水體參數(shù)高光譜反演模型對比研究

引言

經(jīng)濟的發(fā)展提升了人們的生活水平，但有時會對環(huán)境造成嚴重而不可逆的影響，其中水污染尤其嚴重。對水體而言，最嚴重的問題就是氮磷的超標導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水中營養(yǎng)元素過剩，引起水質(zhì)惡化。因此，對河流中氮磷污染物進行實時監(jiān)測是控制河流的氮磷污染的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的河流、湖泊水質(zhì)監(jiān)測主要采用實地采樣和實驗室分析等方法，這種監(jiān)測方法精確度較高，但涵蓋的區(qū)域有限，無法實時監(jiān)測。

遙感技術(shù)可以彌補傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測方法的不足，進而可以實現(xiàn)實時監(jiān)測。其中高光譜遙感數(shù)據(jù)波段維度多，波長范圍廣，可以精確地采集到由于水體組分變化導(dǎo)致水體反射光線發(fā)生的差異，實現(xiàn)對水質(zhì)精確監(jiān)測。目前，國內(nèi)外學(xué)者利用高光譜遙感技術(shù)，構(gòu)建了針對特定水域的總磷、總氮的模型，并取得了一定的成果。楊振等利用無人機高光譜建立最優(yōu)水質(zhì)參數(shù)反演模型，以500、670nｍ和540、625ｎｍ波長計算的歸一化差值指數(shù)與水質(zhì)參數(shù)構(gòu)建線性水質(zhì)參數(shù)反演模型，實現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)可視化，為小型地表水污染防治提供技術(shù)支撐。

黃宇等以云南星云湖和深圳茅洲河為研究區(qū)域，利用無人機高光譜成像儀獲取研究區(qū)高光譜影像的同時對地面水質(zhì)參數(shù)進行采樣，構(gòu)建水質(zhì)參數(shù)的最佳雙波段監(jiān)測模型，結(jié)果得到總氮（Ｒ２＝０．８８，ＲＰＤ＝２．０４）和 總磷（Ｒ２＝０．８６，ＲＰＤ＝１．９３），證實該方法可行可靠。Cao等以海河為研究對象，使用高光譜遙感設(shè)備和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演包括總磷總氮等八個水質(zhì)參數(shù)，訓(xùn)練模型的決定系數(shù)在80%以上，驗證了將高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于海河水質(zhì)檢測是一種可行的方法?；谝陨涎芯堪l(fā)現(xiàn)，水質(zhì)參數(shù)反演精度會根據(jù)測試水樣不同而改變。為避免因待測水體特異性而引起的差異，本工 作通過實驗室配置氮磷標準溶液，建立氮磷高光譜水質(zhì)反演數(shù)據(jù)集，構(gòu)建實驗室高光譜氮磷反演模型，并將該模型應(yīng)用于江蘇宜興城市內(nèi)河道加以驗證，與傳統(tǒng)高光譜水質(zhì)反演方法建立數(shù)據(jù)集構(gòu)建的室外水質(zhì)反演模型反演得到的結(jié)果進行比較，以期為不同水體的水質(zhì)監(jiān)測提供更具有適用性的技術(shù)手段。

實驗部分

2.1 水體樣品

2.1.1 實驗室水樣配置

根據(jù)GB8978-1996國家污水綜合排放標準中總磷、總氮的含量標準，分別配制0~2.5ｍｇ·Ｌ－１共4０個不同濃度梯度的磷酸鈉溶液和０～20ｍｇ·Ｌ－１共４０個不同濃度梯度的氯化銨溶液模擬室外水體中的總磷（ＴＰ）和 總 氮（ＴＮ），配制溶液選擇的濃度范圍參考了已有文獻的研究。具體溶液配制方法以２０ｍｇ·Ｌ－１的氯化銨標準溶液為例，使用分析天平稱取１０ｍｇ的氯化銨粉末溶于蒸餾水中，稀釋至500ｍＬ 并搖晃均勻，得到20ｍｇ·Ｌ－１的氯化銨標準溶液。以同樣的方式配置其余的０～２０ｍｇ·Ｌ－１的氯化銨溶液和０～2.5ｍｇ·Ｌ－１的磷酸鈉溶液。

2.1.2 室外實測水樣

江蘇宜興市地處太湖上游、長江流域下游，境內(nèi)水網(wǎng) 縱橫交錯，由于宜興市有著特殊的地理條件和自然環(huán)境，因此對該市內(nèi)河道的水質(zhì)進行實時監(jiān)測有著重要意義。在待測河道內(nèi)上游至下游分散選取五個觀測點采集水樣并保存，水樣的采集和保存應(yīng)符合GB17378.3，HJ493 和HJ494的要求，并及時送往水質(zhì)檢測中心測得水樣中總磷、總 氮的平均濃度分別為0.16和3.3ｍｇ·Ｌ－１；同時利用高光譜設(shè)備采集該五個觀測點水樣的光譜曲線。

