《無(wú)人機(jī)光譜遙感河湖庫(kù)巡檢技術(shù)導(dǎo)則》

ICS13.060.01

Z10

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CWECXXX-XXXX

無(wú)人機(jī)光譜遙感河湖庫(kù)巡檢技術(shù)導(dǎo)則

TechnicalguidelinesforUAVspectralremotesensinginspectionof

rivers,lakesandreservoirs

(征求意見稿)

請(qǐng)將你們發(fā)現(xiàn)的有關(guān)專利的內(nèi)容和支持性文件隨意見一并返回

（2021.5）

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實(shí)施

中國(guó)水利企業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布

T/CWECXXX-XXXX

無(wú)人機(jī)光譜遙感河湖庫(kù)巡檢技術(shù)導(dǎo)則

1范圍

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了無(wú)人機(jī)光譜遙感河湖庫(kù)巡檢系統(tǒng)的組成、功能、巡檢要求、巡檢模式及內(nèi)

容、數(shù)據(jù)分析及整理、資料的整理及移交等內(nèi)容。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于采用無(wú)人機(jī)光譜遙感對(duì)河湖庫(kù)進(jìn)行的巡檢作業(yè)。

2規(guī)范性引用文件

本標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容引用了下列文件中的條款。凡是不注明日期的引用文件，其有效版本適用

于本標(biāo)準(zhǔn)。

GB3838—2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

GB/T14848地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

GB/T14950—2009攝影測(cè)量與遙感術(shù)語(yǔ)

GB/T27920.1—2011數(shù)字航空攝影規(guī)范第1部分：框幅式數(shù)據(jù)航空攝影

GB/T79311:5001:10001:2000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范

GBT29858-2013GB/T29858-2013分子光譜多元校正定量分析通則

GB/T36540-2018水體可見光-短波紅外光譜反射率測(cè)量

GB/T31010-2014色散型高光譜遙感器實(shí)驗(yàn)室光譜定標(biāo)

GB/T36540-2018水體可見光-短波紅外光譜反射率測(cè)量

HJ/T91地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范

HJ/T372水質(zhì)自動(dòng)采樣器技術(shù)要求

SL2219水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范

CH/Z3001無(wú)人機(jī)航攝安全作業(yè)基本要求

CH/T3002無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)要求

DD2013-12多/高光譜遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)程

DZ/T0203—2014航空遙感攝影技術(shù)規(guī)程

3術(shù)語(yǔ)和定義

下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。

3.1

無(wú)人機(jī)光譜遙感巡檢系統(tǒng)UAVspectralremotesensinginspectionsystem

3

T/CWECXXX-XXXX

以無(wú)人機(jī)為監(jiān)測(cè)平臺(tái)，搭載可見光-近紅外范圍的光譜相機(jī)，能夠?qū)δ繕?biāo)水體進(jìn)行日常、

專項(xiàng)及應(yīng)急巡檢的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.2

水域邊界線waterborderline

指水域的外輪廓線，與陸地相接的分界線。投影至平面地圖上通常用深藍(lán)色線表示，

中間水域用淡藍(lán)色表示。

3.3

水體遙感反射率Waterremotesensingreflectivity

離水輻亮度（水面上行輻亮度減去天空光水面鏡面反射輻亮度）與下行輻照度之比

3.4

歸一化差值水體指數(shù)normalizeddifferencewaterIndex；NDWI

綠波段和近紅外波段通道反射率之差除以它們的和。

3.5

歸一化差值植被指數(shù)normalizeddifferencevegetationindex；NDVI

NDVI為近紅外波段和紅波段通道反射率之差除以它們的和。

3.6

水色指數(shù)Forel-Ulewatercolorindex；FUI

通過(guò)遙感影像的反射率計(jì)算得到的評(píng)價(jià)水體顏色等級(jí)的指數(shù)，用于表征水體的水體顏

色信息。

3.7

CIE-三刺激值XYZinternationalcommissiononillumination-tristimulus

valueXYZ

XYZ由CIE-RGB光譜三刺激值經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換得到的用于實(shí)現(xiàn)顏色量化表示的三個(gè)參

數(shù)。

3.8

色相角chromaangle

CIE-三刺激值XYZ經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算，得到在CIE色度圖中以等能白光點(diǎn)為原點(diǎn)的表征顏

色的角度。

3.9

黑臭水體black-odorouswater

包括農(nóng)村黑臭水體和城市黑臭水體，農(nóng)村黑臭水體是指各縣(市、區(qū))行政村(社區(qū)等)范

圍內(nèi)顏色明顯異常或散發(fā)濃烈(難聞)氣味的水體。城市黑臭水體是城市區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)令人不

悅的顏色和（或）散發(fā)令人不適氣味的水體的統(tǒng)稱。

4

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4系統(tǒng)組成及功能

4.1系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)光譜遙感河湖庫(kù)巡檢系統(tǒng)應(yīng)包括無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)、光譜遙感子系統(tǒng)、地面保障子系

統(tǒng)、軟件分析及顯示子系統(tǒng)。

4.1.1無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)平臺(tái)單元、飛行控制單元、通信與數(shù)據(jù)傳輸單元、地面站單元組

成。

4.1.2光譜遙感子系統(tǒng)

