淺析無人機在水環境監測工作中的應用

謝鑫苗 周 繁 張 燕 蔡 越

（1 江蘇省南京環境監測中心 江蘇南京 210013 2 江蘇省蘇力環境科技有限責任公司 江蘇南京 210000）

引言

水環境監測是生態環境保護工作的重要一環，為客觀評價水環境質量狀況，環境管理及決策的實施提供依據。生態環境部印發《“十四五”生態環境監測規劃》中要求建立完善現代化生態環境監測體系，強化“監測先行、監測靈敏、監測準確”，以更高標準保證監測數據“真、準、全、快、新”，面對更高要求，水環境監測對先進技術的需求越發迫切。然而，目前水環境監測工作存在勞動強度大、監測區域受限、數據收集慢、周期長、成本高等問題。無人機技術作為智能化、信息化的新技術，應用于水環境監測工作中，作為常規水環境監測及評估的積極補充，能夠有效解決河流、湖庫等水環境監測問題，[1]進一步提高水環境監測質量與水平，同時更好的服務環境管理與監督。筆者根據水環境監測工作現狀，闡述無人機系統組成及應用現狀，并從地表水的水質監測、水生態的管理與調查、水環境預警應急及溯源監測三個方面對無人機技術在水環境監測中的應用及優勢進行了分析。

1 水環境監測工作現狀

當下水環境監測工作主要基于兩種方式，一種是人工完成水樣采集工作，通過便攜式儀器和實驗室分析測定水質，以相關數據信息為基礎，掌握河流及湖泊是環境特征。采用便攜式儀器對水質現場監測，另一種是水質自動監測系統，該系統由監控中心和若干個監測子站組成。[2]人工采樣勞動強度大，不僅無法快速直觀了解上下游其周邊區域情況，監測現場環境復雜，水流較為湍急等情況下，人工采樣存在安全隱患，此外人工采樣過程中使用的船只多數以柴油作燃料，船只行駛可能引發柴油泄漏等現象，將會對水環境造成二次污染，進而使水環境監測工作的準確性受到影響。[3]實驗室分析水質數據收集進度較慢，監測周期長，而且不能水質參數實時監控，無法反應水環境動態變化。水環境自動監測系統雖能彌補上述不足，但系統的建立需要鋪設光纜及建立監測子站等施工要求，存在成本高，監測范圍有限、易對監測區域造成破壞等缺點。[2]可見,在水環境監測現代化建設進程中,還需要不斷加強先進技術應用,確保監測過程更加安全、高效。

2 無人機系統組成及應用

2.1 無人機系統組成

無人機系統主要由無人機平臺、飛行控制系統及機載遙感設備系統等部分組成。無人機平臺作為監測的載體，主要有無人直升機、無人固定翼及無人飛艇三種平臺。飛行控制系統主要負責飛行控制與管理，作為無人機的核心系統對其飛行性能至關重要，它一般分為機上和地面兩部分，機上部分包括穩定姿態控制、飛行軌跡與導航控制、自主飛行控制等；地面部分包括實時影像的接收與顯示及獲取的影像數據處理終端等飛行過程的監控與顯示、飛行定位、起降等操作指令系統等。機載遙感設備控制系統是由數字相機、單軸穩定平臺、遙感設備控制系統等組成，[4]同時還可根據應用領域需要，搭載諸如二氧化硫、臭氧等環境類或濕度、溫度等氣象類指標儀器。

2.2 無人機系統的主要應用

無人機因其作業成本低、靈活機動、快速高效等優越性能廣泛應用于軍事、應急搜救、農林環保、交通及航拍等多個領域。

（1）無人機在軍事領域的應用

無人機能夠靈活執行各類戰術戰略任務，偵察機、誘餌機、攻擊機等都出現了無人作戰的影子，早在20世紀50 時年代，美國研制了其歷史上第一架實用型無人偵查機，通過攜帶紅外或者晝間照相機進行軍事信息的收集。軍用無人機技術逐漸成為當前軍事力量競相角逐的熱點之一，未來在隱蔽偵察監視、重點攻擊、誘敵及對敵干擾等方面，無人機或成為無可替代的首選作戰裝備。[5]

（2）在應急救援領域的應用

全球已許多國家將無人機納入應急救援體系。無人機在應急救援中主要發揮現場監測與指揮調度、通信中繼與搜索救援以及物資投放與受災評估。以色列早在1996 年就使用無人機進行火情監測。面對自然或人為災害，當救援人員不能第一時間抵達現場時，無人機可以及時提供現場災情情況資料，為救援部署的及時展開爭取時間。[6]

