無(wú)人機(jī)巡航和水質(zhì)反演分析在河流環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

殷偉慶

（江蘇省鎮(zhèn)江環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇鎮(zhèn)江212001）

引言

2019年年底，生態(tài)環(huán)境部出臺(tái)《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)劃綱要（2020?2035年）》，提出要推動(dòng)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)向生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變，要說(shuō)得清現(xiàn)狀、說(shuō)得準(zhǔn)問(wèn)題、說(shuō)得明環(huán)境污染的成因、機(jī)理與改善，是新時(shí)期生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的目標(biāo)方向。大部分河道縱橫交錯(cuò)，目前監(jiān)管部門(mén)多采用人工取樣或安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的方式監(jiān)測(cè)水環(huán)境質(zhì)量，但人工取樣周期長(zhǎng)、時(shí)效低，在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)站建設(shè)成本高、維護(hù)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(zhì)狀況[1]。無(wú)人機(jī)遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)可對(duì)河道提供快速、實(shí)時(shí)、無(wú)死角的巡查服務(wù)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水域全面普查等功能，補(bǔ)充了傳統(tǒng)環(huán)保監(jiān)測(cè)技術(shù)上空間監(jiān)測(cè)能力的不足[2]，提升了環(huán)境監(jiān)測(cè)的覆蓋空間范圍與空間分辨率。

1 技術(shù)組成

1.1 無(wú)人機(jī)高光譜視頻遙感

光譜視頻成像儀是目前光電領(lǐng)域最尖端的探測(cè)和成像技術(shù)之一。高光譜視頻成像技術(shù)，通過(guò)光譜采集基礎(chǔ)理論革新和關(guān)鍵技術(shù)突破，克服了傳統(tǒng)掃描式光譜儀數(shù)據(jù)量極大、成像時(shí)間長(zhǎng)、云臺(tái)穩(wěn)定性要求高、無(wú)法拍攝動(dòng)態(tài)場(chǎng)景等弊端。采用獨(dú)特的光學(xué)、電子學(xué)和計(jì)算技術(shù)，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的光譜掃描（15fps以上），成像分辨率能夠達(dá)到兩百萬(wàn)像素以上，能夠同步兼顧大場(chǎng)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(shè)備體積更加小巧、易用，在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景[3]。

1.2 水質(zhì)反演模型

在水質(zhì)分布反演模型方面，主要是通過(guò)離散點(diǎn)采樣，將各點(diǎn)光譜數(shù)據(jù)與采樣指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性回歸分析，建立一個(gè)回歸分析模型，推算影像內(nèi)其它各點(diǎn)水質(zhì)數(shù)值。這種方法優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)門(mén)檻低、計(jì)算時(shí)間短，不足是易受采樣點(diǎn)數(shù)值準(zhǔn)確性、遙感影像環(huán)境因素干擾影響，很容易出現(xiàn)數(shù)值異常點(diǎn)。水質(zhì)反演采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，基于已建立的一套水質(zhì)指標(biāo)與多光譜、高光譜的分析模型，結(jié)合水域?qū)嶋H監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代調(diào)優(yōu)，最終定期輸出水質(zhì)分布數(shù)據(jù)。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于充分利用了流域水環(huán)境先驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，模型魯棒性強(qiáng)，不易受到單個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)異常的干擾。

2 無(wú)人機(jī)巡航服務(wù)方案

2.1 設(shè)備選型

無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)照片

無(wú)人機(jī)搭載光譜視頻成像儀參數(shù)如下：

表 高光譜視頻成像儀參數(shù)表

表2 多光譜視頻成像儀參數(shù)表

2.2 工作量測(cè)算

2.2.1 鎮(zhèn)江市河道水系情況

鎮(zhèn)江市水系范圍總面積約30km2，河道總面積3 km2，河道總長(zhǎng)度約為70km。河道共計(jì)68條，其中骨干河道35條，總長(zhǎng)度約130km；非骨干河道52條，總長(zhǎng)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(zhǎng)度約占總河道長(zhǎng)度的2%，沿邊有樹(shù)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(shè)置

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

2.2.3 預(yù)計(jì)拍攝影像數(shù)量

n寬度10m以下和10～20m河道占總河道數(shù)的87%，總長(zhǎng)度約為114km，預(yù)計(jì)拍攝5000張影像。

n寬度20～50m河道占總河道數(shù)的4%，總長(zhǎng)度約為50km，預(yù)計(jì)拍攝4500張影像。

n寬度50m以上河道占總河道數(shù)的3%，總長(zhǎng)度約為40km，預(yù)計(jì)拍攝4000張影像。總計(jì)130km，預(yù)計(jì)共拍攝13500張影像。

