一种利用无人机搭载光谱仪的水质监测方法与流程

本发明涉及一种水质参数的反演方法，具体地说是涉及一种利用无人机搭载光谱仪，建立水质参数与水体光谱反射率的关系模型，从而利用光谱反射率反演获取水质参数的方法。

背景技术：

内陆湖泊、河流是淡水资源的重要存储地，关系到人们的饮水安全、公众健康和疾病控制，更广泛意义上水质状况关系到整个生态环境。然而，随着经济社会飞速发展和工业化程度加剧及人为活动的影响，河湖的水生态环境保护面临着严峻的挑战：河道干涸湖泊萎缩，水环境状况恶化，河湖功能退化等，这些水生态事件引起了公众的强烈反响。政府创新提出“河长制”，即各级政府的主要负责人担任辖区内重要河流的河长，以负责河道、水源地的水环境、水资源的治理与保护，到2018年年底前全面建立“河长制”。河湖管理保护是一项复杂的系统工程，需要因地制宜，这就需要有一套规范、高效和便捷的监测方法。

水质监测是水质评价与水污染防治的主要依据。我国河流湖泊水质常规的检测方法是采集水样，然后进行实验室分析，并根据分析数据采用单一参数评价指数法或多参数的综合评价法进行水质评价。该方法虽然能对众多的水质指标作出精确的分析和评价，但费时费力，不经济；而且水样采集和分析的数量有限，对整个河流湖泊而言，不具有典型的代表意义。遥感技术的出现和发展，给水质的监测评价提供新的机遇与选择。传统的遥感监测方法可以反映水质在空间和时间上的分布和变化情况，发现一些局部采样方法难以揭示的污染源和污染物迁移特征。然而，由于大多河流湖泊尺度较小，变化快，影响因素多，卫星遥感空间和时间分辨率较低不能满足监测精度的要求。为此，需要设计相应的技术方案给予解决。

技术实现要素：

本发明是针对现有技术存在的不足，提供了一种基于无人机搭载光谱仪监测水质的方法，建立了水体光谱反射率和水质参数的关系模型，通过水体反射率反演获取水质参数，满足实际使用要求。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种基于无人机搭载光谱仪监测水质的方法，建立了水体光谱反射率和水质参数的关系模型，通过水体反射率反演获取水质参数，其包括以下步骤：(1)水质参数获取：采用rbr多参数水质测量仪测量水体表层的水质参数，包括：叶绿素a浓度，浊度；

(2)水体反射率获取：整个系统分为空中系统和地面系统两个部分，无人机搭载光谱仪悬停在指定水域上空，通过地面笔记本电脑配置的远程控制软件操控空中系统无人机搭载光谱仪获取水体反射率iw，地面系统光谱仪测量白板反射率获取ir下行辐照度，两个光谱仪操作同步进行。

(3)光谱仪噪音去除：用纯黑色遮光罩覆盖asd光谱仪探头，设置asd光谱仪不同曝光时间进行测量，获取仪器在不同曝光时间下的噪音数据id，计算反射率；

(4)水面太阳反射光去除：asd光谱仪波段分辨率为1nm，范围为325nm-1075nm，提取380nm-390nm和890nm-900nm两个波段范围，通过线性和非线性两种方式拟合能量函数，以该能量函数代表各波段太阳反射光能量，在原始数据各波段减去能量函数值即可获得去除太阳反射光的结果；

(5)水体反射率与水质参数关系模型：将上一步获取的各水体的反射率同各水质参数分别建立关系模型，选取最优单波段和多波段组合作为因子反演水质参数。

作为上述技术方案的改进，步骤(1)中所述水质参数测量仪器位置在水下距水表面0.5m以内，测时测位与光谱采集相同。

作为上述技术方案的改进，步骤(2)中所述飞机飞行高度应能保证视野内无河岸影响，视场内均为水体，空地两台光谱仪同步测量，曝光时间依据光场强度设置为相同。

作为上述技术方案的改进，步骤(3)中所述两台仪器需要对相同的地物进行多组测量，进行仪器标定。

作为上述技术方案的改进，在步骤(5)建模型中，应依据不同水质参数选取与之对应的最优波段值进行反演。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

本方案通过无人机系统监测水质具有监测范围广、速度快、成本低和便于进行长期动态监测的优点，并且可弥补卫星遥感监测时空分辨率较低的劣势，可重点监测某些重要水域。

附图说明

图1是为本发明无人机的系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

如图1所示：为本发明无人机的系统结构示意图。

(一)构建系统

整个无人机监测水质数据采集系统可以分为空中部分和地面部分，如图1所示：

空中部分主要包括：一个无人机平台作为主体1和与其配套的部件，如搭载于无人机云台2的第一光谱仪5，与第一光谱仪5连接的微型计算机3，为微型计算机3提供无线网络信号的4g信号卡4，控制无人机飞行的地面遥控设备6，配置远程控制系统的笔记本电脑7，地面测量下行辐照度的第二光谱仪8以及白板9等；其中，第一光谱仪5和第二光谱仪8垂直指向监测水面，4g信号卡4插入微型计算机3中，微型计算机3通过4g信号卡4提供的无限网络与地面控制部分相连接，并根据地面控制基站的要求开始、停止、关闭，接收传感器所监测到的光谱数据，并通过无线网络实时传递给地面基站供地面控制人员实时查阅。

(二)基于无人机搭载光谱仪监测水质的方法，建立了水体光谱反射率和水质参数的关系模型，通过水体反射率反演获取水质参数，包括以下步骤：

(1)水质参数获取：采用rbr多参数水质测量仪测量水体表层的水质参数，包括：叶绿素a浓度，浊度；

(2)水体反射率获取：整个系统分为空中系统和地面系统两个部分，无人机搭载光谱仪悬停在指定水域上空，通过地面笔记本电脑配置的远程控制软件操控空中系统无人机搭载光谱仪获取水体反射率iw，地面系统光谱仪测量白板反射率获取ir下行辐照度，两个光谱仪操作同步进行。

(3)光谱仪噪音去除：用纯黑色遮光罩覆盖asd光谱仪探头，设置asd光谱仪不同曝光时间进行测量，获取仪器在不同曝光时间下的噪音数据id，计算反射率；

(4)水面太阳反射光去除：asd光谱仪波段分辨率为1nm，范围为325nm-1075nm，提取380nm-390nm和890nm-900nm两个波段范围，通过线性和非线性两种方式拟合能量函数，以该能量函数代表各波段太阳反射光能量，在原始数据各波段减去能量函数值即可获得去除太阳反射光的结果；

(5)水体反射率与水质参数关系模型：将上一步获取的各水体的反射率同各水质参数分别建立关系模型，选取最优单波段和多波段组合作为因子反演水质参数。

具体地，步骤(1)中所述水质参数测量仪器位置在水下距水表面0.5m以内，测时测位与光谱采集相同；步骤(2)中所述飞机飞行高度应能保证视野内无河岸影响，视场内均为水体，空地两台光谱仪同步测量，曝光时间依据光场强度设置为相同；步骤(3)中所述两台仪器需要对相同的地物进行多组测量，进行仪器标定；在步骤(5)建模型中，应依据不同水质参数选取与之对应的最优波段值进行反演。

本发明采用无人机摄影遥感监测在同样具有监测范围广、速度快、成本低和便于进行长期动态监测的优点，从根本上弥补了卫星遥感监测时空分辨率较低的劣势，并且可重点监测某些重要水域，成为研究前沿热点。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。