（3）在農林環保領域的應用

在農林方面，無人機不但應用于噴灑農藥、播種等作業，在監測病蟲災害等工作中作用顯著，提高農林作業效率。[7]在環保方面，無人機廣泛應用于環境監測，環境應急與監察監管、項目驗收等工作。針對環境污染監測，傳統監測費時費力的同時不能直觀反映污染分布等問題，無人機技術成為傳統監測方法的重要彌補手段，更加全面了解污染源分布、污染種類等信息。[6]彭艷等將無人機攜帶大氣污染物監測裝置，通過無人機監測不同高度、不同時間上的PM2.5 等污染物濃度，并與大氣自動監測數據進行比對，分析大氣污染物垂直分布及擴散規律。[8]

（4）在交通領域的應用

在交通領域，上海、北京等城市利用無人機進行道路巡查巡視，協助交通進行道路疏通同時監測交通違法行為。[9]畢景佩等人研究城市軌道交通控制保護區無人機巡護方法，從而解決無人機飛行狀態巡護采集圖像中的特征縫隙和重疊等問題，提高巡護效果。[10]呂興遠探索無人機應用于水上非接觸執法工作，完善電子巡航工作機制，通過無人機搭載高空喊話設備，對過往船舶及相關人員進行高空喊話，宣傳相關工作要求，投遞物資等，推動水上交通監督執法體系智能化、后臺化、標準化，提升水上交通非接觸執法監管效率。[11]

（5）航拍領域

無人機航拍因其特有的拍攝視角及清晰的拍攝效果，帶來全新的視覺感受。相比有人駕駛飛機的拍攝，無人機捕捉環境景觀具有更好的成效效益、更強的控制性和便利性。在新聞實時轉播中，無人機航拍不僅節省成本，也為記者提供了更安全有效的報道方式。[12][13]在土地管理過程中，利用無人機航拍監測區域實時影像，并與前時影像數據進行對比，從而及時發現疑似違法用地逾期，實現土地動態監測與管理。[14]

3 無人機在水環境監測中的應用及優勢

無人機監測是天空地一體化生態環境監測中的重要部分，作為環保領域的新技術，無人機已逐步在水環境中得到應用，主要包括對地表水的水質監測、水生態的管理與調查、水環境預警應急及溯源監測等工作。

3.1 地表水水質監測

傳統水質監測現場采樣需要人工乘船至野外湖心等點位采樣，存在安全隱患同時消耗大量人力財力物力且用時較長，通過給無人機掛載采樣器，將其飛至指定地點上方采集水樣。采樣人員岸邊操作，確保安全的同時也可以避免在鳥類自然保護區、疫區等特殊環境下采樣對周邊造成的干擾。馬輪基[15]等使用無人機遙感監測武漢市東湖的部分水域，得到研究水域的水色差異情況圖并分析對應湖區水質。常婧婕[16]等用無人機搭載的高光譜成像設備對八里湖水域進行水體光譜數據的采集，對葉綠素、懸浮物、總磷、總氮等多參數進行監測。

3.2 水生態調查及管理

無人機可以完成高難度的水環境現場勘查等任務，為環境管理工作提供依據。使用傳統方法對現場進行水資源調查踏勘受野外復雜環境限制時，使用無人機航拍高清圖傳及實時圖像代替人力勘查，能更加快速確定河段水情、流向、植被等周邊環境。侍昊[17]等利用無人機搭載多光譜相機，通過影像特征變換結合面向對象分類的方法監測城市黑臭水體，獲得較高分類精度的城市水環境信息，為黑臭水體的監管提供技術支撐。王祥[18]等利用無人機監測遼寧紅沿河核電站溫排水，得到較高精度的監測結果。該方法有效彌補現有監測技術手段的不足，為核電站溫排水的監測管理提供依據。洪運富[19]等利用無人機搭載相關設備對水源地周邊進行污染源調查發現多處無人員及隱藏排污口，為水源地管理提供高效服務。

