無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在飲用水源地環(huán)境監(jiān)管中的應(yīng)用研究

周 鑫，張藍(lán)月，李 云

（1.貴州綠興清源環(huán)保有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550001；2.貴州科學(xué)院 貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽(yáng) 550001；3.貴州省環(huán)境工程評(píng)估中心，貴州 貴陽(yáng) 550001）

1 概述

水是生命之源，飲水安全問(wèn)題事關(guān)群眾的生命安全和健康水平，是最大的民生問(wèn)題，近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)，水資源的開(kāi)發(fā)利用程度也在不斷加大，飲水安全問(wèn)題面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

飲用水源地保護(hù)是保證飲水安全的基礎(chǔ)，受到了相關(guān)部門(mén)的高度重視，為了防止飲用水源地污染、保障水源水質(zhì)，因此對(duì)飲用水源地一定范圍的水域和陸域劃定了保護(hù)區(qū)，并且出臺(tái)了《中華人民共和國(guó)水污染防治法》《關(guān)于答復(fù)全國(guó)集中式飲用水水源地環(huán)境保護(hù)專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)有關(guān)問(wèn)題的函》等一系列文件，對(duì)水源地保護(hù)區(qū)明確了相關(guān)污染防治要求。

飲用水源地普遍存在數(shù)量多、分布散、范圍大的問(wèn)題，現(xiàn)有的監(jiān)管人員無(wú)法對(duì)管理區(qū)域進(jìn)行有效地覆蓋[1-2]，尤其在貴州，飲用水源地多分布在交通不便的山區(qū)，在監(jiān)管人員有限，現(xiàn)場(chǎng)檢查和踏勘受道路條件受環(huán)境限制較大的情況下，各級(jí)管理部門(mén)無(wú)法快速、全面、準(zhǔn)確地掌握飲用水源地內(nèi)存在的環(huán)境問(wèn)題；加之飲用水源地的保護(hù)與管理是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，為了掌握水源地內(nèi)最新的情況，需要持續(xù)性地做動(dòng)態(tài)調(diào)查，這對(duì)管理部門(mén)而言，無(wú)疑是難上加難。

2 無(wú)人機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是將無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)集于一體的技術(shù)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，可選擇不同類(lèi)型傳感器，快速、高效采集遙感信息，經(jīng)內(nèi)業(yè)處理后獲取所需數(shù)據(jù)的一項(xiàng)新興航空遙感綜合技術(shù)，因其具有智能化、專(zhuān)業(yè)化、自動(dòng)化、高效化等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于國(guó)土、林業(yè)、生態(tài)環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域[3-5]。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)主要由飛行平臺(tái)、飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)及任務(wù)設(shè)備等組成。

2.1 飛行平臺(tái)

無(wú)人機(jī)設(shè)備的航行舞臺(tái)為無(wú)人機(jī)設(shè)備本體，是搭載導(dǎo)航器、傳感器等裝置的重要載體。飛行平臺(tái)上可以攜帶各種多任務(wù)裝置，獲得的遙感數(shù)據(jù)，還可以使用機(jī)載和地面系統(tǒng)，對(duì)遙感影像進(jìn)行自主拍攝與提取，同步完成航跡的規(guī)劃與監(jiān)測(cè)、信息數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳送、影像預(yù)處理等操作。

2.2 飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)

空中航行與監(jiān)控是保障空中系統(tǒng)在正常狀態(tài)運(yùn)行的基礎(chǔ)，包括空中操控板、慣性導(dǎo)航裝置、GPS接收器、氣壓傳感器、空速傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等單元。目前大部分無(wú)人機(jī)都配備了自主駕駛儀，無(wú)人機(jī)飛行后，可以根據(jù)制定好的路線自行運(yùn)行，無(wú)須人為管理。

2.3 地面控制系統(tǒng)

