無人機巡航和水質反演分析在河流環境監測中的應用

殷偉慶

（江蘇省鎮江環境監測中心，江蘇鎮江212001）

引言

2019年年底，生態環境部出臺《生態環境監測規劃綱要（2020?2035年）》，提出要推動傳統監測向生態環境監測轉變，要說得清現狀、說得準問題、說得明環境污染的成因、機理與改善，是新時期生態環境監測的目標方向。大部分河道縱橫交錯，目前監管部門多采用人工取樣或安裝自動監測站的方式監測水環境質量，但人工取樣周期長、時效低，在線自動監測站建設成本高、維護難等因素限制了其覆蓋密度，并且很難反映水域的整體水質狀況[1]。無人機遙感水質監測技術可對河道提供快速、實時、無死角的巡查服務，實現水質監測、水域全面普查等功能，補充了傳統環保監測技術上空間監測能力的不足[2]，提升了環境監測的覆蓋空間范圍與空間分辨率。

1 技術組成

1.1 無人機高光譜視頻遙感

光譜視頻成像儀是目前光電領域最尖端的探測和成像技術之一。高光譜視頻成像技術，通過光譜采集基礎理論革新和關鍵技術突破，克服了傳統掃描式光譜儀數據量極大、成像時間長、云臺穩定性要求高、無法拍攝動態場景等弊端。采用獨特的光學、電子學和計算技術，能夠進行實時的光譜掃描（15fps以上），成像分辨率能夠達到兩百萬像素以上，能夠同步兼顧大場景、高空間分辨率、高光譜分辨率的光譜視頻采集需求，并且設備體積更加小巧、易用，在軍事、工業、農業、環保等領域有著廣闊應用前景[3]。

1.2 水質反演模型

在水質分布反演模型方面，主要是通過離散點采樣，將各點光譜數據與采樣指標進行相關性回歸分析，建立一個回歸分析模型，推算影像內其它各點水質數值。這種方法優點是技術門檻低、計算時間短，不足是易受采樣點數值準確性、遙感影像環境因素干擾影響，很容易出現數值異常點。水質反演采用深度學習技術，基于已建立的一套水質指標與多光譜、高光譜的分析模型，結合水域實際監測數據進行迭代調優，最終定期輸出水質分布數據。這種方法的優勢在于充分利用了流域水環境先驗優勢，模型魯棒性強，不易受到單個采樣點數據異常的干擾。

2 無人機巡航服務方案

2.1 設備選型

無人機可選包括：小型固定翼、垂直起落固定翼、多旋翼等。

圖1 固定翼和多旋翼無人機照片

無人機搭載光譜視頻成像儀參數如下：

表 高光譜視頻成像儀參數表

表2 多光譜視頻成像儀參數表

2.2 工作量測算

2.2.1 鎮江市河道水系情況

鎮江市水系范圍總面積約30km2，河道總面積3 km2，河道總長度約為70km。河道共計68條，其中骨干河道35條，總長度約130km；非骨干河道52條，總長度約30km。河道中寬度10m以下約占70%，10～20m約占17%，20～50m約占10%，50m以上約占3%。沿邊有高樓的河道長度約占總河道長度的2%，沿邊有樹遮住的河道部分約占總河道面積的3%，河道水面有垃圾、水生植物、橋梁遮蓋的河道面積約占總面積的1%。

