机载光谱传感器助力水质监测！

       近日，水利部办公厅印发《2024年水利科技与标准化工作要点》，指示加强科技成果转化推广和科学普及，扎实推进水利技术标准体系建设，以高水平水利科技和标准化工作支撑服务新阶段水利高质量发展。

      在水资源日益受到重视的今天，水质监测成为了环境保护和生态治理的重要环节。光谱技术作为水质监测的“科技助手”，正逐步展现出其独特的优势和广阔的应用前景。通过光谱传感器获取图像信息与光谱特征，再使用水质监测软件识别和量化水质参数，可以更全面、更快速的分析水质情况，及时发现异常信息，并采取相应的治理措施。例如，可通过光谱传感器与水质监测软件，监测水体的营养程度、浊度、叶绿素浓度、悬浮物浓度等遥感水质参数，再基于遥感水质参数进行氨氮、总磷、总氮和COD等参数的反演。遥感监测由于受光线大气等因素影响，反演结果与水质实验室化验数据有所差异，因此遥感方法尚未成为国家标准，行业应推进以遥感方式为基础的遥感水质国家标准，推进水利高质量发展。

      北京欧普特科技有限公司在2013年基于美国Headwall Photonics Inc.公司设计生产的推扫式全反射光栅光谱仪，进行了机载高光谱设备的研发工作，为高光谱成像仪配备了三轴稳定云台系统和GPS/IMU惯性导航系统，并搭载到滑跑起飞的固定翼无人机上，进行了低空的光谱数据采集，并申请了相关专利。随着光电技术的进步，光谱仪逐渐地小型化、轻量化与高度集成化，旋翼无人机的出现并且不断升级换代，近年来我公司推出的无人机高光谱成像设备操作简单，场地限制小，折叠后即可以放到汽车后备箱中，使用便利性大大增加，深受众多客户好评。

       目前，搭载到无人机上使用的机载高光谱成像产品包含400-1000nm、900-2500nm、400-2500nm等推扫式全反射成像光谱仪。整套设备包含传感器、辐射亮度标定、地面定标布、采集与处理软件等，辅以室内采集的高精度高分辨率高光谱设备、野外便携式地物光谱仪、多光谱相机、热红外成像仪、热红外光谱仪、高清相机、激光LiDAR等设备，可以进行多源数据的采集与分析。可搭载到不同类型的平台上，包括大疆M600 PRO、M300/M350 RTK，科卫泰X6L，德国MicroDrones的MD4-1000等旋翼机、纵横CW15和飞马V20等垂起固定翼无人机、不同类型的有人机上。

      基于高光谱成像光谱仪/多光谱相机，配合美国SpectralEvolution高分辨率地物光谱仪进行地面数据验证，我公司还开发了一套针对内陆水的水质监测系统，搭载到无人机上进行大范围的水质监测，获取水质的遥感参数，一键生成评估报告，曾为为上海某水库、辽宁某河流、环京河流等区域提供及时的数据支撑。

      叶绿素a存在于所有的浮游植物中，它是估算浮游植物生物量的重要指标，除浮游植物外，属于浮游生物的蓝藻也是一种水质指示标志，藻蓝素是蓝藻的辅助光合色素、可增加蓝藻的光合作用效率。叶绿素a与藻蓝素在高光谱中均有特征光谱，从而测定水中叶绿素a与藻蓝素的含量，掌握水体的初级生产力情况和富营养化水平。叶绿素在蓝紫光波段（420—500nm）和675nm处都有吸收峰，藻蓝素在620nm处的较大吸收系数。因此在藻类浓度较度时，水体反射率曲线在几个波段出现谷值。含藻类水体最显著的光谱特征是在700nm附近常出现荧光作用产生的反射峰，其存在与否通常被认为是判定水体是否含有藻类叶绿素的依据。铁是水体氮循环过程发生所需的各种酶的重要组成成分，锌、铜、锰等重金属通常作为酶或辅酶的组成部分，共同参与藻类植物的代谢过程。而包括氨态氮与硝态氮、磷酸盐在内的无机的氮磷，氨基酸、多态、蛋白质在内的有机氮磷通过氨化作用等过程转化为的无机氮，均可被被藻类吸收利用。而藻类产生的叶绿素与藻蓝素等物质在光谱上有显著特征，可作为数据基础对总氮、总磷、氨氮和COD等水质参数进行反演。

      我公司的光谱成像系统具有采样间隔小、光谱分辨率高、无像元合并的原始输出等特点，均有助于识别叶绿素与藻蓝素的特征光谱，再加上特别针对用户目标水域的实验室计量与建模，可以更加精准的反演总氮、总磷、氨氮和COD等水质参数。设置建模方案时，要多次多地点采集数据。采集水样时，要注意保持低温存储环境与送样的及时性，获取飞行光谱数据时、要保证数据的高信噪比并注意与采集水样的同步性。我公司经过多年的光谱与实验室真值的数据积累，反复进行模型优化，并加入机器学习的算法，针对不同地域、不同季节、不同水质特点，自适应反演模型，可以在尽量少的实验室数据情况下获得较高的反演精度。

     目前，我公司正在不断优化水质监测算法，降低高光谱成像设备成本，推进遥感水质标准的建立，希望光谱遥感水质监测方法走进各个单位，实现科技水利的目标。我公司也在推进基于美国MicaSense RedEdge P Dual十通道多光谱相机监测水质的替代方案，目标是减少数据采集与处理工作，配合无人机机场实现无人机自动飞行、光谱数据自动采集、数据自动处理、结果自动生成，提升整个流程的效率，减少人员参与程度，最终用户可以直接做出管理决策。