光譜遙感子系統(tǒng)包括光譜相機(jī)及輔助配件。

4.1.3地面保障子系統(tǒng)

地面保障子系統(tǒng)由地面保障設(shè)備和儲(chǔ)運(yùn)車輛組成。

4.1.4軟件分析及顯示子系統(tǒng)

軟件分析及展示子系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)多/高光譜遙感影像預(yù)處理、分析軟件及巡檢成果GIS

展示系統(tǒng)。

4.2功能要求

4.2.1無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)的基本功能要求

無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)應(yīng)能通過(guò)多旋翼、固定翼和復(fù)合翼不同機(jī)型搭載光譜遙感子系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)水

體進(jìn)行日常巡檢、專項(xiàng)巡檢和應(yīng)急巡檢。無(wú)人機(jī)載重要求：機(jī)載多光譜遙感子系統(tǒng)要求≥500g，

機(jī)載高光譜遙感子系統(tǒng)要求≥1kg。多旋翼無(wú)人機(jī)滿電續(xù)航時(shí)間一般應(yīng)不小于20分鐘，固定

翼和復(fù)合翼無(wú)人機(jī)滿電續(xù)航時(shí)間≥60分鐘。

4.2.2光譜遙感子系統(tǒng)的基本功能要求

a)光譜范圍400nm(含)~800nm(含)，光譜通道數(shù)不低于4個(gè)

b)光譜相機(jī)光譜分辨率一般不低于30nm

c)光譜相機(jī)空間分辨率一般不低于1mrad（等效值：1m@100m）

d)光譜相機(jī)像素位數(shù)一般不低于10bits

4.2.3地面保障子系統(tǒng)的基本功能要求

地面保障子系統(tǒng)包括定位裝置、氣象觀測(cè)設(shè)備、光譜校準(zhǔn)裝置。地面定位精度應(yīng)優(yōu)于2m，

氣象觀測(cè)設(shè)備應(yīng)符合QX/T46、QX/T47和QX/T51的要求。

4.2.4軟件分析及顯示子系統(tǒng)的基本功能要求

軟件應(yīng)具有配準(zhǔn)、拼接、輻射校正等預(yù)處理功能，分析軟件通過(guò)對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)計(jì)算，

實(shí)現(xiàn)對(duì)水域邊界線、污染源識(shí)別、富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)、黑臭水體分級(jí)、藻類水華的應(yīng)用分析。

5巡檢要求

無(wú)人機(jī)光譜遙感依據(jù)河湖庫(kù)管理制度及河湖庫(kù)管理單位需求對(duì)所需巡檢水域進(jìn)行無(wú)人

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機(jī)光譜巡檢，根據(jù)不同的巡檢模式和巡檢需求合理安排巡檢內(nèi)容、時(shí)間、相關(guān)工作要求等。

5.1設(shè)備要求

根據(jù)河湖庫(kù)管理單位的巡檢需求，配備相應(yīng)的無(wú)人機(jī)光譜遙感系統(tǒng)，確保該系統(tǒng)能安全、

有效的完成河湖庫(kù)巡檢任務(wù)。

5.1.1無(wú)人機(jī)硬件要求

巡檢前要確保無(wú)人機(jī)設(shè)備電池電量正常、電壓穩(wěn)定且電池組沒(méi)有明顯鼓包、凹陷狀況；

對(duì)于多旋翼無(wú)人機(jī)要確保旋翼槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)正常無(wú)異響。確保無(wú)人機(jī)通訊連接正常，不受干擾。

5.1.2無(wú)人機(jī)軟件要求

無(wú)人機(jī)連接地面站軟件系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)需顯示正常的經(jīng)緯度、速度、海拔高度、無(wú)人機(jī)姿

態(tài)等信息；巡檢前進(jìn)行試飛，確定無(wú)人機(jī)遙控器與無(wú)人機(jī)連接穩(wěn)定、無(wú)人機(jī)起降正常、機(jī)上

指示燈正常，且試飛時(shí)經(jīng)緯度等實(shí)時(shí)信息正常。

5.1.3無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡航

無(wú)人機(jī)光譜遙感系統(tǒng)在進(jìn)行巡檢時(shí)須在地面站航行軟件中規(guī)劃好精確的航線，確保無(wú)人

機(jī)設(shè)備沿預(yù)定的航線對(duì)河湖庫(kù)目標(biāo)進(jìn)行巡檢。巡航高度和區(qū)域應(yīng)遵守中國(guó)民用航空總局令

（第188號(hào)）CCAR-91-R2一般運(yùn)行和飛行規(guī)則，以及輕小無(wú)人機(jī)運(yùn)行規(guī)定(試行)（中國(guó)民

用航空總局2016年6月22日發(fā)布），不得在禁飛區(qū)飛行。

5.1.4無(wú)人機(jī)光譜數(shù)據(jù)要求

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看光譜遙感數(shù)據(jù)的大小、空間、光譜維度信息是否正常、飛行POS數(shù)據(jù)的

大小以及所有數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄、傳輸、存儲(chǔ)等來(lái)確保光譜遙感測(cè)量設(shè)備正常。

發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)大小不正常、光譜數(shù)據(jù)內(nèi)容偏差（光譜曲線偏移等）、光譜數(shù)據(jù)

