基于多通道光谱技术的煤矿水环境监测方法研究（二）

2 地物光谱特征

2.1 多通道光谱数据

矿区检测区域内有水体、植被、建筑物三类不同地物，通过云谱相机采集的某晴天上午11点40分的地物光谱影像如图1所示。

从图1中可以看出水体区域在多通道下像素值(DN值)均较低，尤其是蓝光和近红外光的DN较低；建筑物在各通道的DN值均比其他地物高，反映了建筑物高反射率的特点；植被在560nm和近红外通道DN值较高，尤其是709nm, 反映了植被在560nm通道和近红外通道存在较为明显的反射特征。结果表明云谱相机采集到的多通道光谱影像符合不同地物的光谱特征。

2.2 地物反射光谱

在进行多通道光谱影像采集后，需计算地物光谱反射率。本文提出了依据光照度进行DN值数据库索引的方法。首先构建多通道不同光照度下反射率为30%的标准DN值数据库，并根据光照度计获得的实时照度值进行数据库索引，找出对应照度值下的多通道标准DN值，进而计算出多通道相应地物的反射率。不同地物的反射率曲线如图2所示。

图2中植被在560nm处有一个小的反射峰，在490nm和665nm处有两个吸收谷，在近红外通道有较强的反射，符合常见绿色植被的光谱反射特征；水体整体的反射率均较低，在560nm有一个小的反射峰，近红外通道反射较低，符合低叶绿素a浓度的水体反射特征；建筑物整体反射率均较高，尤其是709nm, 也满足常见的建筑物的反射光谱特征。

2.3 相关性分析

本文结合已有特殊波段及组合，对不同采样点的叶绿素a(Chla)、总磷(TP)和总悬浮物(TSM)浓度与光谱反射率相关性进行分析得知，叶绿素a(Chla)、总磷(TP)和总悬浮物(TSM)浓度与光谱反射率在Band6/Band5、Band7/Band2、Band7/Band3三个波段组合情况下具有最大相关性。Band6/Band5、Band7/Band2、Band7/Band3称为叶绿素a(Chla)、总磷(TP)和总悬浮物(TSM)的最优通道组合。相关性公式见式(1)。

式中，γ(X,Y)为相关系数，度量X与Y之间的线性关系；Cσv(X,Y)为X与Y的协方差；Vαγ为X的方差；Vαγ为Y的方差。

3 水质监测

3.1 水质参数反演模型的构建

本文选取最优通道组合数据作为建模因子，然后依次构建线性、指数、幂函数和多项式这四种基本模型，并计算决定系数R2。相比单一通道的模型方法，能够有效降低背景干扰，提高水体有效光谱信息的获取。模型构建流程如图3所示。

水质参数反演模型及决定系数(R2)见表2。表2显示，三种水质参数反演模型中，模型的决定系数R2均呈现出多项式函数高于线性函数高于指数函数高于幂函数的状况11,12]。以Band6/Band5作为建模因子的Chla反演模型中，R2均高于0.75,其中多项式函数R2高达0.86。以Band7/Band2作为因子建立的TP反演模型中，多项式函数R2达到0.81。以Band7/Band3作为因子建立的TSM反演模型中，各模型的R2均高于0.72,多项式函数R2达到0.84。最终，Chla、TP、TSM的反演模型分别选择Band6/Band5、Band7/Band2、Band7/Band3作为因子建立的多项式函数。
 

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