基於高光譜技術的水質監測和自動化設計

北極星環境監測網訊:摘要：此次研究旨在利用高光譜技術進行水質監測，並進行自動化設計。目前傳統水質監測方法有受時節影響大、操作繁瑣、破壞水體等缺陷。高光譜技術搭載自動化則可以滿足實時監測、無人監測的要求，且無汙染、效率高。此次研究以昆玉河、未名湖、行天湖為測點進行葉綠素a、懸浮物濃度以及總氮、總磷含量的測定，簡易探究高光譜儀測定水質的工作機理，並根據其可行性，設計了以360°微型自旋光譜儀、浮標和傳感器單元（AD轉換）等為器材的自動化裝置，加強水監測的便捷程度，實現水質監測的無人值守。

1引言

習近平總書記在黨的十九大中指出；「綠水青山就是金山銀山。」然而人類的不合理活動給我們的水環境帶來了傷害，布下了潛伏的特洛伊木馬。因此加強水質監測亟不可待。目前水質監測常用的方法有化學法，色譜法，生物法等[1]。化學法測量精確，適用範圍廣，但是過於依賴化學反應，且容易造成二次汙染等固有不足[2,3]。色譜法靈敏度高，適合微量甚至痕量的分析。但其在組分複雜、變化較快的水體中難以發揮作用[1]。生物法具有敏感性、富集性、長期性和綜合性等特點[4]。但它難以測出水體汙染程度及汙物濃度，而且失去活性的生物需要定期更換[1]。

以上監測方法操作繁瑣，耗時長，破壞水環境，需要人工操作，耗費大量人力物力。近年來，隨著光譜技術的成熟，侯迪波等[5]基於紫外-可見光（UV-Vis）光譜水質分析方法探討了UV-Uis光譜在水質多參數在線監測等方面的發展。王燕等[6]分析了拉曼光譜關於水質監測的研究成果。王彥飛等[7]運用高光譜遙感對HSI數據真實性進行測評。大量事實表明，光譜技術在水質監測中可行。光譜技術進行水質監測有無需添加化學試劑[8]、不會壞水樣、儀器裝配簡易、能在短時間內處理大量數據[9]等優勢，對於本次需要的所有參數也只需一次性測量，而高光譜相較各波段數據更精確，因此，本次研究選擇高光譜技術。至於自動化設計方案，會在後文進行闡述。

2實驗與方法

2.1材料與儀器

根據實驗的目的，本次實驗選定了北京未名湖，昆玉河，行天湖三個地區的水體進行測定，光源為自然光源太陽。受試驗條件的限制，只測定了河湖岸邊的水。每片水域標定了8個點，每個點相隔1m進行監測。當天下午溫度約為28℃。

目前使用光譜儀在線監測水質已較為成熟，但大多是巨型設施，系統複雜，操作不易。微型光譜儀在水質監測方面並未得到廣泛應用，而且其自動化尚未實現。對此，實驗使用微型光譜儀。實驗採用的是海洋光學的USB2000+光纖光譜儀，光學解析度為1.5nm，積分時間最快為1毫秒。

2.2研究過程

首先進行水質監測探究。內陸水體光學特性複雜,受浮遊植物、無生命懸浮物和黃色物質等影響[10]。葉綠素a、氮、磷等的質量濃度是反映水體富營養化程度的重要參數[11,12]。通過測算得出Chla、TSS、TN、TP的含量可對當地水體富營養化程度進行一個判斷。

測定水的光譜曲線，每個測點測三次，以未名湖測點1為例，三個譜線分別命名為B11,B12,B13，以txt形式存檔。重複實驗操作流程，共三片水域，每片水域選取八個點，每個點測三次（實驗過程中始終保持光纖探頭位置不變）。

2.3數據處理流程

數據處理流程如圖1所示：

圖1數據處理流程

打開MATLAB，以未名湖為例，首先取B1—B8為每個測點三次測定的均值，剔除無關數據後，取b1—b8為反射率數組。再對b1—b8進行平滑處理得到BB1—BB8，然後用繪出圖線，最後標上縱橫坐標以tif形式保存。L組（昆玉河），H組（行天湖）處理步驟相同。

選取反演模型，葉綠素濃度：Chla=22.06+149.05*b754nm*（1/b665nm- 1/b709nm）

TTS含量：lg（TSS）=3.374+2.208189*1g（（b555nm+b670nm）*（b555nm/ b670nm））

圖4平滑後行天湖反射率

TN含量：TN=5.43+22.764*b550nm

TP含量：TP=0.039+2.7876*b810nm

在BB1—BB8中（L，H組同）提取出所需要波段反射率的數據，然後編程。通過一系列數據處理結果可得到需要的量。

2.4組分特徵分析

觀察譜線，LL1（green）、HH8（magenta）與其他組數據出入較大，捨去。然後利用模型反算可得：

根據實驗數據不能判斷是否符合國標。國標的符合與否是建立在確定光譜儀水質分析是準確的前提下的，有水質檢測儀真實值的比對，故不能判斷實際情況是否符合。但是可以對各項的含量進行比較：Chla：H>B>L，TN:B>H>L，TP:H>B>L，TSS:H>B>L。