缺失等問(wèn)題，立即進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理，無(wú)法及時(shí)處理則更換其他無(wú)人機(jī)光譜遙感設(shè)備進(jìn)行巡檢。

5.2人員要求

根據(jù)無(wú)人機(jī)光譜系統(tǒng)巡檢的工作內(nèi)容以及無(wú)人機(jī)光譜遙感系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，需配備一定

的人員共同完成河湖庫(kù)巡檢任務(wù)。

5.2.1無(wú)人機(jī)駕駛員

負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)光譜遙感設(shè)備的飛行及光譜數(shù)據(jù)采集工作，根據(jù)光照條件及飛行區(qū)域面積，

合理設(shè)置飛行器和光譜遙感系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)；無(wú)人機(jī)駕駛員應(yīng)具有無(wú)人機(jī)執(zhí)照，以確保無(wú)人

機(jī)光譜遙感系統(tǒng)巡檢河湖庫(kù)的穩(wěn)定性和安全性。

5.2.2地面保障人員

在需要獲得無(wú)人機(jī)水體遙感反射率數(shù)據(jù)的情況下，利用地面光譜采集設(shè)備配合巡檢行動(dòng)

在地面同步開展無(wú)人機(jī)光譜遙感設(shè)備地物光譜定標(biāo)工作。主要工作內(nèi)容包括在無(wú)人機(jī)飛行區(qū)

域鋪設(shè)地面靶標(biāo)參考板，以及利用便攜式地物光譜儀與無(wú)人機(jī)光譜遙感設(shè)備同步測(cè)量靶標(biāo)參

考板的遙感反射率。

6

T/CWECXXX-XXXX

5.2.3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集人員

無(wú)人機(jī)光譜遙感系統(tǒng)需要結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)巡檢項(xiàng)目進(jìn)行遙感解譯，因此在無(wú)人機(jī)光

譜系統(tǒng)對(duì)河湖庫(kù)進(jìn)行巡檢的同時(shí)，地面需同步設(shè)置采樣點(diǎn)采集巡檢內(nèi)容、實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)。

根據(jù)三種不同的巡檢模式采集巡檢內(nèi)容，地表水的采集方法參考HJ/T91；各類水質(zhì)參

數(shù)的檢測(cè)方法參考GB3838—2002；采樣器材的準(zhǔn)備參考HJ/T372；采集人員需嚴(yán)格按照采

樣規(guī)范和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量規(guī)范進(jìn)行巡檢內(nèi)容采集，確保所得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。在采樣的同時(shí)

需觀察記錄整個(gè)采樣區(qū)域的排污口、水面漂浮物等情況，做好詳細(xì)的采樣記錄。

實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)需配備光譜分辨率不低于無(wú)人機(jī)光譜遙感數(shù)據(jù)的便攜式野外高光譜測(cè)量

儀以及標(biāo)準(zhǔn)漫反射板，測(cè)量光譜數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)保證周圍無(wú)明顯遮擋物，測(cè)量人員身著深色服裝，

測(cè)量方法參考《水面光譜測(cè)量分析Ⅰ:水面以上測(cè)量法，遙感學(xué)報(bào)，2004，8（1）：37-43》。

測(cè)量時(shí)間保持與無(wú)人機(jī)經(jīng)過(guò)時(shí)間同步。人員數(shù)量根據(jù)采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)及實(shí)際情況確定。

5.3機(jī)型選擇

應(yīng)根據(jù)作業(yè)場(chǎng)地環(huán)境、目標(biāo)范圍、無(wú)人機(jī)配置等實(shí)際情況選擇不同機(jī)型無(wú)人機(jī)對(duì)河流、

湖泊、水庫(kù)進(jìn)行巡查。機(jī)型選擇原則參照表1執(zhí)行。

表1機(jī)型選擇原則

水體類型目標(biāo)特性、范圍及環(huán)境適用機(jī)型

所有水體點(diǎn)狀目標(biāo)多旋翼

線狀目標(biāo)，順直（彎曲系數(shù)<1.3），作業(yè)長(zhǎng)度<1/2有多旋翼、固定翼、

效航程復(fù)合翼

線狀目標(biāo)，彎曲（彎曲系數(shù)>1.3），作業(yè)長(zhǎng)度<1/2航

河流多旋翼

程；地形高差<1/2航高

線狀目標(biāo)，彎曲（最小航跡段長(zhǎng)度>河流轉(zhuǎn)彎半徑），

多旋翼

作業(yè)長(zhǎng)度>1/2航程；地形高差<1/2航高

面狀目標(biāo)，面積<0.5km2；岸線發(fā)育系數(shù)>2；地形

多旋翼

高差>1/2航高

湖泊、水庫(kù)

面狀目標(biāo)，面積>0.5km2，岸線發(fā)育系數(shù)<2；地形

固定翼、復(fù)合翼

高差<1/2航高

5.4光譜遙感標(biāo)定

5.4.1無(wú)人機(jī)機(jī)載光譜儀標(biāo)定方法

無(wú)人機(jī)機(jī)載光譜儀標(biāo)定一般包括實(shí)驗(yàn)室光譜標(biāo)定和現(xiàn)場(chǎng)輻射標(biāo)定兩部分。

實(shí)驗(yàn)室光譜標(biāo)定一般是設(shè)備在出廠前，由生產(chǎn)商參照GB/T31010-2014，采用標(biāo)準(zhǔn)單色

