应用案例
水是生命之源，是生态系统的重要组成部分，也是人类生产生活不可或缺的资源。然而，随着工业化、城镇化的快速发展，水污染问题日益严峻，工业废水排放、农业面源污染、生活污水肆意排放等，不仅破坏了水生生态系统的平衡，威胁着水生动植物的生存，还可能通过饮用水、食物链等途径，对人类健康造成潜在危害。进行水质检测，能够及时、准确地掌握水体质量状况，发现潜在的污染问题，为水资源保护、水污染治理、生态修复等工作提供科学依据，对保障生态安全、维护公众健康、促进可持续发展具有不可替代的重要意义。
在水资源保护与生态环境监测日益重要的当下，精准、高效地检测水质成为关键任务。近期，一项利用无人机搭载高光谱相机的水质监测实验在重庆永川兴龙湖公园展开，为我们深入了解该区域水质状况提供了详实的数据与科学依据。
一、实验目的
此次实验目标明确，旨在全面测试重庆永川兴龙湖公园上下游的水质情况。
二、实验设备
高光谱相机 FS60-C 成为此次监测的核心设备，相比传统水质检测方法，高光谱相机有着显著的优势。它的光谱范围覆盖 400-1000nm，光谱分辨率达 2.5nm，能够捕捉到极其细微的光谱差异，如同给水体进行 “光谱指纹” 识别，哪怕是浓度极低的污染物，也能通过其独特的光谱特征被精准检测出来；而且，高光谱相机可以实现大面积、快速的非接触式监测，无需像传统方法那样采集大量水样，大大提高了监测效率，还能避免采样过程对水体的干扰。搭配 18% 反射率灰布用于校准，确保数据的准确性；大疆 350rtk 无人机则凭借其稳定的飞行性能，承担起搭载相机完成监测飞行的重任。
设备名称 | 型号 | 配置明细 | 备注 |
机载高光谱相机 | FS60-C | 光谱范围 400-1000nm;光谱分辨率：2.5nm | |
校准布 | - | 18%反射率灰布 | |
无人机 | 大疆350RTK |
三、实验过程
1. 规划飞行航线 ，选取所要拍摄的河流区域
2. 测试过程如图
3. 飞行高度 120m， 空间 4 合并 ，480 分辨率 ，光谱 4 合并 ，1200 通道
4. 飞行区域面积： 约 2.5 平方公里左右
5. 飞行数据图像展示
以上是分析软件选用三通道拟合的可见光伪彩图拟合图像，分别使用了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）
展示整体
四、数据分析
• 氨氮：氨氮指数是水质监测中的一个重要参数，用于衡量水体中以氨（NH₃）和铵离子（NH₄⁺）形式存在的氮的浓度。氨氮是水体中氮循环的一个关键组成部分，同时也是水体富营养化的主要原因之一，它可以来源于农业、工业、生活污水排放等多种途径。
左侧代表不同颜色对应的数值范围，数值越大含量越高
上游
下游
结论：上游浓度明显高于下游
• 叶绿素A：叶绿素A指数是水体生态学和海洋学中一个重要的水质指标，用于衡量水体中浮游植物（主要是藻类）的生物量。叶绿素A是大多数光合生物体内主要的色素，它的浓度可以直接反映水体中初级生产者的数量和活性，因此是评估水体富营养化程度、生产力和生态健康的关键参数。
左侧代表不同颜色对应的数值范围，数值越大含量越高
正常区域水质图像
异常区域水质分布及可见光图像
结论：叶绿素A中异常区域分布于中游部分
• 溶解氧：溶解氧指数是水质监测中的一个关键参数，它反映了水中溶解的氧气量。溶解氧对于维持水生生态系统的健康至关重要，因为它直接关系到水生生物的生存，尤其是鱼类和其他需氧生物的呼吸过程。
不同颜色代表数值含义，值越大浓度越高
异常区域主要分布于公园区域及下游，浓度从上游到下游，呈现出逐步减少的趋势
结论：下游区域溶解氧相对上游区域下降较大
• 高猛酸：高锰酸钾指数是一种水质监测指标，用于反映水中可被高锰酸钾氧化的有机和无机还原性物质的含量。这个指标通过测定在特定条件下高锰酸钾（KMnO4）氧化水样中某些有机物和无机还原性物质时消耗的高锰酸钾量，进而计算出相当于消耗氧气的量。
整体趋势
上游呈现中间数值低，两岸数值高现象
下游呈现结果类似，但是数值上升了一个量级
结论：下游与上游趋势一致，下游的含量趋势上升了一个量级
• 总氮：总氮指数是水质分析中的一个重要指标，它代表了水中所有氮化合物的总和，包括无机氮（如硝酸盐NO₃⁻、亚硝酸盐NO₂⁻、铵离子NH₄⁺）和有机氮（如蛋白质、氨基酸和其它含氮有机物）。总氮指数的测定对于评估水体的营养状态和潜在的富营养化风险非常重要。
上游总氮分布
异常区域总氮分布
结论；上下游总氮分布几基本一致，中游部分异常
• 总磷：总磷指数是水质分析中的一个重要参数，它衡量的是水体中所有磷化合物的总量，无论其化学形态如何。总磷包括溶解态的磷、颗粒态的磷、有机磷和无机磷。无机磷又可以细分为正磷酸盐（PO₄³⁻）、偏磷酸盐和焦磷酸盐等。指数是水质分析中的一个重要参数，它衡量的是水体中所有磷化合物的总量，无论其化学形态如何。总磷包括溶解态的磷、颗粒态的磷、有机磷和无机磷。无机磷又可以细分为正磷酸盐（PO₄³⁻）、偏磷酸盐和焦磷酸盐等。
结论：下游区域含量较高
• 归一化悬浮物指数：归一化悬浮物指数（Normalized Difference Suspended Sediment Index，NDSSI）是一种高效的水质遥感指数，通过红光与近红外波段的归一化差异量化悬浮物浓度，广泛应用于环境监测、灾害评估和资源管理。其计算简便且兼容性强，但需结合实地数据校准和辅助指数以提高精度，尤其在复杂水体环境中。
结论：整体趋势基本一致
• 波段比值法：波段比值法（Suspended Matter Index，SMI）通过绿光与红光反射率的简单比值，提供了一种快速评估水体悬浮物浓度的工具。其优势在于计算简便、对低浓度敏感。
结果值< 1.0 高悬浮物浓度（红光反射率显著高于绿光，水体浑浊，如洪水期或河口泥沙区）。
结果值在1.0–2.0 中等悬浮物浓度（常见于轻度浑浊的河流、湖泊或近岸海域）。
结果值> 2.0 低悬浮物浓度（绿光透射性强，红光被吸收或散射少，如清澈水体或深海区域）。
结论：整体悬浮物较低，上有部分区域含一定量的悬浮物
