礦區(qū)能源過度開發(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。針對煤礦水資源環(huán)境監(jiān)測的迫切需求，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)實時監(jiān)測方法。該方法通過多個通道采集水體的光譜影像、計算每個通道光譜反射率、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，從而實時監(jiān)測煤礦區(qū)域水環(huán)境的水質(zhì)狀況。實驗結(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，可以實時動態(tài)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)水質(zhì)變化，彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測方法在時效性、可視化等方面的不足，為煤礦水環(huán)境監(jiān)測提供有效參考和技術(shù)支撐。

煤礦資源的開采與利用為我國創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益，同時也帶來了一定的環(huán)境、生態(tài)和社會問題。煤礦地表塌陷區(qū)是隨著礦區(qū)煤炭開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)將會形成大面積的塌陷積水。據(jù)統(tǒng)計，我國煤炭開采造成的土地占壓和沉陷已達50多萬公頃,生態(tài)恢復(fù)治理工作嚴重滯后。煤礦水環(huán)境決定著區(qū)域內(nèi)的生態(tài)水平，因此對水質(zhì)狀況進行及時高效的動態(tài)監(jiān)測是水環(huán)境保護和生態(tài)治理的關(guān)鍵，同時也為采煤塌陷區(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、水體富營養(yǎng)化評價研究的主要指標。目前，煤炭礦區(qū)水環(huán)境監(jiān)測主要有人工移動監(jiān)測和遙感監(jiān)測。人工移動監(jiān)測通過人工移動采樣，獲取水樣后進行實驗室化學(xué)分析，該方法僅能獲取點狀分布的監(jiān)測數(shù)據(jù)，存在人工采集成本較高、時效性差、結(jié)果具有局限性等問題；遙感監(jiān)測具有空間性強、覆蓋面廣等特點，主要是通過衛(wèi)星搭載的傳感器獲取水域的光譜影像，經(jīng)過水質(zhì)參數(shù)反演計算獲取區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)參數(shù)，但是這種方法觀測周期較長，不能達到實時監(jiān)測效果，因此亟需一種既能滿足實時高效動態(tài)監(jiān)測又能滿足局部覆蓋的水質(zhì)監(jiān)測方法。

本文以徐州九里礦區(qū)為研究對象，提出了一種實時多通道光譜水質(zhì)監(jiān)測方法。此方法通過將自主研發(fā)的云譜相機搭載在高點平臺上進行非接觸的水體光譜影像數(shù)據(jù)采集，計算出水體的反射率數(shù)據(jù)，運用反演模型測定水體中Chla、TP和TSM的含量，實現(xiàn)目標區(qū)域水質(zhì)參數(shù)的連續(xù)自動監(jiān)測，以期為煤炭礦區(qū)水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測和水資源的保護提供技術(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，采煤塌陷積水嚴重，地表水系遭到破壞，工業(yè)、生活污水就近排放，進一步加重了水質(zhì)污染。因此對采煤塌陷積水區(qū)進行綜合整治是礦區(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型多通道云譜相機采集被監(jiān)測區(qū)域水體的光譜影像，云譜相機一般選擇固定在便于數(shù)據(jù)采集且易于安裝、維護的地點。本次試驗云譜相機安裝高度為10m。由于安裝點是由東南方向日出，西南方向日落，綜合太陽高度角、方位角以及環(huán)境因素，為了盡量避免太陽直射反射的干擾所產(chǎn)生的耀斑，確定多通道云譜相機的觀測方向為西北方向，與水平面法線之間的觀測夾角約為45°。采集時間為日照的上午8點至下午5點，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)見表1。

在監(jiān)測水域內(nèi)隨機選擇多個距離盡可能遠的采樣點，按照設(shè)定時間間隔對多個采樣點進行多通道光譜數(shù)據(jù)采集，同時采集監(jiān)測水域采樣點的水樣，用以驗證水質(zhì)參數(shù)與特定波段的相關(guān)性，進一步驗證反演模型的準確度。

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