2.2.4 預(yù)計(jì)拍攝時(shí)長(zhǎng)

初步估算一天可以拍攝15條河道，全部拍攝時(shí)長(zhǎng)需3～5天（視天氣情況而定）。

2.3 注意事項(xiàng)

（1）飛行高度：120m（具體視當(dāng)?shù)乜展芮闆r而定）。

（2）單張影像實(shí)地拍攝范圍：55m*40m。

（3）重疊率：60%。

（4）最佳拍攝時(shí)間：9：00?15:00。

（5）最佳拍攝天氣：晴天。

2.4 采集方案

無(wú)人機(jī)影像以1～2個(gè)月為一個(gè)周期，共計(jì)4期飛行影像采集，采集方式包括全面體檢、定期巡航和應(yīng)急巡航等。

2.4.1 全面體檢

城市河道縱橫交錯(cuò)，水質(zhì)情況參差不齊，前期通過(guò)對(duì)城市所有的河道進(jìn)行全面掃描，摸查城市內(nèi)河道整體水質(zhì)情況，結(jié)合已有河道水質(zhì)情況，識(shí)別重點(diǎn)污染河道、污染區(qū)域等。

2.4.2 定期巡航

無(wú)人機(jī)搭載光譜視頻成像儀，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域（如重點(diǎn)河道、重點(diǎn)污染河道、重點(diǎn)污染區(qū)域等）進(jìn)行巡航監(jiān)控，輸出高分辨率影像。并可對(duì)執(zhí)法人員不方便查勘、視野范圍無(wú)法觸及的地方進(jìn)行全面近距離的觀察，幫助有關(guān)部門(mén)掌握真實(shí)情況，提高執(zhí)法效率。

2.4.3 應(yīng)急巡航

面向污染突發(fā)事件或應(yīng)急指揮需求，無(wú)人機(jī)遙感巡航服務(wù)，可靈活、快速的測(cè)定污染范圍，評(píng)估危害程度，并輔助現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮，形成水環(huán)境監(jiān)控全視角，環(huán)境動(dòng)態(tài)全掌握的監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

3 反演分析方案

3.1 光譜影像數(shù)據(jù)處理

光譜影像加工流程包括：輻射亮度標(biāo)定、正射校正、圖像拼接等[4]。

3.1.1 輻射亮度標(biāo)定

無(wú)人機(jī)遙感圖像處理的通用預(yù)處理流程，用于將無(wú)人機(jī)遙感輸出的DN值轉(zhuǎn)化為輻射亮度，并通過(guò)標(biāo)定太陽(yáng)輻射獲取目標(biāo)反射率。

3.1.2 正射校正

無(wú)人機(jī)遙感圖像處理的通用預(yù)處理流程，用于將斜拍目標(biāo)轉(zhuǎn)化為正射影像。

圖2 正射校正示意圖

3.1.3 圖像拼接

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

圖3 圖像拼接示意圖

3.1.4 水域提取

根據(jù)水體和陸地光譜差異采用閾值分割提取水體區(qū)域，計(jì)算輸出水體掩膜圖像。

3.1.5 水生植物識(shí)別

利用光譜分析模型識(shí)別水生植物。來(lái)自水生植物的遙感數(shù)據(jù)無(wú)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(qū)域提取出來(lái)，然后利用實(shí)際水域的遙感圖像反演水體要素。

3.2 水質(zhì)反演分析

光譜是區(qū)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(tài)不同，同一地物、成分含量不同其光譜數(shù)值大小也存在差異，使用遙感技術(shù)遠(yuǎn)距離獲取目標(biāo)光譜特征，可用于數(shù)值定量反演[6]。

利用無(wú)人機(jī)高光譜影像，結(jié)合地面水質(zhì)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和人工取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)，訓(xùn)練并使用人工智能反演模型，得到流域水質(zhì)分布（分辨率＜1m×1m），可反演參數(shù)包括高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、濁度、葉綠素a、總磷、總氮，反演誤差＜20%～30%。通過(guò)水質(zhì)反演分析，實(shí)現(xiàn)河道黑臭水體快速普查和評(píng)估、水資源監(jiān)測(cè)、水生態(tài)監(jiān)測(cè)等。

圖4 河道無(wú)人機(jī)總磷反演示意圖

圖5 湖泊無(wú)人機(jī)葉綠素α反演示意圖

3.3 水環(huán)境“一張圖”