地面監(jiān)視系統(tǒng)主要由無(wú)人機(jī)遙控器、地面供電系統(tǒng)、監(jiān)控電腦和監(jiān)視軟件等部分構(gòu)成，用于時(shí)刻監(jiān)控?zé)o人機(jī)設(shè)備的工作狀況，其主要功用是：由地面監(jiān)測(cè)站通過(guò)傳輸系統(tǒng)向空中的導(dǎo)航設(shè)備和操控人員發(fā)送數(shù)據(jù)和操控命令；收集、保存、播放無(wú)人機(jī)設(shè)備的高程、空速、地速、位置、航向、航跡、航行姿勢(shì)等各種數(shù)據(jù)信息；指示任務(wù)設(shè)備工作狀況，并表示發(fā)電機(jī)速度、機(jī)載電源電壓等各種數(shù)據(jù)信息；當(dāng)機(jī)上電池電壓不夠、GPS衛(wèi)星失鎖、發(fā)電機(jī)停止、無(wú)人機(jī)設(shè)備失速、飛機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)等差錯(cuò)過(guò)點(diǎn)時(shí)，發(fā)出報(bào)警提示。

2.4 任務(wù)設(shè)備

無(wú)人機(jī)任務(wù)設(shè)備，是指收集遙感數(shù)據(jù)的感應(yīng)器及遙控設(shè)備，工作時(shí)一般會(huì)被固定地放置于無(wú)人機(jī)機(jī)身的任務(wù)倉(cāng)內(nèi)。遙感傳感器的測(cè)控設(shè)備，一般為飛行器導(dǎo)航和控制一體化設(shè)計(jì)，具備控制載荷的定時(shí)管理工作、等時(shí)間間隔管理工作和等距離間歇工作等功能，并可記錄飛行器工作時(shí)在航行平臺(tái)的經(jīng)緯線、高程，以及飛行器姿勢(shì)（如橫滾角、俯視角航向角）等數(shù)值。

3 研究方法

3.1 獲取飲用水源地模擬的一、二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍

飲用水源地保護(hù)區(qū)范圍涉密，因此，研究通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘的方式，赴某飲用水源地現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)咨詢(xún)當(dāng)?shù)卮迕竦姆绞酱_定該水源地的取水口，以取水口為中心，向四周外擴(kuò)750 m作為該水源地模擬的一、二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍。

3.2 獲取飲用水源地模擬的一、二級(jí)保護(hù)區(qū)正射影像

使用大疆御Mavic2行業(yè)版無(wú)人機(jī)對(duì)該水源地模擬的一、二級(jí)保護(hù)區(qū)進(jìn)行航飛，并利用ContextCapture軟件處理航飛成果，從而獲得該水源地模擬的一二級(jí)保護(hù)區(qū)正射影像。航飛前對(duì)相關(guān)飛行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括航飛路線（設(shè)定為飲用水源地模擬的一、二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍），航飛高度（設(shè)定為150 m），航速（設(shè)定為25 km/h），航向重疊度（設(shè)定為60%），旁向重疊度（設(shè)定為40%），航飛時(shí)間段選取在上午10點(diǎn)至下午15點(diǎn)之間[6]。

3.3 解譯土地利用類(lèi)型

利用Arcgis軟件，通過(guò)目視解譯的方式，對(duì)飲用水源地正射影像進(jìn)行全類(lèi)型解譯，解譯的用地類(lèi)型包括農(nóng)用地、種植園地、人工開(kāi)發(fā)及人工設(shè)施、林地、其它自然地類(lèi)、旅游用地、開(kāi)采用地、工業(yè)用地、居民地、能源設(shè)施、交通設(shè)施用地、道路、水體、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水工設(shè)施、畜禽養(yǎng)殖、裸地等17類(lèi)用地類(lèi)型。

3.4 提取疑似問(wèn)題類(lèi)型圖斑并實(shí)地復(fù)核

根據(jù)解譯成果，提取人工開(kāi)發(fā)及人工設(shè)施、旅游用地、開(kāi)采用地、工業(yè)用地、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水工設(shè)施、畜禽養(yǎng)殖等7類(lèi)用地類(lèi)型，作為疑似問(wèn)題類(lèi)型圖斑并獲取各圖斑經(jīng)緯度信息，通過(guò)實(shí)地復(fù)核的方式驗(yàn)證解譯成果，并提出無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在飲用水源地環(huán)境監(jiān)管應(yīng)用的建議與結(jié)論。