2.2.2 航線設置

寬度10m以下和10～20m河道設定一條航線，寬度20～50m河道設定兩條航線，寬度50m以上設定三條航線。

2.2.3 預計拍攝影像數量

n寬度10m以下和10～20m河道占總河道數的87%，總長度約為114km，預計拍攝5000張影像。

n寬度20～50m河道占總河道數的4%，總長度約為50km，預計拍攝4500張影像。

n寬度50m以上河道占總河道數的3%，總長度約為40km，預計拍攝4000張影像。總計130km，預計共拍攝13500張影像。

2.2.4 預計拍攝時長

初步估算一天可以拍攝15條河道，全部拍攝時長需3～5天（視天氣情況而定）。

2.3 注意事項

（1）飛行高度：120m（具體視當地空管情況而定）。

（2）單張影像實地拍攝范圍：55m*40m。

（3）重疊率：60%。

（4）最佳拍攝時間：9：00?15:00。

（5）最佳拍攝天氣：晴天。

2.4 采集方案

無人機影像以1～2個月為一個周期，共計4期飛行影像采集，采集方式包括全面體檢、定期巡航和應急巡航等。

2.4.1 全面體檢

城市河道縱橫交錯，水質情況參差不齊，前期通過對城市所有的河道進行全面掃描，摸查城市內河道整體水質情況，結合已有河道水質情況，識別重點污染河道、污染區域等。

2.4.2 定期巡航

無人機搭載光譜視頻成像儀，對重點區域（如重點河道、重點污染河道、重點污染區域等）進行巡航監控，輸出高分辨率影像。并可對執法人員不方便查勘、視野范圍無法觸及的地方進行全面近距離的觀察，幫助有關部門掌握真實情況，提高執法效率。

2.4.3 應急巡航

面向污染突發事件或應急指揮需求，無人機遙感巡航服務，可靈活、快速的測定污染范圍，評估危害程度，并輔助現場應急指揮，形成水環境監控全視角，環境動態全掌握的監測目標。

3 反演分析方案

3.1 光譜影像數據處理

光譜影像加工流程包括：輻射亮度標定、正射校正、圖像拼接等[4]。

3.1.1 輻射亮度標定

無人機遙感圖像處理的通用預處理流程，用于將無人機遙感輸出的DN值轉化為輻射亮度，并通過標定太陽輻射獲取目標反射率。

3.1.2 正射校正

無人機遙感圖像處理的通用預處理流程，用于將斜拍目標轉化為正射影像。

圖2 正射校正示意圖

3.1.3 圖像拼接

無人機遙感的通用處理流程，用于將多張影像按照定位和目標特征拼接成一張完整影像，便于展示與后續處理分析[5]。

圖3 圖像拼接示意圖

3.1.4 水域提取

根據水體和陸地光譜差異采用閾值分割提取水體區域，計算輸出水體掩膜圖像。

3.1.5 水生植物識別

利用光譜分析模型識別水生植物。來自水生植物的遙感數據無法用于反演水面以下的水體要素，因此首先要把水生植物區域提取出來，然后利用實際水域的遙感圖像反演水體要素。

3.2 水質反演分析

光譜是區分地物種類、分析成分含量的一種重要特征。不同地物其光譜形態不同，同一地物、成分含量不同其光譜數值大小也存在差異，使用遙感技術遠距離獲取目標光譜特征，可用于數值定量反演[6]。

利用無人機高光譜影像，結合地面水質站點監測數據和人工取樣化驗數據，訓練并使用人工智能反演模型，得到流域水質分布（分辨率＜1m×1m），可反演參數包括高錳酸鹽指數、氨氮、濁度、葉綠素a、總磷、總氮，反演誤差＜20%～30%。通過水質反演分析，實現河道黑臭水體快速普查和評估、水資源監測、水生態監測等。

圖4 河道無人機總磷反演示意圖

圖5 湖泊無人機葉綠素α反演示意圖

3.3 水環境“一張圖”

使用GIS地圖資源，開發主城區水環境圖層，綜合展示所有河道水系和當期水質反演分析結果、斷面和自動監測站數據、污水處理廠和排口等水環境要素。

顯示內容可根據站點類型、要素類別等進行篩選，全面直觀展現河道狀態，精準反映區域問題點位和整治進度。

圖6 水環境“一張圖”

4 預期效能

4.1 流域監測更全面

利用無人機獲取河道的高分辨影像，實現空間連續無死角的監測，及時發現水里和岸上的風險隱患；利用光譜影像分析出水質指標分布數據，迅速識別和定位水中相對污染區域，有效節約了廣布站的經費和運維壓力；結合地面監測點位，構建先進多源立體感知體系，客觀、準確、全面的反映生態環境狀況，大幅提高監測、監管和監督能力[7]。