使用GIS地圖資源，開(kāi)發(fā)主城區(qū)水環(huán)境圖層，綜合展示所有河道水系和當(dāng)期水質(zhì)反演分析結(jié)果、斷面和自動(dòng)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)、污水處理廠和排口等水環(huán)境要素。

顯示內(nèi)容可根據(jù)站點(diǎn)類型、要素類別等進(jìn)行篩選，全面直觀展現(xiàn)河道狀態(tài)，精準(zhǔn)反映區(qū)域問(wèn)題點(diǎn)位和整治進(jìn)度。

圖6 水環(huán)境“一張圖”

4 預(yù)期效能

4.1 流域監(jiān)測(cè)更全面

利用無(wú)人機(jī)獲取河道的高分辨影像，實(shí)現(xiàn)空間連續(xù)無(wú)死角的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水里和岸上的風(fēng)險(xiǎn)隱患；利用光譜影像分析出水質(zhì)指標(biāo)分布數(shù)據(jù)，迅速識(shí)別和定位水中相對(duì)污染區(qū)域，有效節(jié)約了廣布站的經(jīng)費(fèi)和運(yùn)維壓力；結(jié)合地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，構(gòu)建先進(jìn)多源立體感知體系，客觀、準(zhǔn)確、全面的反映生態(tài)環(huán)境狀況，大幅提高監(jiān)測(cè)、監(jiān)管和監(jiān)督能力[7]。

4.2 補(bǔ)充、健全生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)機(jī)制

監(jiān)測(cè)手段的創(chuàng)新彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段在空間上的不足，可實(shí)現(xiàn)流域環(huán)境形勢(shì)綜合研判、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)研判和預(yù)測(cè)預(yù)警，從而提高生態(tài)環(huán)境綜合治理科學(xué)化水平。

4.3 強(qiáng)化污染溯源能力

利用無(wú)人機(jī)遙感光譜分析服務(wù)，定期獲得河道水質(zhì)的“體檢報(bào)告”，準(zhǔn)確找到“病癥”；結(jié)合水環(huán)境“一張圖”，將“病癥”與水環(huán)境各要素關(guān)聯(lián)，污染攻堅(jiān)作戰(zhàn)更快找準(zhǔn)“病因”，精準(zhǔn)打擊，高效治理，長(zhǎng)效管理。

4.4 強(qiáng)化綜合治理能力

利用無(wú)人機(jī)遙感水質(zhì)定量反演，準(zhǔn)確、全面反映的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況及動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，結(jié)合排放數(shù)據(jù)與污染模型，輸出排污情況變化對(duì)環(huán)境質(zhì)量變化的影響數(shù)據(jù)，為生態(tài)環(huán)境改善提供措施層面的具體指導(dǎo)。

5 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用

5.1 沿岸水質(zhì)疑似污染區(qū)域識(shí)別和排查

流域污染區(qū)域識(shí)別需要面上水質(zhì)分布數(shù)據(jù)，環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域傳統(tǒng)化學(xué)監(jiān)測(cè)方法是點(diǎn)狀監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)不足以鎖定污染區(qū)域。該功能主要基于生態(tài)眼衛(wèi)片反演能力，對(duì)高分一、二、六號(hào)采集到的流域多光譜衛(wèi)片進(jìn)行分析，提取水域部分?jǐn)?shù)據(jù)，反演分析得到氨氮、高錳酸鹽、總磷和總氮等水質(zhì)指標(biāo)分布影像，并提取岸線附近水質(zhì)指標(biāo)高值區(qū)。根據(jù)疑似污染區(qū)域坐標(biāo)和影像，開(kāi)展無(wú)人機(jī)航拍進(jìn)行二次查證和快速識(shí)別。將查證確認(rèn)的排口坐標(biāo)信息與流域地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)中排口檔案數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，篩選出未登記在冊(cè)的可疑排口和排污事件。經(jīng)人工審核后，系統(tǒng)以工單形式派發(fā)生態(tài)環(huán)境相關(guān)部門(mén)，相關(guān)部門(mén)取證、執(zhí)法、整改后將情況回報(bào)系統(tǒng)，完成事件閉環(huán)。