3結論

本次研究為基於高光譜技術的水質監測，自動化設計會在稍後闡述。通過對比分析光譜曲線與有關數據可得以下幾點：

（1）四參在可見光——近紅外光譜下特徵明顯，大體趨勢相當有共性。於550nm，710nm有明顯波峰，670nm附近有明顯波谷。紫光到綠光區波長與反射率成正比，綠光到紅光區波長與反射率成反比。昆玉河在710nm以後特徵不再明顯不予考慮，其他兩個地區水質都是先成正比後成反比的趨勢，轉折點（波峰）為710nm左右。

（2）對各項的含量比較結果為：

Chla：H>B>L TN:B>H>L

TP:H>B>LT SS:H>B>L

但是不能判斷是否符合國標（沒有真實數據的比對）。

綜上，基於高光譜技術的水質監測便利快捷，特徵明顯，適合國家廣泛應用。

4自動化設計

上文我們探討了高光譜技術在水質應用方面的優勢，並進行了實際測定。基於上述高光譜儀應用，根據同一性，大體方案如下。

4.1考慮因素

目前關於水質監測的自動化設施大多是大型的，浸入式的，體積龐大，結構複雜，移動困難，只能用於水質監測基站[5]。即使是小型浮標遊行式監測和小型多參數水質檢測站，也難以滿足實時性、全面監測的需求。而現有的遙感監測由於內陸水色遙感缺少有效、周期穩定的衛星數據,很難做到衛星與地面同步觀測,並且由於水體信息微弱,受環境因素及大氣（氣溶膠、雲層等）影響較大,而目前又缺乏行之有效的周邊環境、大氣影響剔除方案[13]，也具有一定局限性。

360°微型自旋光譜儀可以減小太陽光散射等帶來的影響，而且能有效地檢測到更寬廣的水質敏感區域。微型自動化設施可以實現無人值守，實時監測，減小工作量，使水質監測更便捷、簡易。

4.2設計方案

1.總體脈絡

本方案以高光譜技術為基底進行設計，以湖為例。要想實現自動化，初步設想是通過計算在岸邊敏感區和湖中心確定監測範圍，固定多個浮標，搭載360°微型自旋光譜儀，無用時再包入空腔，潛入水底。相比現有的單一浮標遊行式的監測，此種方法更能滿足實時性的要求，只需在幾個水體敏感區布置設施即可了解水體大致情況。再通過傳感器進行調製，將傳到控制端，真正實現無無人值守，實時監測。

2.360°微型自旋光譜儀結構及工作機理

360°微型自旋光譜儀的設想為一梨形裝置，中心內置機械轉軸提供扭矩，仍採用傳統的光柵分光。光纖接在梨形儀器的頂部上，與機械臂相連，通過機械臂的伸縮以及光譜儀的自旋，可以有效監測更寬廣的區域。基底浮標上設有一空腔，與微型光譜儀相連，當微型光譜儀做定軸周期性旋轉時，每切換一次測定方位，連結的白板，黑板同時跟隨轉動，同時配置太陽能採光板，實現自供電。類似電動機，白板黑板外可繞微線圈，太陽能轉化為電能後，產生磁力矩，使其轉動，實現白板黑板的切換，就可以削減太陽光強不穩定性帶來誤差。

3.探測器的選用

前文只測定了Chla，TTS，TP，TN四個參量的含量，但是真實的水質監測需要更寬廣的譜線範圍，所以USB2000+的探測器型號已不再適用（SonyILX511B（2048像元矽基CCD線陣），電子在銦砷化鎵（InGaAs）中傳輸速度為矽數倍，且可以測量更寬廣的範圍。而InGaAs電晶體的尺寸僅為60納米，滿足微型化要求，因此，360°自旋光譜儀可使用InGaAs探測器。

4.除噪的考慮

暗電流噪聲和光子散粒噪聲在光強較弱時影響較大。前文實驗由於條件限制，僅儘量提高採樣頻率來減弱噪聲影響。此外，也可選擇搭載半導體製冷片來對線陣CCD進行製冷，進而降低暗電流[14]。

5.傳輸方式

傳感器選擇AD轉換式，採用GPRS無線傳輸。相比GSM，GPRS傳輸效率高，接受速度快，常用於交通監測，類比可得，適用於自動化設施的傳輸似為可行。

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