儀器進(jìn)行定標(biāo)，確保機(jī)載光譜儀傳感器各中心波長(zhǎng)及其波譜響應(yīng)函數(shù)的誤差符合要求。

現(xiàn)場(chǎng)輻射標(biāo)定采用兩步標(biāo)定法，第一步，傳感器現(xiàn)場(chǎng)光譜基線標(biāo)定和優(yōu)化曝光參數(shù)；第

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二步，無(wú)人機(jī)執(zhí)飛過(guò)程定標(biāo)。

5.4.2傳感器現(xiàn)場(chǎng)光譜基線標(biāo)定和優(yōu)化曝光參數(shù)

在無(wú)人機(jī)起飛前，設(shè)備通電后，將反射率參考板放置于光譜儀的鏡頭前。打開光譜采集

軟件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的光線環(huán)境，如太陽(yáng)高度角、光強(qiáng)和色溫等，優(yōu)化曝光參數(shù)，獲取反射率參

考板的光譜反射率光譜曲線。使采集的光譜曲線不要出現(xiàn)過(guò)曝現(xiàn)象和過(guò)弱現(xiàn)象。然后保存優(yōu)

化后的曝光參數(shù)及反射率參考板的光譜反射率標(biāo)準(zhǔn)基線。

5.4.3無(wú)人機(jī)執(zhí)飛過(guò)程定標(biāo)

將基線定標(biāo)時(shí)的反射率參考板放置于無(wú)人機(jī)光譜采集時(shí)的飛行路線上。在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)

程中，應(yīng)在數(shù)據(jù)采集開始后和結(jié)束前經(jīng)過(guò)反射率參考板上空2次以上。反射率參考板采集與

巡檢目標(biāo)采取一致的飛行參數(shù)和設(shè)備參數(shù)。當(dāng)作業(yè)完成后，提取巡檢作業(yè)影像數(shù)據(jù)時(shí)，將所

采集的反射率參考板的影像提取出來(lái)，并從中隨機(jī)選擇10個(gè)像元提取個(gè)像元的波段DN值，

然后平均，得到各波段的DN均值DNref(λ)。然后利用巡檢目標(biāo)影像像元的各波段DN值

DNUAV，除以DNref(λ)，再乘以反射率參考板各波段的反射率Rref(λ)，計(jì)算得到巡檢目標(biāo)像元

的反射率值RUAV(λ)。

RUAV(λ)=DNUAV(λ)/DNref(λ)×Rref(λ)/?（1）

-1

RUAV(λ)為計(jì)算得到的無(wú)人機(jī)巡檢目標(biāo)的遙感反射率（單位：sr），DNUAV(λ)為無(wú)人機(jī)測(cè)得

的光譜信號(hào)值，DNref(λ)為無(wú)人機(jī)探測(cè)到的參考板光譜信號(hào)值，Rref(λ)為反射率參考板的反射

率，一般為0—1的常數(shù)值。

5.4.4現(xiàn)場(chǎng)輻射定標(biāo)精度驗(yàn)證

在無(wú)人機(jī)機(jī)載光譜儀飛行采集地面標(biāo)準(zhǔn)參考反射率板的同時(shí)，也采用標(biāo)準(zhǔn)光譜儀對(duì)地面

標(biāo)準(zhǔn)參考反射率板進(jìn)行同步光譜測(cè)量，并進(jìn)行反射率計(jì)算。測(cè)量和計(jì)算方法參考GB/T

36540-2018，然后通過(guò)光譜匹配計(jì)算和分析無(wú)人機(jī)機(jī)載光譜儀和標(biāo)準(zhǔn)光譜儀所采集的中心

波長(zhǎng)和帶寬的偏移誤差，驗(yàn)證無(wú)人機(jī)機(jī)載光譜儀的輻射定標(biāo)精度。并對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)載光譜儀進(jìn)

行誤差修訂。

6巡檢模式及內(nèi)容

6.1巡檢模式

6.1.1日常巡檢

利用無(wú)人機(jī)光譜遙感河湖庫(kù)巡檢系統(tǒng)對(duì)河湖庫(kù)進(jìn)行常規(guī)巡檢，巡檢周期為15天，巡檢

頻率可根據(jù)具體需求而定。

6.1.2專項(xiàng)巡檢

利用無(wú)人機(jī)光譜遙感河湖庫(kù)巡檢系統(tǒng)對(duì)河湖庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化、黑臭程度、水域邊界線等專

項(xiàng)進(jìn)行巡檢。

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6.1.3應(yīng)急巡檢

應(yīng)急巡檢是采用無(wú)人機(jī)光譜遙感河湖庫(kù)巡檢系統(tǒng)對(duì)突發(fā)狀況進(jìn)行河湖庫(kù)專項(xiàng)巡檢。

6.2巡檢內(nèi)容

6.2.1巡檢內(nèi)容

巡檢內(nèi)容見表2。

表2無(wú)人機(jī)光譜遙感河湖庫(kù)巡檢系統(tǒng)巡檢內(nèi)容

巡檢模式巡檢內(nèi)容

日常巡檢水域邊界線、污染源識(shí)別

水域邊界線、污染源識(shí)別、富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)、黑臭水體識(shí)別與分級(jí)、藻類水

