礦區(qū)能源過(guò)度開(kāi)發(fā)與水資源緊張已成為制約煤炭工業(yè)發(fā)展的重要因素。針對(duì)煤礦水資源環(huán)境監(jiān)測(cè)的迫切需求，文章提出一種基于多通道光譜技術(shù)的水環(huán)境多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。該方法通過(guò)多個(gè)通道采集水體的光譜影像、計(jì)算每個(gè)通道光譜反射率、選擇最優(yōu)通道、優(yōu)化反演模型，得出水體的葉綠素a(Chla)、總磷(TP)和總懸浮物(TSM)的濃度，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤礦區(qū)域水環(huán)境的水質(zhì)狀況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法獲取的光譜影像符合不同地物的光譜特征，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)水質(zhì)變化，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法在時(shí)效性、可視化等方面的不足，為煤礦水環(huán)境監(jiān)測(cè)提供有效參考和技術(shù)支撐。

煤礦資源的開(kāi)采與利用為我國(guó)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也帶來(lái)了一定的環(huán)境、生態(tài)和社會(huì)問(wèn)題。煤礦地表塌陷區(qū)是隨著礦區(qū)煤炭開(kāi)挖而形成的一種特殊的生態(tài)環(huán)境，地下潛水水位高的煤礦塌陷區(qū)將會(huì)形成大面積的塌陷積水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤炭開(kāi)采造成的土地占?jí)汉统料菀堰_(dá)50多萬(wàn)公頃,生態(tài)恢復(fù)治理工作嚴(yán)重滯后。煤礦水環(huán)境決定著區(qū)域內(nèi)的生態(tài)水平，因此對(duì)水質(zhì)狀況進(jìn)行及時(shí)高效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是水環(huán)境保護(hù)和生態(tài)治理的關(guān)鍵，同時(shí)也為采煤塌陷區(qū)污染的控制和綜合治理提供科學(xué)參考。

葉綠素a(Chla)、總磷(TP)和總懸浮物(TSM)是影響水體光譜特征的重要因素，也是煤炭礦區(qū)水質(zhì)參數(shù)反演、礦區(qū)水質(zhì)污染等級(jí)、水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)研究的主要指標(biāo)。目前，煤炭礦區(qū)水環(huán)境監(jiān)測(cè)主要有人工移動(dòng)監(jiān)測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)。人工移動(dòng)監(jiān)測(cè)通過(guò)人工移動(dòng)采樣，獲取水樣后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析，該方法僅能獲取點(diǎn)狀分布的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，存在人工采集成本較高、時(shí)效性差、結(jié)果具有局限性等問(wèn)題；遙感監(jiān)測(cè)具有空間性強(qiáng)、覆蓋面廣等特點(diǎn)，主要是通過(guò)衛(wèi)星搭載的傳感器獲取水域的光譜影像，經(jīng)過(guò)水質(zhì)參數(shù)反演計(jì)算獲取區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)參數(shù)，但是這種方法觀測(cè)周期較長(zhǎng)，不能達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果，因此亟需一種既能滿足實(shí)時(shí)高效動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)又能滿足局部覆蓋的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法。

本文以徐州九里礦區(qū)為研究對(duì)象，提出了一種實(shí)時(shí)多通道光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法。此方法通過(guò)將自主研發(fā)的云譜相機(jī)搭載在高點(diǎn)平臺(tái)上進(jìn)行非接觸的水體光譜影像數(shù)據(jù)采集，計(jì)算出水體的反射率數(shù)據(jù)，運(yùn)用反演模型測(cè)定水體中Chla、TP和TSM的含量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域水質(zhì)參數(shù)的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，以期為煤炭礦區(qū)水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和水資源的保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)采集

1.1 研究區(qū)概況

徐州市位于江蘇省西北部，市區(qū)面積約963km2。市區(qū)內(nèi)以黃河故道為分水嶺，九里礦區(qū)在黃河故道以北，有龐莊煤礦、夾河煤礦、王莊煤礦和寶應(yīng)煤礦，是主要的采煤塌陷區(qū)，由于地下潛水位高，采煤塌陷積水嚴(yán)重，地表水系遭到破壞，工業(yè)、生活污水就近排放，進(jìn)一步加重了水質(zhì)污染。因此對(duì)采煤塌陷積水區(qū)進(jìn)行綜合整治是礦區(qū)治理與生態(tài)重建的關(guān)鍵之一。

1.2 數(shù)據(jù)采集

本文使用KSHA-C08型多通道云譜相機(jī)采集被監(jiān)測(cè)區(qū)域水體的光譜影像，云譜相機(jī)一般選擇固定在便于數(shù)據(jù)采集且易于安裝、維護(hù)的地點(diǎn)。本次試驗(yàn)云譜相機(jī)安裝高度為10m。由于安裝點(diǎn)是由東南方向日出，西南方向日落，綜合太陽(yáng)高度角、方位角以及環(huán)境因素，為了盡量避免太陽(yáng)直射反射的干擾所產(chǎn)生的耀斑，確定多通道云譜相機(jī)的觀測(cè)方向?yàn)槲鞅狈较?，與水平面法線之間的觀測(cè)夾角約為45°。采集時(shí)間為日照的上午8點(diǎn)至下午5點(diǎn)，圖像采集間隔自定義為30min, 空間分辨率為1mm(35mm焦距),幅寬為1.44m×1.08m(35mm焦距),設(shè)備共有8路光譜通道，包括彩色、藍(lán)光、綠光、紅光、紅光邊緣、近紅外等8路單通道影像，均為8bit圖像數(shù)據(jù)，光譜通道參數(shù)見(jiàn)表1。

在監(jiān)測(cè)水域內(nèi)隨機(jī)選擇多個(gè)距離盡可能遠(yuǎn)的采樣點(diǎn)，按照設(shè)定時(shí)間間隔對(duì)多個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行多通道光譜數(shù)據(jù)采集，同時(shí)采集監(jiān)測(cè)水域采樣點(diǎn)的水樣，用以驗(yàn)證水質(zhì)參數(shù)與特定波段的相關(guān)性，進(jìn)一步驗(yàn)證反演模型的準(zhǔn)確度。

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