本次试点现场水质样本采集化验结果部分内容如表3 所示。

表3 试点现场水质样本化验信息统计表

3.3 对张家浜流域水质光谱采集数据处理

为了保证水质光谱采集数据与POS 数据的完整性，需要对无人机载光谱监测设备采集到的数据进行预处理，主要是对数据的辐射校正处理、发射校正处理、几何校正处理以及波段裁剪处理等；其中的波段裁剪处理主要是为了保留400nm ～900nm 波段的数据信息。在数据预处理后，还需要对数据进行后处理，主要是几何精校正与影像拼接处理。前者是由于数据采集、POS 定位、校正算法等原因，导致单景象的位置发生不同程度的变化，因此需要在一定程度上进行影像的几何校正[3]。后者影像拼接数据处理是将多个场景或者多架次无人机采集数据拼接成完整的影像，利用ENVI 进行影像拼接处理，并调整羽化值与设置均色参数等，使拼接后的数据无明显色差等问题。

3.4 张家浜流域水质反演效果图及效果分析

3.4.1 张家浜流域水质反演效果图

通过对河道拼接好的影像进行裁剪，去除河道两岸的相关数据信息，只保留水体部分的数据，就可以对水质进行反演处理，主要是对水体部门的数据进行全流程反演处理，输出的反演效果图如图1 所示。

图1 三八河、张家浜反演成果图

3.4.2 水质反演分析

通过对4 段河流的水质进行反演并统计，详细内容如表4 所示。

表4 四段河流水质反演数值统计表

结合《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）进行判断，三八河、张家浜、马家浜与北界浜、陆家宅河、友谊河各项水质因子数值达IV 类水标准。

3.4.3 光谱反演异常点分析

第一，对疑似污染点位划分。根据采集水样的监测结果，将超标因子高锰酸盐、氨氮、溶解氧及总磷作为本次反演结果中关注的污染物[4]。基于高光谱反演结果图中污染物TP、DO、NH3-N 及高锰酸盐浓度的变化趋势（由绿变红/黄片区），将红色/黄色突出位置标定为疑似污染点位，最终标定9 个疑似污染点位。

第二，异常点主要分布情况。根据疑似污染点分布图，对水质异常点位进行统计，如表5 所示。

表5 水质异常点统计表

第三，对河涌两个疑似污染点位进行分析，以其中点位1-1 进行示意，该点位位于云山路张家浜桥西侧，南面为住宅区，可能是雨水或者污水排水导致该点水质数值异常[5]。该点位的疑似污染点高光谱反演结果如表6 所示。

表6 疑似污染点1-1高光谱反演结果表

因此，疑似污染点1-1 高光谱反演结果如图2 所示。

图2 疑似污染点影像图

4 结语

对张家浜流域试点的光谱水质进行监测，依据水质反演结果分别监测总磷、溶解氧、氨氮、高锰酸盐指数4 个水质因子，张家浜、马家浜、三八河与北界浜、陆家宅河、友谊河各项水质因子数值达IV 类水标准。其中监测中共发现了9 个疑似点，张家浜河道有2 个疑似污染点，其余的分布在其他河道。张家浜河道的疑似污染点位于居民住宅区附近，生活污水以及雨水的排放是导致水质异常的主要原因[6-7]。本次采集的4 条河流水质平均数值达到III 类水标准，发现异常点的数值均未超过IV 类水标准限值。

通过对张家浜河道试点的光谱水质监测，发现该次提供的结果是一次性结果，不能反映河道全年各个时段的水质情况，建议在汛期时间之外再进行1 ～2 次高光谱水质检测。另外，试点中采用了多旋翼无人机，该设备具有速度快、机动性高、安全性高的特点，配合高光谱技术和国内领先优势的定姿定位技术，可以更全面地了解河涌整体的水质浓度变化，确定疑似污染点位，精准定位排污口。定期采集河涌高光谱数据，一方面可以全面排查污染源，另一方面对治理效果进行对比评价，对该河道的整治与治理效果评估具有重要意义。