專項(xiàng)巡檢

華

應(yīng)急巡檢水域岸線、污染源識(shí)別、藻類水華

6.2.2巡檢監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

巡檢項(xiàng)目見表3。

表3無(wú)人機(jī)光譜遙感河湖庫(kù)巡檢系統(tǒng)巡檢項(xiàng)目

水體巡檢項(xiàng)目（技術(shù)參數(shù)）

NDWI、FUI、水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TSI（TrophicStatusIndex）、BOI（Black

河湖庫(kù)andOdorouswaterIndex）、BOCI（BlackandOdorouswater

ClassificationIndex）、FAI（FloatingAlgaeIndex）、NDVI等光譜指數(shù)

7數(shù)據(jù)分析及整理

7.1數(shù)據(jù)分析

7.1.1水域邊界線

NDWI是基于綠波段與近紅外波段的歸一化比值的水體指數(shù)，可以增強(qiáng)影像中的水體信

息，常用于水域邊界線的提取。而且，水體在近紅外波段的反射率一般會(huì)比其他地物更低。

NDWI指數(shù)按照公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

?(G)??(???)

NDWI=????(2)

???(G)+???(???)

式中：Rrs(G)——無(wú)人機(jī)影像綠波段（555nm附近）大氣校正后遙感反射率值；

Rrs(NIR)——無(wú)人機(jī)影像近紅外波段（800nm附近）大氣校正后遙感反射率值。

基于NDWI和近紅外單波段反射率的判別方法及閾值見公式（3）。W1和W2的值可

根據(jù)影像上普通水體來(lái)進(jìn)行確定，W1建議參考值為0—0.4之間，W2建議參考值為0—0.2

之間。最終確定水域邊界線。

非水體????≤?1或?rs(NIR)≥?2

水體提取{(3)

一般水體????＞?1且?rs(NIR)<?2

7.1.2疑似污染源定位

疑似污染源包括人為活動(dòng)引起的污染點(diǎn)、排污口。排污口一般為開放式溝渠和封閉式管

9

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道。排放形式有明排放和隱藏式排放。一般來(lái)說(shuō)，污染區(qū)域具有氮磷濃度高、高錳酸鹽指數(shù)

高、色度大、透明度低、懸浮物濃度高等污染特征。

疑似污染源分析可以采用光譜影像色差分析法、水質(zhì)指標(biāo)直接指示法和光譜指數(shù)法相結(jié)

合的方法。

光譜影像色差分析法：通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取的光譜圖像上，進(jìn)行偽彩色合成，看水體的形態(tài)

變化和色差變化，和正常排水口進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)是否為排污口。排污口的色差一般呈現(xiàn)漸變

趨勢(shì)。

水質(zhì)指標(biāo)直接指示法：是依據(jù)各水質(zhì)指標(biāo)的遙感反演模型，得到各水質(zhì)指標(biāo)的空間分布

遙感影像，再依據(jù)其空間分布的差異以及流體擴(kuò)散特征，初步確定其是否為疑似污染源。如

果為疑似污染源，就需要定位記錄其經(jīng)緯度位置信息、主要污染指標(biāo)類型及有關(guān)濃度。污染

源的流體擴(kuò)散影像特征一般表現(xiàn)為：（1）順?biāo)鞣较蜓厮蜻呺H線帶狀擴(kuò)散；（2）從污染

口向外喇叭狀擴(kuò)散；（3）四周彌散擴(kuò)散。污染源的氮、磷和懸浮物指標(biāo)一般為排污口最高，

然后向外逐漸稀釋至與主要受污染區(qū)相同。

光譜指數(shù)法：Imp不透水面指數(shù)（ImperviousSurfaceIndex）；首先在水體以外的岸線巡

檢區(qū)域中，計(jì)算Imp光譜指數(shù)和NDVI指數(shù)見公式（4）和（5），光譜特征的判別方法見公

式（6），再根據(jù)指數(shù)閾值標(biāo)記前景和背景，計(jì)算前景對(duì)象的面積、矩形度等形狀特征，在

影像中選取樣本，確定閾值，完成初分類；其次根據(jù)水質(zhì)遙感分級(jí)結(jié)果，分析水質(zhì)級(jí)別變化

趨勢(shì)及空間分布，再采取空間分析方法分析初分類結(jié)果，剔除無(wú)污染水體、輕度污染水體、

無(wú)水質(zhì)級(jí)別變化水體附近的初分類點(diǎn)，最終確定疑似污染源。

Imp=（10*Rrs(B)）/（Rrs(NIR)+Rrs(R)）（4）

NDVI=（Rrs(NIR)-Rrs(R)）/（Rrs(NIR)+Rrs(R)）（5）

式中：Rrs(B)——無(wú)人機(jī)影像藍(lán)波段的反射率；

Rrs(R)——無(wú)人機(jī)影像紅波段的反射率；

Rrs(NIR)——無(wú)人機(jī)影像近紅波段的反射率；

W3和W4的值可根據(jù)影像上白色（或水泥）不透水面來(lái)進(jìn)行確定，W3建議參考值為

0.1—0.4之間，W4建議參考值為2.1—2.9之間。

有效目標(biāo)????≤?3且???≥?4

光譜特征{(6)

無(wú)效背景????＞?3或???<?4

7.1.3富營(yíng)養(yǎng)化水體分級(jí)