2.2 數(shù)據(jù)采集

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

實驗室模擬環(huán)境中分別采集不同濃度的磷酸鈉標準溶液 和氯化銨標準溶液的高光譜數(shù)據(jù)，高光譜數(shù)據(jù)采集設(shè)備如圖１所示。光譜采集設(shè)備是高光譜相機，波段范圍為400~1100nm，光譜分辨率為2.3ｎｍ，波 段 數(shù) 為 540，鏡頭焦距為35ｎｍ，選用積分時間為14ｍｓ，掃描方式為推掃式。為了可以更好地模擬室外太陽光照的均勻性，光源選用四個鹵素?zé)?，燈的位置和高度可以自由調(diào)節(jié)。標準溶液透明澄清，為避免拍攝背景的影 響，且不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 選取300ｍＬ燒杯作為拍攝容器，分別加入100ｍＬ氯化銨標準溶液和１００ｍＬ磷酸鈉標準溶液，并分別在氯化銨標準溶液中加入200ｍＬ濃度為26.7ｇ·Ｌ－１的硫酸銅溶液，在磷酸鈉標準溶液中加入200ｍＬ成分已知的橙汁溶液（橙汁溶 液中含量排在前位的主要成分基本為碳水化合物），將 燒杯放置于傳送帶上，燒杯傳送到高光譜相機正下方，水面與相機鏡頭的距離約為40ｃｍ。選用反射率為98％的標準反射率板進行定標，并在測量前對儀器進行暗電流校正去除暗噪聲。

圖１ 實驗室高光譜圖像采集設(shè)備

2.2.2 室外數(shù)據(jù)采集

室外高光譜圖像采集設(shè)備高光譜相機,室外實驗選擇天氣晴朗、測量時間為10:00-15:00進行高光譜圖像采集，在地面鋪設(shè)反射率為30%的標準反射率板，圖像采集區(qū)域如圖2所示。

圖2 圖像采集區(qū)域

3、結(jié)果與討論

3.1 實驗室水質(zhì)反演模型構(gòu)建

3.1.1 高光譜圖像預(yù)處理

實驗室獲取的氯化銨標準溶液與磷酸鈉標準溶液分別如 圖3和圖4所示，其光譜反射率可根據(jù)式（１）計算得到

式（１）中，Ref(n)為不同濃度標準溶液的水體反射率,ＤＮ（ｎ）表示不同濃度標準溶液的像元亮度值，Ｒboard為反射率為98％的標準反射率板的反射率，ＤＮboard表示標準反射率板的像元亮度值。

圖3 氯化銨硫酸銅混合溶液

圖4 磷酸鈉橙汁混合溶液

對得到的圖像進行Ｓａｖｉｔｚｋｙ－Ｇｏｌａｙ（ＳＧ）濾 波，基于最小二乘原理ＳＧ濾波算法是一種多項式平滑算法，設(shè)置窗口寬度為５，多項式次數(shù)為３，根據(jù)多項式(2)對窗口內(nèi)數(shù)據(jù)進行擬合。

經(jīng)過如上預(yù)處理后，以濃度為0.2ｍｇ·Ｌ－１的磷酸鈉標準溶液的高光譜圖像和濃度為20ｍｇ·Ｌ－１的氯化銨標準溶液的高光譜圖像為例，其光譜反射率曲線分別如圖5和圖6所示，由圖可明顯看出，總磷、總氮分別 在420,720和410ｎｍ 附近具有明顯反射峰。

圖5 總磷光譜反射率曲線圖

圖6 總氮光譜反射率曲線圖

3.1.2 水質(zhì)反演模型構(gòu)建及反演結(jié)果

利用主成分分析法保留包含信息量最多的前八個主成 分，對獲取的高光譜數(shù)據(jù)進行降維處理并建立總磷、總 氮標準溶液數(shù)據(jù)集，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練擬合得到總磷的決定系數(shù)（Ｒ２）為0.9802，總氮的決定系數(shù)（Ｒ２）為0.8602，根據(jù)擬合結(jié)果可以看出，總 磷、總氮的決定系數(shù)大小均大于0.85且與1接近，整體上總磷的擬合效果要優(yōu)于總氮，見圖 7和圖8。

圖7 總磷模型擬合結(jié)果

圖8 總氮模型擬合結(jié)果

3.2 室外實驗水質(zhì)反演

為了驗證實驗室構(gòu)建的水質(zhì)反演模型的反演精度和適用 性，以江蘇宜興市內(nèi)某河道為驗證對象，由無人機高光譜相機獲取的河道高光譜圖像如圖9所示。

