坚持创新引领 率先将无人机高光谱成像技术用于水质污染溯源——访先河环保研究院总工兼北京开发中心负责人崔厚欣博士

作为环保领域高新技术企业，河北先河环保科技股份有限公司（以下简称：“先河环保”）一直秉持“科技是第一生产力”的理念，围绕生态环境管理中的痛点和难点问题持续发力，研发具有自主知识产权的新产品、新技术，推进区域经济绿色协调发展，支撑国家生态文明战略的落地。

近期，先河环保推出“无人机高光谱成像数据咨询服务”，通过无人机搭载高光谱仪器在目标区域内采集高光谱信息，经过预处理、反演、污染溯源模型算法，实现污染的溯源分析。

为深入了解此技术，仪器信息网采访了此项目的负责人先河环保研究院总工兼北京开发中心负责人崔厚欣博士。

先河环保研究院总工兼北京开发中心负责人崔厚欣博士

环保是一个政策驱动型行业，随着十四五的到来，国家将水治理列入生态文明建设的重要任务。而在水质领域，先河环保的工作人员经常会被客户问到的问题就是：“水质污染来源是哪里？如何能找到污染来源？”

为满足客户需求，先河环保在现有水质监测设备的基础上，对自有的水质监测产品以及市场上主流水质监测仪器技术进行了全面梳理、分析，最终确定将“高光谱成像技术”作为重点研发技术进行攻关。

重点攻关 难题一一破解

无人机高光谱成像设备

无人机高光谱成像设备主要由无人机、高光谱成像仪、微型电脑、IMU/GPS（姿态）、电池、标准黑白灰板等组成，结构复杂、技术难度大，为实现这一技术方案，先河环保专门组建了研发团队进行攻关。

一是突破硬件技术瓶颈。高光谱成像仪在国外已经发展了几十年，技术比较成熟，但进口仪器的高价格会影响仪器未来的推广，于是先河环保立足国产化，成功研制出了自己的高光谱仪，此款仪器有240个通道，结合算法，可以反演出COD、TP、TN等15个水质参数。

二是高光谱图像数据预处理。无人机搭载了高光谱仪，沿着设定好的路线飞行，同时获取被测目标的光谱信息与成像信息，一次飞行结束之后，先河环保公司高光谱团队技术人员需要对收集到的高光谱信息进行处理。首先，对图像进行预处理，包括图像失真扭曲、大气影响、反射率等方面的校正；其次，进行图像拼接，将所有拍摄的图片拼接成一个完整的图片；最后，根据相关算法和模型计算水质参数。此过程涉及的关键技术包括航拍图像处理校正技术、大幅面图像拼接技术、水质参数反演技术、污染溯源分析技术等。为进一步提高数据准确性，还会现场采样进行手工分析，对相关算法和模型进行校准及核验。

三是建立专用的数据模型。先河环保借鉴了国外最新的研究成果，形成了最初的模型，随后在最初模型的基础上，先河环保不断采集实际河流的高光谱数据、在线监测仪器数据、手工监测水质数据等，从而对模型不断进行修正和优化，针对不同的区域采用专用化的校正算法及模型。

四是在数据处理过程中，异常点是处理难点。目前仪器的空间分辨率在几厘米，先河环保曾在某水域监测过程中，发现大量异常点，经排查，最终确定为受到水面中直径仅一至两厘米的芦苇秆的光谱干扰，这就需要数据处理人员有丰富的经验。

五是严把数据质控关口。1）在采集高光谱数据的同时，通过现场采样的方式选取若干个点，采集定量的水质样品带回实验室做定量分析，部分数据用于模型校正，部分数据用于模型校验，从而保证高光谱成像技术的分析数据质量，对于安装在线仪器设备的水域，数据质控会更加方便。2）通过高光谱配套的黑板、白板、灰布（均经过反射率计量认证），每个飞行架次校准一次，保证高光谱采集反射率光谱的准确性。

聚焦应用 提升用户体验

按照目前仪器和无人机的配置，一次航行大概可以飞行20-30分钟，飞行高度在100-500米之间，覆盖面积在150-1500亩之间。当然，如果更换无人机平台，这些参数都是可以变化的。一次飞行之后，经过数据处理，可以得到相应范围内水域二维空间的15个水质参数。

反演出的水质参数结果举例

从反演结果可见，某一水质参数的二维空间分布及某一点位15个水质参数的情况。

对于污染溯源，无人机高光谱成像技术的二维空间数据、在线仪器的点位长期数据、水质模型、水文模型等，再结合当地的农业工业分布情况，说清楚“污染从哪来？污染将如何变化”成为可能。

高光谱成像技术采集数据量较大，且数据需要经过预处理、校准、配准、拼接、反演等处理，运算量较大，目前一般是采用高性能服务器类型的计算机进行处理及事后分析，耗时较长。为更好地服务客户，先河环保推出“无人机高光谱成像数据咨询服务”，可为客户提供从仪器到飞行服务再到水质参数的专业化全流程反演服务。对于购买仪器客户，提供了可自动实现预处理、拼图和反演软件，如果出现异常值，用户可以单独申请进行数据分析，免除客户的大数据处理负担。

实际应用 初显神威

目前，先河环保的无人机高光谱成像技术已经在多个地区进行了实际应用，崔博士为我们介绍了两个经典的案例。

“某城市水库原先是一类水，后来变成了二类水，当地政府想知道是什么原因造成的？我们就派出了高光谱团队、手工采样分析团队、水模型团队，当地政府也为我们提供了近一两年现有的数据以及当地的一些情况。经过综合监测分析，我们给出了一个综合解决方案，受到了客户的认可。”

“某城市有一个湖泊，水质属于中度污染，并且安装了先河环保的在线水质监测设备对水质进行长期全域监测。为尽快改善湖泊水质，当地主管部门很乐意尝试新的技术手段。高光谱仪器推出之后，先河环保就对此湖泊进行了试飞，分析了该湖泊的相应参数的空间分布特点，为污染溯源分析提供更全面的数据支撑。案例的积累需要时间和机遇，但此项技术的优势已经有初步显现。

关于先河环保研究院

先河环保的研发部门被称为先河研究院，目前分为本部、北京、深圳、成都和美国波特兰五个中心，先河研究院统一规划统筹先河环保的研发任务，五个中心各有侧重。无人机高光谱成像技术诞生于先河环保研究院北京开发中心。

依托北京的人才优势，北京开发中心主要承担比较先进和高端的技术开发，如高光谱技术、水质模型和空气模型的开发、基于人工智能的图像识别和图像处理技术等。

写在最后：

在我国水质监测行业，实验室技术一直备受关注并不断发展，而非实验室仪器设备的发展却很缓慢，随着水治理进入攻坚阶段，水质监测行业亟需新技术的引入。

高光谱技术在此之前主要用于科研，在农业领域有少量应用。先河环保推出的应用于水质监测的“无人机高光谱成像技术”，开创高光谱在生态环境领域的应用先河。