7.1.3.1FUI水色指數(shù)

建議采用FUI水色指數(shù)（Forel-Ulewatercolorindex），基于影像的遙感反射率，計(jì)算

水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TSI（TrophicStatusIndex）。具體技術(shù)路線如下。

10

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圖1基于FUI評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)技術(shù)路線圖

7.1.3.1.1CIE-XYZ三刺激值計(jì)算

將影像的R，G，B三個(gè)波段的Rrs值作為色度系統(tǒng)的紅、綠、藍(lán)三原色，將其合成的

真彩色圖像作為實(shí)際顏色，利用CIE色度系統(tǒng)（CIE，1931）中的三原色RGB與三刺激值

XYZ之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系（見公式（6））計(jì)算得到R，G，B波段圖像對(duì)應(yīng)的顏色三刺激值。

X=2.7689R+1.7517G+1.1302B

Y=1.0000R+4.5907G+0.0601B(6)

Z=0.0000R+0.0565G+5.5934B

利用CIE系統(tǒng)的R，G，B向X，Y，Z三刺激值轉(zhuǎn)換公式來(lái)計(jì)算色相角α和FUI指

數(shù)。對(duì)于只有R，G，B三個(gè)波段的遙感圖像，在計(jì)算三刺激值XYZ時(shí)，R，G，B波段

系數(shù)見表4。

表4基于RGB波段計(jì)算CIE-XYZ的波段線性求和系數(shù)

λ1(nm)紅波段綠波段藍(lán)波段SUM

x12.76891.75171.13025.65

y114.59070.06015.65

z100.05655.59345.65

注：SUM為傳感器波段系數(shù)之和

7.1.3.1.2色度坐標(biāo)計(jì)算

將X，Y，Z值代入公式（4）進(jìn)行歸一化計(jì)算色度坐標(biāo)(x，y)。色度圖上二維坐標(biāo)x和

y是由三刺激值XYZ計(jì)算得來(lái)的色度坐標(biāo)，計(jì)算公式如下。

11

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X

?=

X+Y+Z

X

?=(7)

X+Y+Z

Z

?=

X+Y+Z

7.1.3.1.3色相角計(jì)算

將經(jīng)7.1.3.2中得到的色度坐標(biāo)(x，y)中x、y的值代入公式（5），計(jì)算得到色度角α

的值。色相角α按照公式（8）進(jìn)行計(jì)算。

α=ARCTAN2(x-0.3333，y-0.3333)(8)

式中：ARCTAN2——雙變量反正切函數(shù)。值域?yàn)椋?°，360°）

7.1.3.1.4Forel-Ule比色表

基于經(jīng)7.1.3.3計(jì)算得到的色相角α和FUI指數(shù)色度查找表（見表5），查找表中與α

最鄰近的色度值，該色度值對(duì)應(yīng)的FUI即水體FUI水色指數(shù)。

表5Forel-Ule比色表中21個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)的色度坐標(biāo)(x,y)和色相角α值

FUIxyαFUIxyα

10.1913630.16691940.467120.4024160.4811205.0622

20.1989540.19987145.19626130.4162430.47368210.5766

30.2100150.239952.85273140.4313360.465513216.5569

40.2265220.28834767.16945150.4456790.457605222.1153

50.2458710.33528191.29804160.4606050.449426227.6293

60.2662290.37617122.5852170.4753260.440985232.8302

70.2907890.411528151.4792180.4886760.43285237.3523

80.3153690.440027170.4629190.5033160.424618241.7592

90.3366580.461684181.4983200.5154980.416136245.5513

100.3632770.476353191.8352210.5282520.408319248.9529

110.3861880.486566199.0383

7.1.3.1.5基于FUI的水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)方法

利用FUI水色指數(shù)與與水體光學(xué)組分（如Chl-a和透明度）有著密切內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建

基于FUI水色指數(shù)的水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)方法。

FUI水色指數(shù)與TSI營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系按照公式（9）進(jìn)行計(jì)算。

y=25.586*In(x)-13.756（9）

式中：x——FUI水色指數(shù)；

y——TSI營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)閾值，利用FUI分段對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行劃分，見圖2。

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圖2水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)決策樹

7.1.3.2光譜指數(shù)分級(jí)

這里采用兩種光譜指數(shù)NDVI和RRd，將水體分為四級(jí)：貧營(yíng)養(yǎng)-中營(yíng)養(yǎng)、輕度富營(yíng)

養(yǎng)化水體、中度富營(yíng)養(yǎng)化水體、重度富營(yíng)養(yǎng)化水體。

NDVI和RRd反映了水體富營(yíng)養(yǎng)化特征，計(jì)算公式如下：

?(???)??(?)

????=????（7）

???(???)+???(?)

