應用案例
水是生命之源，是生態系統的重要組成部分，也是人類生產生活不可或缺的資源。然而，隨著工業化、城鎮化的快速發展，水污染問題日益嚴峻，工業廢水排放、農業面源污染、生活污水肆意排放等，不僅破壞了水生生態系統的平衡，威脅著水生動植物的生存，還可能通過飲用水、食物鏈等途徑，對人類健康造成潛在危害。進行水質檢測，能夠及時、準確地掌握水體質量狀況，發現潛在的污染問題，為水資源保護、水污染治理、生態修復等工作提供科學依據，對保障生態安全、維護公眾健康、促進可持續發展具有不可替代的重要意義。
在水資源保護與生態環境監測日益重要的當下，精準、高效地檢測水質成為關鍵任務。近期，一項利用無人機搭載高光譜相機的水質監測實驗在重慶永川興龍湖公園展開，為我們深入了解該區域水質狀況提供了詳實的數據與科學依據。
一、實驗目的
此次實驗目標明確，旨在全面測試重慶永川興龍湖公園上下游的水質情況。
二、實驗設備
高光譜相機 FS60-C 成為此次監測的核心設備，相比傳統水質檢測方法，高光譜相機有著顯著的優勢。它的光譜范圍覆蓋 400-1000nm，光譜分辨率達 2.5nm，能夠捕捉到極其細微的光譜差異，如同給水體進行 “光譜指紋” 識別，哪怕是濃度極低的污染物，也能通過其獨特的光譜特征被精準檢測出來；而且，高光譜相機可以實現大面積、快速的非接觸式監測，無需像傳統方法那樣采集大量水樣，大大提高了監測效率，還能避免采樣過程對水體的干擾。搭配 18% 反射率灰布用于校準，確保數據的準確性；大疆 350rtk 無人機則憑借其穩定的飛行性能，承擔起搭載相機完成監測飛行的重任。
設備名稱 | 型號 | 配置明細 | 備注 |
機載高光譜相機 | FS60-C | 光譜范圍 400-1000nm;光譜分辨率：2.5nm | |
校準布 | - | 18%反射率灰布 | |
無人機 | 大疆350RTK |
三、實驗過程
1. 規劃飛行航線 ，選取所要拍攝的河流區域
2. 測試過程如圖
3. 飛行高度 120m， 空間 4 合并 ，480 分辨率 ，光譜 4 合并 ，1200 通道
4. 飛行區域面積： 約 2.5 平方公里左右
5. 飛行數據圖像展示
以上是分析軟件選用三通道擬合的可見光偽彩圖擬合圖像，分別使用了R通道：619.45nm，G通道：549.17nm，B通道：450.03nm
6. 提取河道分布（展示部分）
展示整體
四、數據分析
? 氨氮：氨氮指數是水質監測中的一個重要參數，用于衡量水體中以氨（NH?）和銨離子（NH??）形式存在的氮的濃度。氨氮是水體中氮循環的一個關鍵組成部分，同時也是水體富營養化的主要原因之一，它可以來源于農業、工業、生活污水排放等多種途徑。
左側代表不同顏色對應的數值范圍，數值越大含量越高
上游
下游
結論：上游濃度明顯高于下游
? 葉綠素A：葉綠素A指數是水體生態學和海洋學中一個重要的水質指標，用于衡量水體中浮游植物（主要是藻類）的生物量。葉綠素A是大多數光合生物體內主要的色素，它的濃度可以直接反映水體中初級生產者的數量和活性，因此是評估水體富營養化程度、生產力和生態健康的關鍵參數。
左側代表不同顏色對應的數值范圍，數值越大含量越高
正常區域水質圖像
異常區域水質分布及可見光圖像
結論：葉綠素A中異常區域分布于中游部分
? 溶解氧：溶解氧指數是水質監測中的一個關鍵參數，它反映了水中溶解的氧氣量。溶解氧對于維持水生生態系統的健康至關重要，因為它直接關系到水生生物的生存，尤其是魚類和其他需氧生物的呼吸過程。
不同顏色代表數值含義，值越大濃度越高
異常區域主要分布于公園區域及下游，濃度從上游到下游，呈現出逐步減少的趨勢
結論：下游區域溶解氧相對上游區域下降較大
? 高猛酸：高錳酸鉀指數是一種水質監測指標，用于反映水中可被高錳酸鉀氧化的有機和無機還原性物質的含量。這個指標通過測定在特定條件下高錳酸鉀（KMnO4）氧化水樣中某些有機物和無機還原性物質時消耗的高錳酸鉀量，進而計算出相當于消耗氧氣的量。
整體趨勢
上游呈現中間數值低，兩岸數值高現象
下游呈現結果類似，但是數值上升了一個量級
結論：下游與上游趨勢一致，下游的含量趨勢上升了一個量級
? 總氮：總氮指數是水質分析中的一個重要指標，它代表了水中所有氮化合物的總和，包括無機氮（如硝酸鹽NO??、亞硝酸鹽NO??、銨離子NH??）和有機氮（如蛋白質、氨基酸和其它含氮有機物）。總氮指數的測定對于評估水體的營養狀態和潛在的富營養化風險非常重要。
上游總氮分布
異常區域總氮分布
結論；上下游總氮分布幾基本一致，中游部分異常
? 總磷：總磷指數是水質分析中的一個重要參數，它衡量的是水體中所有磷化合物的總量，無論其化學形態如何。總磷包括溶解態的磷、顆粒態的磷、有機磷和無機磷。無機磷又可以細分為正磷酸鹽（PO?3?）、偏磷酸鹽和焦磷酸鹽等。指數是水質分析中的一個重要參數，它衡量的是水體中所有磷化合物的總量，無論其化學形態如何。總磷包括溶解態的磷、顆粒態的磷、有機磷和無機磷。無機磷又可以細分為正磷酸鹽（PO?3?）、偏磷酸鹽和焦磷酸鹽等。
結論：下游區域含量較高
? 歸一化懸浮物指數：歸一化懸浮物指數（Normalized Difference Suspended Sediment Index，NDSSI）是一種高效的水質遙感指數，通過紅光與近紅外波段的歸一化差異量化懸浮物濃度，廣泛應用于環境監測、災害評估和資源管理。其計算簡便且兼容性強，但需結合實地數據校準和輔助指數以提高精度，尤其在復雜水體環境中。
結論：整體趨勢基本一致
? 波段比值法：波段比值法（Suspended Matter Index，SMI）通過綠光與紅光反射率的簡單比值，提供了一種快速評估水體懸浮物濃度的工具。其優勢在于計算簡便、對低濃度敏感。
結果值< 1.0 高懸浮物濃度（紅光反射率顯著高于綠光，水體渾濁，如洪水期或河口泥沙區）。
結果值在1.0–2.0 中等懸浮物濃度（常見于輕度渾濁的河流、湖泊或近岸海域）。
結果值> 2.0 低懸浮物濃度（綠光透射性強，紅光被吸收或散射少，如清澈水體或深海區域）。
結論：整體懸浮物較低，上有部分區域含一定量的懸浮物