圖9 室外水體高光譜圖像

與相關(guān)文獻選用的水質(zhì)反演思路、方法相同，對該高 光譜圖像預(yù)處理后，利用NDWI（歸一化水體指數(shù)）的方法提取水體部分，根據(jù)河道內(nèi)五個觀測點水樣的光譜曲線和水質(zhì)參數(shù)濃度建立數(shù)據(jù)集，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對該數(shù)據(jù)集進行模型訓(xùn)練并構(gòu)建室外水質(zhì)反演模型，得 到總磷、總氮的光譜數(shù)據(jù)反演結(jié)果如表１所示。

表１ 室外水質(zhì)反演模型反演結(jié)果

利用上述實驗室實驗構(gòu)建的總磷、總氮標準溶液數(shù)據(jù)集 和水質(zhì)反演模型對獲得的江蘇宜興城市河道高光譜圖像進行水質(zhì)反演，得到光譜數(shù)據(jù)反演結(jié)果和反演誤差如表２所示。根據(jù)表１結(jié)果顯示，根據(jù)待測水體得到的光譜數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)集，五個觀測點整體反演效果最好的點為第四點，其總磷、總氮的預(yù)測濃度分別為0.147和3.63ｍｇ·Ｌ－１。五個點計算均值得到總磷、 總氮反演誤差分別為86.87%和86.48%，兩種水質(zhì)參數(shù)的反演精度均在85%以上。

表２ 實驗室水質(zhì)反演模型反演結(jié)果

根據(jù)表２結(jié)果顯示，利用實驗室配置標準溶液建立數(shù)據(jù) 集反演得到五個觀測點中第二點的整體反演效果最好，總磷、總氮的光譜反演結(jié)果分別為0.171和3.54ｍｇ·Ｌ－１，反演精度達到93.13％和92.72％，五個觀測點的反演結(jié)果分別取平均值，得到總磷、總氮光譜反演數(shù)據(jù)結(jié)果的平均值分 別為0.168和3.514ｍｇ·Ｌ－１，反演精度為95.00%和93.52％，且總磷的反演效果略優(yōu)于總氮，與實驗室模型訓(xùn)練結(jié)果吻合。通過表１和表２每個點的每個水質(zhì)參數(shù)一一對比可以得出，實驗室水質(zhì)反演模型得到的光譜反演結(jié)果中90%的反演精度高于室外水質(zhì)反演模型的反演精度。從實驗結(jié)果來看，由于待測河道內(nèi)水體情況復(fù)雜，并非只存在單一水質(zhì)參數(shù)，尤其總磷在700ｎｍ 左右有一特征峰， 造成濁度的懸浮顆粒物會對此波長的光強有一定程度的吸 收，且吸收會隨著濁度的增大而增大，進而對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。本研究中配置透明的標準溶液可以避免濁度的影響，同時將總磷、總氮分開獲得光譜曲線，可以更直接地得到總磷、總氮的特征波段,從而使數(shù)據(jù)集訓(xùn)練結(jié)果更好、預(yù)測結(jié)果的精度更高。

4、結(jié)論

采用高光譜技術(shù)，在實驗室環(huán)境下測量了不同濃度梯度 磷酸鈉標準溶液和氯化銨標準溶液的光譜響應(yīng)，并利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法構(gòu)建高光譜氮磷水質(zhì)反演模型，將該模型應(yīng)用到室外實驗進行驗證并與傳統(tǒng)的在待測河道內(nèi)取水建立數(shù)據(jù)集反演的結(jié)果比較，可以得到如下結(jié)論：（１）從配制的標準溶液實驗得到總磷、總氮分 別在420、720和410ｎｍ 附近有明顯反射峰，利用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練擬合得到總磷的決定系數(shù)（Ｒ２）為 0.9802，總氮的決定系數(shù)（Ｒ２）為0.8602，兩個水質(zhì)參數(shù)的擬合效果好，反演精度高， 且總磷的反演效果優(yōu)于總氮的反演效果。（２）根據(jù)傳統(tǒng)方法對待測河道特定觀測點的光譜數(shù)據(jù)集反演得到總磷平均濃度的反演精度為86.87%，總氮平均濃度的反演精度為86.48％，而據(jù)于實驗室配置標準溶液的數(shù)據(jù)集對河道觀測點樣品數(shù)據(jù)反演得到的總磷、總氮平均濃度的反演精度分別為95.00%，93.52%，本反演模型得到的反 演精度90%以上的值優(yōu)于傳統(tǒng)反演模型得到的反演精度，在一定程度上減小了因待測水體差異性帶來的影響。（３）本研究可為長度長、面積大的室外水體中總磷、總氮含量的反演提供技術(shù)支撐。由于室外天氣的不確定性、水體的復(fù)雜性，因此在今后的研究中可以多加考慮天氣因素的影響，以實現(xiàn)更高精度更快速度的實時室外水體水質(zhì)反演。

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審核編輯黃宇