?rs(Rededge)

???=（8）

?rs(NIR)

式中：Rrs(R)——無(wú)人機(jī)遙感影像紅波段（660nm附近）反射率值；

Rrs(Rededge)——無(wú)人機(jī)遙感影像紅邊波段（720nm附近）反射率值；

Rrs(NIR)——無(wú)人機(jī)遙感影像近紅外波段（840nm附近）反射率值。

富營(yíng)養(yǎng)化級(jí)別和光譜指數(shù)的閾值對(duì)應(yīng)關(guān)系見下表，V1、V2的值可根據(jù)影像上典型的富

營(yíng)養(yǎng)化水體來(lái)進(jìn)行確定，V1建議參考值為1.0—1.8之間，V2建議參考值為1.5—2.3之間，

且V1<V2。

表6營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別和光譜指數(shù)的閾值對(duì)應(yīng)表

營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)NDVIRRd

貧營(yíng)養(yǎng)

小于0——

中營(yíng)養(yǎng)

輕度富營(yíng)養(yǎng)大于0小于等于V1

中度富營(yíng)養(yǎng)大于0大于V1且小于V2

重度富營(yíng)養(yǎng)大于0大于等于V2

7.1.4黑臭水體識(shí)別和分級(jí)

采用BOI（BlackandOdorouswaterIndex）模型識(shí)別黑臭水體，采用BOCI（Blackand

OdorouswaterClassificationIndex）模型對(duì)黑臭水體進(jìn)行分級(jí)。

7.1.4.1黑臭水體遙感識(shí)別模型

BOI是基于紅、綠波段的遙感反射率之差與藍(lán)、綠、紅波段的遙感反射率之和的比值的

指數(shù)，常用于識(shí)別黑臭水體，按照公式（10）進(jìn)行計(jì)算。

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?(?)??(?)

BOI=????(10)

???(?)+???(?)+???(?)

式中：Rrs(B)——無(wú)人機(jī)影像藍(lán)波段（470nm附近）大氣校正后遙感反射率值；

Rrs(G)——無(wú)人機(jī)影像綠波段（555nm附近）大氣校正后遙感反射率值；

Rrs(R)——無(wú)人機(jī)影像紅波段（700nm附近）大氣校正后遙感反射率值。

基于BOI方法的閾值選取見公式（11）。T的值可根據(jù)影像上典型的黑臭水體來(lái)進(jìn)行確定，

建議城市黑臭水體參考值為0—0.07之間。

黑臭水體???≤?

水體識(shí)別{（11）

一般水體???＞?

7.1.4.2黑臭水體遙感分級(jí)指數(shù)

BOCI是基于綠波段反射率的基線差值與紅波段反射率之比的指數(shù)，一般用于對(duì)黑臭水

體進(jìn)行分級(jí)，按照公式（12）、（13）進(jìn)行計(jì)算。

???(G)??’rs(?)

?1≤BOCI=≤?2(12)

???(R)

R’rs,(G)=Rrs(B)+(Rrs(R)-Rrs(B))*(λG-λB)/(λR-λB)(13)

式中：Rrs(B)——無(wú)人機(jī)影像藍(lán)波段（470nm附近）大氣校正后遙感反射率值；

Rrs(G)——無(wú)人機(jī)影像綠波段（555nm附近）大氣校正后遙感反射率值；

Rrs(R)——無(wú)人機(jī)影像紅波段（700nm附近）大氣校正后遙感反射率值。

λB——無(wú)人機(jī)影像藍(lán)波段的波長(zhǎng)；

λG——無(wú)人機(jī)影像綠波段的波長(zhǎng)；

λR——無(wú)人機(jī)影像紅波段的波長(zhǎng)；

R’rs,G——遙感影像綠波段插值反射率

基于BOCI方法的閾值選取見公式（14）。M1、M2的值可根據(jù)影像上典型的黑臭水體

來(lái)進(jìn)行確定，建議城市黑臭水體M1、M2參考范圍分別是0—0.19，0.19—0.33。

重度黑臭????＜?1

水體類別{輕度黑臭?1≤????≤?2（14）

一般水體????＞?2

7.1.5水華識(shí)別和分級(jí)

可以采用改進(jìn)后的FAI（FloatingAlgaeIndex）指數(shù)，也可以采用NDVI指數(shù)，識(shí)別和

分級(jí)藍(lán)藻水華。

7.1.5.1改進(jìn)后的浮游藻類指數(shù)FAI

FAI是浮游藻類指數(shù)。與NDVI、EVI（EnhancedVegetationIndex）等方法相比，F(xiàn)AI對(duì)

于環(huán)境條件改變的敏感性更低，結(jié)果具有很好的穩(wěn)定性，該方法還可以采用近紅外波段對(duì)復(fù)

雜大氣環(huán)境進(jìn)行校正，消除部分大氣、薄云等的影響，是一種更為有效的藍(lán)藻監(jiān)測(cè)方法。

FAI指數(shù)按照公式（15）進(jìn)行計(jì)算

14

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FAI=Rrs(R)-Rrs(G)-(Rrs(NIR)-Rrs(G))*(λR-λG)/(λNIR-λG)（15）

式中：Rrs(G)——無(wú)人機(jī)影像綠波段大氣校正后遙感反射率值；

Rrs(R)——無(wú)人機(jī)影像紅波段大氣校正后遙感反射率值；

Rrs(NIR)——無(wú)人機(jī)影像近紅外波段大氣校正后遙感反射率值；

λG——表示所使用的無(wú)人機(jī)影像的綠波段中心波長(zhǎng)；

λR——表示所使用的無(wú)人機(jī)影像的紅波段中心波長(zhǎng)；

λNIR——表示所使用的無(wú)人機(jī)影像的近紅外波段中心波長(zhǎng)；

采用等間隔方法確定強(qiáng)度分級(jí)閾值，閾值參考值為-0.006、0和0.006。依據(jù)閾值將藍(lán)