4.2 補充、健全生態環境監測評價機制

監測手段的創新彌補了傳統監測手段在空間上的不足，可實現流域環境形勢綜合研判、環境風險研判和預測預警，從而提高生態環境綜合治理科學化水平。

4.3 強化污染溯源能力

利用無人機遙感光譜分析服務，定期獲得河道水質的“體檢報告”，準確找到“病癥”；結合水環境“一張圖”，將“病癥”與水環境各要素關聯，污染攻堅作戰更快找準“病因”，精準打擊，高效治理，長效管理。

4.4 強化綜合治理能力

利用無人機遙感水質定量反演，準確、全面反映的生態環境質量狀況及動態趨勢，結合排放數據與污染模型，輸出排污情況變化對環境質量變化的影響數據，為生態環境改善提供措施層面的具體指導。

5 生態環境監測應用

5.1 沿岸水質疑似污染區域識別和排查

流域污染區域識別需要面上水質分布數據，環境監測領域傳統化學監測方法是點狀監測，數據不足以鎖定污染區域。該功能主要基于生態眼衛片反演能力，對高分一、二、六號采集到的流域多光譜衛片進行分析，提取水域部分數據，反演分析得到氨氮、高錳酸鹽、總磷和總氮等水質指標分布影像，并提取岸線附近水質指標高值區。根據疑似污染區域坐標和影像，開展無人機航拍進行二次查證和快速識別。將查證確認的排口坐標信息與流域地理信息數據庫中排口檔案數據進行比對，篩選出未登記在冊的可疑排口和排污事件。經人工審核后，系統以工單形式派發生態環境相關部門，相關部門取證、執法、整改后將情況回報系統，完成事件閉環。

5.2 岸線生態破壞識別和排查

流域生態環境保護需要全面掌握岸線利用情況，及時發現岸線破壞事件。該應用主要基于生態眼衛片反演能力，對高分一、二、六號和高景一號（為商業衛星，正在增加珠海一號、吉林一號和北京二號等）采集到的流域衛片進行地物分類解析，結合岸線利用規劃和生態紅線規劃，識別岸線破壞事件（如違建、種菜、垃圾堆積等）。根據疑似岸線破壞的坐標和影像，開展無人機航拍進行二次查證和快速識別確認。經人工審核后，系統以工單形式派發生態環境相關部門，相關部門取證、執法、整改后將情況回報系統，完成事件閉環。

5.3 水源地保護區風險識別和監控

水源地保護的核心是控風險，前提是掌握區域內主要風險源。該應用主要基于生態眼衛片反演和地物分類能力，利用高分一、二、六號和高景一號等衛片數據對集中式飲用水水源地區域進行衛片解析，梳理一級二級保護區內的水里風險（如水生植物、藻類、碼頭、航運、水上加油站等）和岸上風險（如排口、化工生產、垃圾堆填等），按保護區級別分類梳理形成水源地風險檔案，并同步更新保護區地理信息數據庫。對發現的疑似違規現象進行報警，相關報警信息在相關業務部門客戶端提示，并發送信息至業務人員。處理結束后，業務部門回報系統形成閉環。

水源地保護的主要工作是7×24h全時段監控風險，監管對象主要是人類活動，實施時需要根據當地情況調整監控報警對象。通過夜視視頻監控和雷達監控識別闖入一二級保護區內的船只，利用海事AIS數據掌握船只基本信息并鎖定嫌疑人；利用運營商和微信定位大數據識別闖入一級保護區或在二級保護區內長時間逗留的人員，視頻捕捉人臉影像，現場廣播通報和驅逐。相關報警信息在相關業務部門客戶端提示，并發送信息至業務人員。處理結束后，業務部門回報系統形成閉環。

6 結束語

隨著我國環境保護要求持續增加，新時期生態環境監測的目標方向主要為：說得清現狀、說得準問題、說得明環境污染的成因、機理與改善。無人機遙感水質監測技術可對河道提供快速、實時、無死角的巡查服務，利用無人機高光譜影像，結合地面水質站點監測數據和人工取樣化驗數據，通過人工智能反演模型，得到流域水質分布，從而實現河道黑臭水體快速普查和評估、水資源監測、水生態監測等。該技術補充了傳統環保監測技術上空間監測能力的不足，極大地提升了環境監測的覆蓋空間范圍與空間分辨率，尤其在河道水質異常調查、水域全面普查中發揮了舉足輕重的作用。