5.2 岸線生態(tài)破壞識(shí)別和排查

流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)需要全面掌握岸線利用情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)岸線破壞事件。該應(yīng)用主要基于生態(tài)眼衛(wèi)片反演能力，對(duì)高分一、二、六號(hào)和高景一號(hào)（為商業(yè)衛(wèi)星，正在增加珠海一號(hào)、吉林一號(hào)和北京二號(hào)等）采集到的流域衛(wèi)片進(jìn)行地物分類解析，結(jié)合岸線利用規(guī)劃和生態(tài)紅線規(guī)劃，識(shí)別岸線破壞事件（如違建、種菜、垃圾堆積等）。根據(jù)疑似岸線破壞的坐標(biāo)和影像，開(kāi)展無(wú)人機(jī)航拍進(jìn)行二次查證和快速識(shí)別確認(rèn)。經(jīng)人工審核后，系統(tǒng)以工單形式派發(fā)生態(tài)環(huán)境相關(guān)部門(mén)，相關(guān)部門(mén)取證、執(zhí)法、整改后將情況回報(bào)系統(tǒng)，完成事件閉環(huán)。

5.3 水源地保護(hù)區(qū)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和監(jiān)控

水源地保護(hù)的核心是控風(fēng)險(xiǎn)，前提是掌握區(qū)域內(nèi)主要風(fēng)險(xiǎn)源。該應(yīng)用主要基于生態(tài)眼衛(wèi)片反演和地物分類能力，利用高分一、二、六號(hào)和高景一號(hào)等衛(wèi)片數(shù)據(jù)對(duì)集中式飲用水水源地區(qū)域進(jìn)行衛(wèi)片解析，梳理一級(jí)二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)的水里風(fēng)險(xiǎn)（如水生植物、藻類、碼頭、航運(yùn)、水上加油站等）和岸上風(fēng)險(xiǎn)（如排口、化工生產(chǎn)、垃圾堆填等），按保護(hù)區(qū)級(jí)別分類梳理形成水源地風(fēng)險(xiǎn)檔案，并同步更新保護(hù)區(qū)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)發(fā)現(xiàn)的疑似違規(guī)現(xiàn)象進(jìn)行報(bào)警，相關(guān)報(bào)警信息在相關(guān)業(yè)務(wù)部門(mén)客戶端提示，并發(fā)送信息至業(yè)務(wù)人員。處理結(jié)束后，業(yè)務(wù)部門(mén)回報(bào)系統(tǒng)形成閉環(huán)。

水源地保護(hù)的主要工作是7×24h全時(shí)段監(jiān)控風(fēng)險(xiǎn)，監(jiān)管對(duì)象主要是人類活動(dòng)，實(shí)施時(shí)需要根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r調(diào)整監(jiān)控報(bào)警對(duì)象。通過(guò)夜視視頻監(jiān)控和雷達(dá)監(jiān)控識(shí)別闖入一二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)的船只，利用海事AIS數(shù)據(jù)掌握船只基本信息并鎖定嫌疑人；利用運(yùn)營(yíng)商和微信定位大數(shù)據(jù)識(shí)別闖入一級(jí)保護(hù)區(qū)或在二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間逗留的人員，視頻捕捉人臉影像，現(xiàn)場(chǎng)廣播通報(bào)和驅(qū)逐。相關(guān)報(bào)警信息在相關(guān)業(yè)務(wù)部門(mén)客戶端提示，并發(fā)送信息至業(yè)務(wù)人員。處理結(jié)束后，業(yè)務(wù)部門(mén)回報(bào)系統(tǒng)形成閉環(huán)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)環(huán)境保護(hù)要求持續(xù)增加，新時(shí)期生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的目標(biāo)方向主要為：說(shuō)得清現(xiàn)狀、說(shuō)得準(zhǔn)問(wèn)題、說(shuō)得明環(huán)境污染的成因、機(jī)理與改善。無(wú)人機(jī)遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)可對(duì)河道提供快速、實(shí)時(shí)、無(wú)死角的巡查服務(wù)，利用無(wú)人機(jī)高光譜影像，結(jié)合地面水質(zhì)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和人工取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)人工智能反演模型，得到流域水質(zhì)分布，從而實(shí)現(xiàn)河道黑臭水體快速普查和評(píng)估、水資源監(jiān)測(cè)、水生態(tài)監(jiān)測(cè)等。該技術(shù)補(bǔ)充了傳統(tǒng)環(huán)保監(jiān)測(cè)技術(shù)上空間監(jiān)測(cè)能力的不足，極大地提升了環(huán)境監(jiān)測(cè)的覆蓋空間范圍與空間分辨率，尤其在河道水質(zhì)異常調(diào)查、水域全面普查中發(fā)揮了舉足輕重的作用。