藻水華區(qū)分成3級(jí)水華風(fēng)險(xiǎn)一級(jí)(-0.006＜FAI≤0)、風(fēng)險(xiǎn)二級(jí)(0＜FAI≤0.006)、風(fēng)險(xiǎn)三級(jí)(FAI

＞0.006)，水華程度依次加重，以確定水華發(fā)生強(qiáng)度的空間分布差異。

7.1.5.2歸一化差分植被指數(shù)NDVI

NDVI指歸一化差分植被指數(shù)(NormalizedDifferenceVegetationIndex)。藍(lán)藻水華的光譜

特征與植被較為相似，在近紅外波段反射率較高，水體在近紅外波段反射率較低，NDVI指

數(shù)可以增強(qiáng)兩者的差別。

NDVI指數(shù)按照公式（16）進(jìn)行計(jì)算。

?(???)??(?)

????=????（16）

???(???)+???(?)

式中：Rrs(R)——無(wú)人機(jī)影像紅波段（700nm附近）大氣校正后遙感反射率值；

Rrs(NIR)——無(wú)人機(jī)影像近紅波段（800nm附近）大氣校正后遙感反射率值。

基于NDVI方法的閾值選取見公式（16）、（17）。N、N1、N2的值可根據(jù)影像上典型

的藍(lán)藻水華來(lái)進(jìn)行確定，建議N、N1、N2參考范圍分別是0—0.4，0—0.2，0.2—0.4。

水華????≤?

水華識(shí)別{（17）

一般水體????＞?

輕度水華????≤?1

水華類別{中度水華?1＜????≤?2（18）

重度水華????＞?2

7.2數(shù)據(jù)整理

應(yīng)及時(shí)對(duì)測(cè)量條件、測(cè)量準(zhǔn)備、基本測(cè)量、測(cè)量記錄以及測(cè)量數(shù)據(jù)處理過(guò)程中涉及到的

內(nèi)容進(jìn)行整理和描述，形成測(cè)量工作報(bào)告、專題數(shù)據(jù)圖、GIS發(fā)布展示和電子檔案集等成果

資料。

工作報(bào)告應(yīng)包含以下內(nèi)容：

a)報(bào)告編寫和校對(duì)人員姓名和所在單位，報(bào)告編寫和校對(duì)日期；

b)巡檢目標(biāo)名稱和目標(biāo)特性；

c)巡檢目的、巡檢內(nèi)容、巡檢方式、巡檢過(guò)程、參與單位和人員分工；

d)巡檢目標(biāo)地點(diǎn)、時(shí)間、水溫、氣象條件和周邊環(huán)境狀況；

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e)光譜測(cè)量?jī)x器名稱、型號(hào)、覆蓋波長(zhǎng)、光譜分辨率、探測(cè)靈敏度及定標(biāo)日期；

f)巡檢原始記錄、數(shù)據(jù)篩選及數(shù)據(jù)分析的內(nèi)容、方法和結(jié)果；

g)配套測(cè)量數(shù)據(jù)及測(cè)量記錄表的文件名和文件格式；

h)其他配套設(shè)施的名稱、型號(hào)和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

專題數(shù)據(jù)圖應(yīng)包含以下內(nèi)容：

a)專題圖內(nèi)容：在地圖基礎(chǔ)上依據(jù)專題要求可疊加水域水面、富營(yíng)養(yǎng)化、黑臭水

體、污染源、水陸邊界線分析、富營(yíng)養(yǎng)化水體判別、黑臭水體識(shí)別、污染源排查

定位、藻類水華、岸線植被覆蓋度和多樣性評(píng)估等專題內(nèi)容；

b)底圖要求：原始拼接影像或者國(guó)家基礎(chǔ)地理地圖（天地圖）；

c)疊加要素：包括圖名、圖例、指北針、比例尺、制圖時(shí)間、空間統(tǒng)計(jì)信息（水體

總面積、富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)或黑臭水體提取各等級(jí)面積、疑似污染源個(gè)數(shù)、污染垃圾

點(diǎn)數(shù)、岸線植被覆蓋度面積）。

GIS發(fā)布展示應(yīng)包含以下內(nèi)容：

a)專題數(shù)據(jù)圖以天地圖為底圖發(fā)布到地圖上，應(yīng)無(wú)明顯位置偏差；

b)展示界面具有空間統(tǒng)計(jì)分析，可進(jìn)行簡(jiǎn)單的人工交互，可進(jìn)行多時(shí)相疊加顯示分

析，可計(jì)算變化情況，多時(shí)相數(shù)據(jù)發(fā)布要完全配準(zhǔn)不能存在偏差。

電子檔案集應(yīng)包含以下內(nèi)容：

a)獲取的原始遙感數(shù)據(jù)，POS數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)等；

b)篩選侯的原始數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理的中間結(jié)果數(shù)據(jù)；

c)巡檢目標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)及周邊環(huán)境照片；

d)巡檢計(jì)劃、測(cè)量記錄、總結(jié)報(bào)告、光譜測(cè)量?jī)x和標(biāo)準(zhǔn)參考板等技術(shù)文檔；

e)其他配套數(shù)據(jù)和說(shuō)明。