河湖水環(huán)境健康關(guān)乎生態(tài)安全與民生福祉，目前，河湖水體面臨富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致的藻類水華頻發(fā)、黑臭水體影響人居環(huán)境、岸線生態(tài)退化等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)“水清岸綠”目標(biāo)急需高效、精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)手段。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法耗時(shí)費(fèi)力、覆蓋有限。光譜成像技術(shù)（高光譜/多光譜遙感）憑借其非接觸、大范圍、快速獲取水體特征信息的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，正深刻變革水環(huán)境監(jiān)測(cè)模式。

本篇文章以中達(dá)瑞和在深圳“坪山河水環(huán)境空天地一體化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目”為例，應(yīng)用MAX-S810進(jìn)行區(qū)域飛行，通過(guò)SpecMetis遙感分析平臺(tái)實(shí)現(xiàn)大空間、大尺度范圍監(jiān)測(cè)的圖譜合一，快速識(shí)別水體及岸線生態(tài)現(xiàn)狀。通過(guò)空天地多維數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)比對(duì)，在富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)估、藻類水華預(yù)警、黑臭水體識(shí)別及岸線生態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，其模型準(zhǔn)確率達(dá)到99% 。

光譜成像技術(shù)原理簡(jiǎn)述

由于不同物質(zhì)（葉綠素a、懸浮泥沙、CDOM、藻藍(lán)蛋白等）具有特征性的吸收和反射光譜曲線。可通過(guò)高光譜/多光譜成像相機(jī)獲取水體的光譜信息，基于水體的光譜特征，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)算法、機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)模型等，定量或半定量反演水質(zhì)參數(shù)，從而體現(xiàn)河湖富營(yíng)養(yǎng)化、藻類水華、黑臭水體、岸線生態(tài)的污染程度。

坪山河案例成果示例

富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)測(cè)：

通過(guò)機(jī)載光譜成像系統(tǒng)+5G無(wú)人機(jī)場(chǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)河湖庫(kù)高頻自動(dòng)巡查，實(shí)時(shí)獲取河湖庫(kù)水環(huán)境光譜數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)計(jì)算并提取富營(yíng)養(yǎng)化的分布及面積，提高巡查效率。

監(jiān)測(cè)對(duì)象/指標(biāo)：葉綠素a (Chl-a)濃度（浮游植物生物量）、透明度(SDD)、總磷(TP)、總氮(TN)、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSI)等。

光譜原理：Chl-a在藍(lán)光(440nm附近)有強(qiáng)吸收谷，在綠光(550nm附近)有反射峰，近紅外(700nm附近)存在反射陡坡(“紅邊”)。懸浮物增加導(dǎo)致整體反射率升高且光譜斜率變化。CDOM在藍(lán)光波段強(qiáng)烈吸收。結(jié)合這些特征可建立反演模型。

結(jié)果體現(xiàn)：坪山河富營(yíng)養(yǎng)化程度體現(xiàn)如下圖

藻類水華監(jiān)測(cè)：

通過(guò)機(jī)載光譜成像系統(tǒng)+5G無(wú)人機(jī)場(chǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)河湖庫(kù)高頻自動(dòng)巡查，實(shí)時(shí)獲取河湖庫(kù)水環(huán)境光譜數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)計(jì)算并提取藻類水華的分布及面積，提高巡查效率。

監(jiān)測(cè)對(duì)象：水華發(fā)生范圍、面積、強(qiáng)度、藻類群落組成（如藍(lán)藻、綠藻、硅藻的初步區(qū)分）、藻藍(lán)蛋白(PC)濃度（藍(lán)藻特異性色素）。

光譜原理：密集藻華導(dǎo)致近紅外波段反射率顯著升高（“植被紅邊”現(xiàn)象）。藍(lán)藻特有的藻藍(lán)蛋白在620nm附近存在特征吸收峰。不同藻類群的光譜曲線存在差異。

結(jié)果體現(xiàn)：坪山河藻類水華程度體現(xiàn)如下圖

、

黑臭水體監(jiān)測(cè)：

通過(guò)機(jī)載光譜成像系統(tǒng)+5G無(wú)人機(jī)場(chǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)河湖庫(kù)高頻自動(dòng)巡查，實(shí)時(shí)獲取河湖庫(kù)水環(huán)境光譜數(shù)據(jù)，計(jì)算并提取黑臭水體的分布及面積，提高巡查效率。

監(jiān)測(cè)對(duì)象：黑臭程度（輕度、重度）、主要致黑臭物質(zhì)（有機(jī)物、硫化物等）。

光譜原理：黑臭水體通常具有極低的整體反射率，尤其在可見(jiàn)光波段（水體發(fā)黑）；其光譜曲線形狀（如紅綠波段比值）與清潔水體或普通污染水體存在顯著差異。高光譜可探測(cè)與有機(jī)物、硫化物相關(guān)的更精細(xì)特征。

結(jié)果體現(xiàn)：坪山河黑臭水體程度體現(xiàn)如下圖

岸線生態(tài)監(jiān)測(cè)：

利用地面SVC光譜智能攝像機(jī)+機(jī)載多光譜成像系統(tǒng)點(diǎn)面結(jié)合的巡查方式，實(shí)現(xiàn)全天候、高頻自動(dòng)河湖庫(kù)巡查，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)水面漂浮物、排污口、違建等情況，智能化計(jì)算并提取水環(huán)境信息、道路信息、沙地信息的分布及面積，實(shí)現(xiàn)全流域的全自動(dòng)、全方位調(diào)查與監(jiān)控。

監(jiān)測(cè)對(duì)象：岸線植被覆蓋度與類型（濕地植被、喬灌草）、植被健康狀況（生物量、葉綠素含量）、濕地范圍變化、岸線侵蝕/淤積、人工侵占、生態(tài)修復(fù)效果。

光譜原理：健康植被在可見(jiàn)光綠波段有反射峰，紅光有吸收谷，近紅外有高反射平臺(tái)。利用NDVI、EVI等植被指數(shù)監(jiān)測(cè)綠度與生物量。植被的“紅邊”位置和斜率可指示脅迫狀態(tài)。近紅外-短波紅外波段可區(qū)分水體、土壤、植被類型及土壤濕度。

結(jié)果體現(xiàn)：坪山河黑臭水體程度體現(xiàn)如下圖

光譜成像技術(shù)為河湖水環(huán)境監(jiān)測(cè)，特別是在精準(zhǔn)識(shí)別與動(dòng)態(tài)跟蹤富營(yíng)養(yǎng)化、藻類水華、黑臭水體以及評(píng)估岸線生態(tài)狀況方面，提供了革命性的技術(shù)手段。中達(dá)瑞和高光譜/多光譜成像技術(shù)具有大范圍、快速、非接觸的優(yōu)勢(shì)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)點(diǎn)源監(jiān)測(cè)的不足，顯著提升了水環(huán)境管理的科學(xué)性、時(shí)效性和前瞻性。盡管仍面臨大氣校正、模型普適性等挑戰(zhàn)，但隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步、人工智能的應(yīng)用深化以及多平臺(tái)協(xié)同監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的完善，光譜成像技術(shù)必將在構(gòu)建“智慧水利”和“美麗河湖”的進(jìn)程中發(fā)揮越來(lái)越核心的作用，為水資源保護(hù)、水生態(tài)修復(fù)與水環(huán)境治理提供強(qiáng)大的科技支撐。

審核編輯 黃宇