3.3 水環境預警應急及溯源監測

環境應急監測需要及時全面了解污染源分布、范圍等信息，否則將延誤污染事故處置時機，當應急現場斷面情況不明時，采用無人機進行應急監測能夠克服現場不利條件，快速高效獲得現場相關信息。2016 年汛期岳陽華容發生潰堤，應急監測小組利用無人機航拍洪泛區獲取精確水文資料，為現場應急等工作提供科學依據。[20]針對湖庫藍藻水花預警監控，段洪濤[21]等利用衛星、無人機、自動浮標等技術,構建天空地一體化監控系統，發揮無人機應急監測優勢，補充突發情況是一些水域沒有影像或水質超標無數據的缺陷，多種手段協同作用，更好的滿足湖庫水環境監測需求。呂學研[22]等將無人機搭載多光譜儀應用于社瀆港污染溯源監測中，并建立總氮、總磷等指標的無人機多光譜遙感反演模型，分析河道周邊潛在污染源和河流水質的空間變化特征。江蘇省南京環境監測中心對某河流開展溯源調查時，采用無人機對該河流環境現狀進行航拍監測，無人機巡查發現沿線共分布有15 個排口，并對排口進行采樣監測。通過無人機獲取現場的高清影像，有助于對河流的水環境現狀進行全面評價，為該河流溯源監測提供基礎信息。

圖1 無人機航測某河流實景圖

無人機技術可在短時間內完成大范圍的飛行巡查、監測等任務，工作人員根據無人機搭載的裝置，掌握相應水質、現場周邊環境等信息，在宏觀層面上，觀測河流周邊環境及水質狀況，當面對突然環境事件時，無人機能夠實時跟蹤監測，為現場災害評估、處理措施的部署提供依據。雖然目前水環境監測中無人機的技術應用仍處于初級階段，但通過實踐，無人機的應用優勢不可小覷，其優勢主要在于三個方面：

（1）靈活機動，提高水環境監測工作效率及安全性能。無人機本身機動性很高，通過地面人員遙控，可直接到達人工無法直達的一些監測難度大的區域進行相關數據采集，在特殊情況下，保障監測任務安全高效的完成。

（2）成果多元化，精度高，提高水環境監測工作水平。無人機通過攜帶數碼相機、多光譜儀等光學元件或搭載水質采樣器等設備用于水質監測，宏觀快速的獲得目標水域周邊環境、地形地貌等各類相關信息，還可通過軟件等分析手段解析無人機采集的數據信息，多元化的結果為現場水環境監測提供及時準確的技術支撐。

（3）降低水環境監測環節成本，避免二次污染。無人機攜帶及組裝方便，代替租借船只及人工駕駛至指定位置開展水質現場監測工作，一定程度上，降低水環境監測環節的成本支出，也避免船只在行駛期間所產生的污染物會對水環境造成二次污染。

結語

無人機技術在水環境監測中逐步得到廣泛應用，相較于傳統的水環境監測，無人機技術在水環境監測應用過程中充分發揮了其靈活機動，成果多元化、精度高等優勢，有效彌補傳統水環境監測的不足，進一步提高水環境監測工作的精度及效率。

作為新型監測手段，無人機技術在水環境監測中的應用仍存在一些待解決的問題：

（1）目前缺乏具體的針對無人機采樣監測等的技術規范與標準，現有的相關規范主要是針對入河（海）排污口排查整治無人機遙感航測及解譯的內容，但無人機監測涉及水環境、大氣環境等多個要素，現有規范還不能滿足各要素的需求。

（2）我國低空空域管理嚴格，空域申請審批程序繁瑣，一定程度上削減了無人機的靈活性。

（3）無人機應用場景多樣，但尚存一些技術短板。如電池電力不足，續航時間普遍只有幾十分鐘。在人群密集的城市內河或河道周邊樹木密集處，無人機的避障功能尚不完善，且易出現信號丟失的問題。

（4）缺乏專業的無人機監測隊伍。無論是無人機的現場操作還是獲取影像的后期處理都需要專業人員進行相關工作，然而目前沒有系統的專業人員培訓機制，[9]也沒有形成專業的無人機監測隊伍且各地裝備參差不齊，一定程度影響無人機監測任務的有效開展。通過不斷推動無人機技術創新，研發高性能電池，提高續航時間，同時提升其在強風等惡劣環境中的耐受性，拓寬無人機適用的野外監測環境；加強無人機專業人才的培養，建設具有地方特色的無人機監測隊伍。[23]將無人機技術與其他手段有機結合，實現不同手段和信息的協同和互補，為水環境監測提供更為及時且全面的數據及信息，促進水環境監測的信息化與現代化的發展。