高光譜低空遙感技術在水環境監測中的應用—從泥沙量化到污染動態追蹤

高光譜低空遙感技術通過搭載無人機/輕型飛機平臺，獲取納米級連續光譜數據（通常涵蓋400~1700 nm），結合空間分辨率優勢，實現對水體參數的精細化反演。其核心優勢在于：

• 光譜診斷能力：捕捉水體中泥沙、葉綠素、污染物等物質的特征吸收/反射峰；

• 動態監測靈活性：低空平臺適用于小范圍水域、突發污染事件的快速響應；

• 多參數同步解析：單次飛行可同步獲取水深、濁度、污染物類型等綜合信息。

高光譜低空遙感相機：

SKY-W417機載高光譜系統（400-1700nm無間斷光譜覆蓋）

·無人機推掃成像，非懸停掃描，作業效率高。

·支持100fps幀率，采集效率更高。

·突破傳統400-1000nm+900-1700nm分段模式，實現400-1700nm無間斷光譜覆蓋，消除光譜拼接誤差，研究效率提升50%。

核心應用方向及案例

1. 水體泥沙含量反演

• 原理：泥沙增加導致水體反射率顯著提升（尤其在1550~1850 nm、1350~1380 nm波段）。

• 模型構建（以黃土高原土壤為例）：

• 腐殖土/黑壚土在1704 nm波段反射率與泥沙含量呈線性強相關（R2>0.99）；

• 需在泥沙沉淀前采集數據（波長>700 nm反射率隨沉淀時間快速衰減）。

• 低空優勢：無人機可貼近湍急水流表面采樣，規避沉淀干擾。

2. 水深遙感探測

• 敏感波段：368~831 nm（穿透性強），尤其433 nm。

• 模型精度：指數回歸模型預測水深誤差均值僅0.209 cm（圖3）。

• 適用場景：淺水河流、湖泊岸帶測繪，輔助水下地形重建。

3. 污染物類型與強度識別

• 污染標志物光譜特征：

• 生活污水：400~1100 nm反射率整體抬升，曲線形態異于凈水；

• 藻類富集：712 nm/806 nm處出現反射峰（葉綠素a及藻青蛋白響應）；

• 油類污染：在紅外波段形成特異性吸收谷。

• 定量模型（以西安護城河為例）：

• BOD?：基于737 nm/528 nm波段比值建立指數模型（R=0.826）；

• COD：基于728 nm/523 nm波段比值建模（R=0.939）。

4. 污染源動態追蹤（陜西靖邊蘆河案例）

• 低空遙感流程：
  ① 高光譜成像 → ② 導數運算增強污染區對比 → ③ 結合GPS點位光譜實測驗證。

• 成果：

• 重污染水體（灰黑色藻類+泡沫）反射率較凈水高2~3倍；

• 成功定位排污口（9號點）及污染擴散路徑（→8號/10號點）。

應用前景

高光譜低空遙感技術正逐步成為水環境精準監測的“天空之眼”。隨著傳感器小型化、算法智能化及空域管理規范化，其在流域綜合治理、智慧水務等領域的應用潛力將進一步釋放，為“水清岸綠”的生態目標提供關鍵技術支撐。中達瑞和作為國內高光譜成像系統制造商，自2005年成立以來，已經深耕20余年，多款光譜成像相機受到科研院校的青睞和應用，幫助許多學者科研人員用于論文研究和案例研究。

參考文獻：
[1] 高光譜遙感技術在水環境監測中的應用研究.萬余慶 ，張鳳麗，閆永忠
[2] 王健等. 無人機高光譜在太湖藍藻監測中的應用. 環境科學學報, 2021.
[3] 李琳琳. 深度學習在高光譜水質反演中的突破. 遙感學報, 2023.