4 研究結(jié)果

4.1 飲用水源地模擬的一、二級(jí)保護(hù)區(qū)正射影像

如圖1所示，是使用大疆御Mavic2行業(yè)版無(wú)人機(jī)航飛及ContextCapture處理后的某水源地模擬的一、二級(jí)保護(hù)區(qū)正射影像。

圖1 某水源地模擬的一、二級(jí)保護(hù)區(qū)正射影像

4.2 土地利用類(lèi)型

如圖2所示，是利用Arcgis軟件解譯形成的土地利用類(lèi)型圖，模擬的飲用水源保護(hù)區(qū)內(nèi)，主要土地利用類(lèi)型包括農(nóng)用地、種植園地、人工開(kāi)發(fā)及人工設(shè)施、林地、工業(yè)用地、居民地、道路、水體、畜禽養(yǎng)殖、裸地等。

圖2 某水源地模擬的一、二級(jí)保護(hù)區(qū)土地利用類(lèi)型圖

4.3 提取疑似問(wèn)題類(lèi)型圖斑并實(shí)地復(fù)核

根據(jù)土地利用類(lèi)型解譯成果，提取可能與環(huán)境管理要求不符的用地類(lèi)型（選取人工開(kāi)發(fā)及人工設(shè)施、旅游用地、開(kāi)采用地、工業(yè)用地、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水工設(shè)施、畜禽養(yǎng)殖等7類(lèi)用地類(lèi)型進(jìn)行研究），共識(shí)別出疑似問(wèn)題類(lèi)型圖斑6處，經(jīng)實(shí)地復(fù)核后發(fā)現(xiàn)，解譯正確數(shù)量為5處，解譯正確率為83.33%，詳見(jiàn)表1。

表1 實(shí)地復(fù)核用地類(lèi)型與解譯用地類(lèi)型對(duì)比表

4.4 結(jié)論

研究認(rèn)為，將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用在飲用水源地的環(huán)境監(jiān)管是可行的，且利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以全面、高效、低成本地發(fā)現(xiàn)飲用水源地內(nèi)可能與環(huán)境管理要求不符的用地類(lèi)型，為后續(xù)人工實(shí)地復(fù)核提供精準(zhǔn)的點(diǎn)位信息，便于全面摸清水源地內(nèi)與管理要求不符的各類(lèi)問(wèn)題。

5 研究前景

在新時(shí)代下，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)以及城市化進(jìn)程的加快，環(huán)境監(jiān)測(cè)作為環(huán)境監(jiān)管的有效抓手，其重要性不言而喻。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)手段監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)范圍小，缺乏時(shí)空上的連續(xù)性，難以全面、及時(shí)地反映環(huán)境質(zhì)量狀況及動(dòng)態(tài)變化情況，不能滿(mǎn)足現(xiàn)代化社會(huì)的需求。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是繼傳統(tǒng)航空、航天遙感平臺(tái)之后的第三代遙感技術(shù)。它可以迅速掌握地形、資源、自然環(huán)境等遙感數(shù)據(jù)，并根據(jù)工作需要對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，獲得與工作目的相關(guān)的成果數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)機(jī)動(dòng)、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，適合目前生態(tài)環(huán)境管理部門(mén)監(jiān)管工作的新需求，已逐步在實(shí)際工作中獲得應(yīng)用，但目前無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)管方面的應(yīng)用不夠全面，有較多方面可進(jìn)行嘗試及應(yīng)用。

5.1 水環(huán)境監(jiān)測(cè)

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在水質(zhì)檢測(cè)的方面已有初步應(yīng)用，利用無(wú)人機(jī)搭載多光譜相機(jī)航飛形成多光譜影像，通過(guò)反演可以測(cè)算出水體的懸浮物指數(shù)、高錳酸鹽指數(shù)富營(yíng)養(yǎng)化情況（葉綠素a、總磷、總氮）等，并形成專(zhuān)題圖件，從面上掌握區(qū)域內(nèi)水體水質(zhì)現(xiàn)狀，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人工檢測(cè)工作，可以更具針對(duì)性且節(jié)約成本，并能夠發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。如章佩麗等人以臺(tái)州市兩條河道作為研究對(duì)象，利用無(wú)人機(jī)搭載多光譜相機(jī)獲得河道多光譜圖像，對(duì)河道水體的高錳酸鹽指數(shù)、總磷（TP）、總氮（TN）進(jìn)行了研究。陳瑜云等人利用無(wú)人機(jī)搭載多光譜相機(jī)獲得蘇州市蘇東河多光譜圖像，對(duì)水體的總磷，氨氮，高錳酸鹽指數(shù)和PH進(jìn)行了研究[7-8]。

