河湖水環(huán)境健康關乎生態(tài)安全與民生福祉，目前，河湖水體面臨富營養(yǎng)化導致的藻類水華頻發(fā)、黑臭水體影響人居環(huán)境、岸線生態(tài)退化等嚴峻挑戰(zhàn)，實現(xiàn)“水清岸綠”目標急需高效、精準、動態(tài)的監(jiān)測手段。傳統(tǒng)監(jiān)測方法耗時費力、覆蓋有限。光譜成像技術（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特優(yōu)勢，正深刻變革水環(huán)境監(jiān)測模式。

本篇文章以中達瑞和在深圳“坪山河水環(huán)境空天地一體化監(jiān)測項目”為例，應用MAX-S810進行區(qū)域飛行，通過SpecMetis遙感分析平臺實現(xiàn)大空間、大尺度范圍監(jiān)測的圖譜合一，快速識別水體及岸線生態(tài)現(xiàn)狀。通過空天地多維數(shù)據(jù)實測比對，在富營養(yǎng)化評估、藻類水華預警、黑臭水體識別及岸線生態(tài)監(jiān)測中的應用，其模型準確率達到99% 。

光譜成像技術原理簡述

由于不同物質(zhì)（葉綠素a、懸浮泥沙、CDOM、藻藍蛋白等）具有特征性的吸收和反射光譜曲線。可通過高光譜/多光譜成像相機獲取水體的光譜信息，基于水體的光譜特征，通過經(jīng)驗/半經(jīng)驗算法、機器學習/深度學習模型等，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

富營養(yǎng)化監(jiān)測：

通過機載光譜成像系統(tǒng)+5G無人機場技術，實現(xiàn)河湖庫高頻自動巡查，實時獲取河湖庫水環(huán)境光譜數(shù)據(jù)，精準計算并提取富營養(yǎng)化的分布及面積，提高巡查效率。

監(jiān)測對象/指標：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)、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSI)等。

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

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

藻類水華監(jiān)測：

通過機載光譜成像系統(tǒng)+5G無人機場技術，實現(xiàn)河湖庫高頻自動巡查，實時獲取河湖庫水環(huán)境光譜數(shù)據(jù)，精準計算并提取藻類水華的分布及面積，提高巡查效率。

監(jiān)測對象：水華發(fā)生范圍、面積、強度、藻類群落組成（如藍藻、綠藻、硅藻的初步區(qū)分）、藻藍蛋白(PC)濃度（藍藻特異性色素）。

光譜原理：密集藻華導致近紅外波段反射率顯著升高（“植被紅邊”現(xiàn)象）。藍藻特有的藻藍蛋白在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：

通過機載光譜成像系統(tǒng)+5G無人機場技術，實現(xiàn)河湖庫高頻自動巡查，實時獲取河湖庫水環(huán)境光譜數(shù)據(jù)，計算并提取黑臭水體的分布及面積，提高巡查效率。

監(jiān)測對象：黑臭程度（輕度、重度）、主要致黑臭物質(zhì)（有機物、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。高光譜可探測與有機物、硫化物相關的更精細特征。

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：

利用地面SVC光譜智能攝像機+機載多光譜成像系統(tǒng)點面結(jié)合的巡查方式，實現(xiàn)全天候、高頻自動河湖庫巡查，重點監(jiān)測水面漂浮物、排污口、違建等情況，智能化計算并提取水環(huán)境信息、道路信息、沙地信息的分布及面積，實現(xiàn)全流域的全自動、全方位調(diào)查與監(jiān)控。

監(jiān)測對象：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)修復效果。

光譜原理：健康植被在可見光綠波段有反射峰，紅光有吸收谷，近紅外有高反射平臺。利用NDVI、EVI等植被指數(shù)監(jiān)測綠度與生物量。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

光譜成像技術為河湖水環(huán)境監(jiān)測，特別是在精準識別與動態(tài)跟蹤富營養(yǎng)化、藻類水華、黑臭水體以及評估岸線生態(tài)狀況方面，提供了革命性的技術手段。中達瑞和高光譜/多光譜成像技術具有大范圍、快速、非接觸的優(yōu)勢，有效彌補了傳統(tǒng)點源監(jiān)測的不足，顯著提升了水環(huán)境管理的科學性、時效性和前瞻性。盡管仍面臨大氣校正、模型普適性等挑戰(zhàn)，但隨著傳感器技術的進步、人工智能的應用深化以及多平臺協(xié)同監(jiān)測網(wǎng)絡的完善，光譜成像技術必將在構(gòu)建“智慧水利”和“美麗河湖”的進程中發(fā)揮越來越核心的作用，為水資源保護、水生態(tài)修復與水環(huán)境治理提供強大的科技支撐。

審核編輯 黃宇