光学知识水体ＣＯＤ光谱特性分析

有机污染物是引起水体污染的主要原因，对水质、水中生物及生态平衡影响极为严重。由于有机污染物种类复杂，在水质评价中多采用综合性指标来表征有机污染的程度。化学需氧量（ＣＯＤ）便是评价水体受有机物污染程度的一个重要指标，指以化学的方法测量水体中需要被氧化的还原性物质的量，特别是有机污染物。ＣＯＤ值越高，表示水体有机污染越重。

ＣＯＤ的检测方法主要包括化学方法和物理方法，其中国标推荐的化学检测方法，检测精度高，但操作繁琐，且易造成二次污染；物理方法主要是通过紫外吸收法反演水体ＣＯＤ，能够在线快速反演，但缺点也十分明显，仅能获得固定点的反演值。遥感威廉希尔官方网站 具有实时、大面积、低成本、可重复的优势，在水质监测方面得到越来越广泛的应用。

测量方法

在实验室interwetten与威廉的赔率体系 环境中测量不同浓度ＣＯＤ标准溶液的反射光谱。为减少杂散光对光谱采集的影响，选择在黑色吸光布构建的光学暗室中进行。光源采用专用卤素灯，灯的高度和角度根据目标溶液位置可以调节。光谱采集设备为便携式地物光谱仪，视场角ＦＯＶ为２５°，光谱范围为３５０～２５００ｎｍ，光谱分辨率在３５０～１０００ｎｍ范围内为３．５ｎｍ。将目标溶液移至直径约２２ｃｍ，内部高度约１０ｃｍ的黑色塑料桶内，加满２Ｌ目标溶液后水面距离顶部约３ｃｍ，保持溶液体积不变。为了避免光源直射反射、镜面反射等，同时尽量与野外观测相联系，本实验水样观测几何采用水面以上观测法，定标采用５０％的标准灰板。光源入射角约５０°，水样中心距离光谱仪探头及光源中心分别为５和５０ｃｍ（见图１）。同一目标连续采集５条光谱取平均作为该浓度下的反射光谱，并进行滤波降噪处理。为了得到去除背景后的真实反射光谱，在实验开始之前测量了桶中加入等量纯水的反射光谱。

图1实验室水体反射率测量系统示意图

结果与谈论

2.1 原始光谱分析

实验室内测量的水体反射率可以用如式（１）表达

其中，Ｒ（ｎ，λ）为不同浓度的ＣＯＤ标准液水体反射率，下标ｎ表示ＣＯＤ标准液浓度（在５～７００ｍｇ·Ｌ－１区间内），下标λ表示反射率波长，３４０～２２１０ｎｍ。ＤＮＣＯＤ（ｎ）为传感器接收到的ＣＯＤ标准液辐射信号，ＤＮｂｏａｒｄ（λ）为传感器接收到的５０％灰板的辐射信号，Ｒｂｏａｒｄ（λ）为５０％定标灰板的反射率，由仪器定标时提供。

经Ｓａｖｉｔｚｋｙ－Ｇｏｌａｙ（ＳＧ）滤波处理后的不同浓度的ＣＯＤ标准液反射光谱（截取３４０～２２１０ｎｍ）见图２（ａ）。可以看出，在纯水中逐渐加入邻苯二甲酸氢钾，溶液ＣＯＤ浓度逐渐升高，反射光谱在可见－短波红外范围内整体逐步上升。为探索不同浓度的ＣＯＤ标准液反射光谱是否仅为简单的平移或偏移关系，并进一步突出光谱吸收和反射特征，增强光谱曲线各波段之间的对比性，引入多元散射校正（ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｖｅｓｃａｔｔｅｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，ＭＳＣ）和包络线去除（ｃｏｎｔｉｎｕｕｍｒｅｍｏｖａｌ）方法，校正结果分别见图２（ｂ）和（ｃ）。

图２ 经（ａ）ｓｇ滤波、（ｂ）ｍｓｃ校正和（ｃ）包络线去除处理后的 不同浓度的 ＣＯＤ标准溶液反射光谱

2.2 归一化反射率

为去除背景桶底和桶壁对光谱分析的影响，将原始光谱直接减去桶中加入等量纯水的反射光谱，得到真正的由于ＣＯＤ浓度变化引起的响应光谱，这里我们统一叫做差谱（ＤＲ），即

其中，ＤＲ（ｎ，λ）为ｎｍｇ·Ｌ－１ＣＯＤ标准液的差谱，Ｒｗａｔｅｒ（λ）为同样环境下测得的等量纯水的反射率光谱。

相同成分组成的溶液的反射光谱具有相似的吸收特性，为进一步扩大差谱的光谱响应，按照式（３）计算归一化反射率（ＮＲ）。

其中，ＮＲ（ｎ，λ）为ｎｍｇ·Ｌ－１ＣＯＤ标准液的归一化反射率，Ｒ（５，λ）为最低浓度即５ｍｇ·Ｌ－１的ＣＯＤ标准溶液反射率。若ＣＯＤ标准溶液在某波长处具有强吸收或反射特征，则随着溶液浓度的增加，溶液对此波长处光谱的吸收或反射越强，高浓度溶液与低浓度溶液反射率光谱的差异逐步增大，导致归一化反射率在此波长处呈现出随溶液浓度增大而快速增大。

图３ 实验室内测得的不同浓度ＣＯＤ标准溶液

在（ａ）３４０～２２１０ｎｍ全波段范围内，（ｂ）３８０～８００ｎｍ可见光局部范围内，（ｃ）９５０～１１８０ｎｍ近红外局部范围内的归一化反射率光谱的变化趋势。由图３可以看出，随着ＣＯＤ标准液浓度的增加，溶液归一化反射率逐步增加，并在５４０～５８０和１０００～１０６０ｎｍ波段区间快速响应，尤其是在５５０，５６５，１０１６和１０４７ｎｍ附近形成明显峰值，说明ＣＯＤ标准溶液在５４０～５８０和１０００～１０６０ｎｍ波段具有显著的光谱响应特征。

图４不同浓度的ＣＯＤ标准液在５５０，５６５，１０１６，１０４７ｎｍ处的归一化反射率

推荐：

便携式地物光谱仪iSpecField-NIR/WNIR

专门用于野外遥感测量、土壤环境、矿物地质勘探等领域的最新明星产品，由于其操作灵活、便携方便、光谱测试速度快、光谱数据准确是一款真正意义上便携式地物光谱仪。

无人机机载高光谱成像系统iSpecHyper-VM100

一款基于小型多旋翼无人机机载高光谱成像系统，该系统由高光谱成像相机、稳定云台、机载控制与数据采集模块、机载供电模块等部分组成。无人机机载高光谱成像系统通过独特的内置式或外部扫描和稳定控制，有效地解决了在微型无人机搭载推扫式高光谱照相机时，由于振动引起的图像质量较差的问题，并具备较高的光谱分辨率和良好的成像性能。

便携式高光谱成像系统iSpecHyper-VS1000

专门用于公安刑侦、物证鉴定、医学医疗、精准农业、矿物地质勘探等领域的最新产品，主要优势具有体积小、帧率高、高光谱分辨率高、高像质等性价比特点采用了透射光栅内推扫原理高光谱成像，系统集成高性能数据采集与分析处理系统，高速USB3.0接口传输，全靶面高成像质量光学设计，物镜接口为标准C-Mount，可根据用户需求更换物镜。

审核编辑黄宇