5.2 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)

國(guó)內(nèi)將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于大氣環(huán)境污染物的研究工作起步相對(duì)較晚，目前主要進(jìn)行常規(guī)的大氣環(huán)境參數(shù)（主要有CO、NO2、SO2、O3、VOC、細(xì)顆粒物含量等）檢測(cè)工作，主要通過(guò)在無(wú)人機(jī)上搭載氣體傳感器，在指定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行大范圍的巡視，獲取污染因子實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。隨著科技的進(jìn)步，氣體傳感器的精度越來(lái)越高，尤其是光離子化檢測(cè)器的氣體傳感器，其檢出限、精度可達(dá)ppb級(jí)別，在一定程度上滿(mǎn)足了監(jiān)測(cè)大氣污染物濃度的要求。如陳慧敏等人利用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)了深圳市部分區(qū)域不同高度（30 m、50 m、100 m）的PM2.5、PM10、O3濃度。山東逸飛無(wú)人機(jī)科技有限公司綜合利用無(wú)人機(jī)、傳感器采集區(qū)域內(nèi)大氣污染物數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS并形成系統(tǒng)平臺(tái)，建成全方位的區(qū)域大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[9-10]。

5.3 土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)

土壤是人類(lèi)生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)遺留下了較多的歷史土壤問(wèn)題，土壤污染的范圍界定較困難，且土壤重金屬污染檢測(cè)存在成本高、周期長(zhǎng)且可能產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題，傳統(tǒng)的排查方式難以達(dá)到目的。而利用無(wú)人機(jī)搭載XRF分析儀采集數(shù)據(jù)后，通過(guò)反演可快速獲得區(qū)域范圍內(nèi)土壤重金屬含量，形成專(zhuān)題圖，從面上快速掌握較大區(qū)域內(nèi)土壤重金屬含量情況。如楊浩等人利用無(wú)人機(jī)搭載XRF分析儀等設(shè)備建立了一套土壤重金屬快速檢測(cè)系統(tǒng)，并取得較好的實(shí)驗(yàn)成果[11]。

5.4 突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急監(jiān)測(cè)

突發(fā)環(huán)境污染事件具有發(fā)生突然、擴(kuò)散迅速、污染物不明、危害嚴(yán)重及處理困難等特點(diǎn)，在實(shí)施環(huán)保應(yīng)急調(diào)查任務(wù)過(guò)程中，傳統(tǒng)的處理方式難以安全、快速、清晰的掌握現(xiàn)場(chǎng)狀況，而無(wú)人機(jī)設(shè)備能夠突破交通不便、氣象威脅等惡劣條件，迅速抵達(dá)人員所無(wú)法進(jìn)入的污染事件所在空域，通過(guò)搭載的攝影器材記錄事故現(xiàn)場(chǎng)狀況，同時(shí)利用傳輸系統(tǒng)將圖像資料即時(shí)傳回決策機(jī)構(gòu)，使管理者第一時(shí)間了解事件的環(huán)境污染狀況，以及其產(chǎn)生在事件中的環(huán)境敏感因素狀況，為管理人員指明決策依據(jù)。如遼陽(yáng)市建成突發(fā)性重大環(huán)境污染事故，無(wú)人機(jī)監(jiān)控應(yīng)急集成系統(tǒng)，及時(shí)獲取污染應(yīng)急事故的最基礎(chǔ)、最準(zhǔn)確、最及時(shí)的信息，便于管理部門(mén)及時(shí)作出處置決策。四川省也以“天府衛(wèi)士-2018”核與輻射環(huán)境應(yīng)急專(zhuān)項(xiàng)演習(xí)為例，利用無(wú)人機(jī)搜尋疑似放射失控區(qū)域的污染源[12-13]。