水源地污染源無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)

洪運(yùn)富，楊海軍，李 營(yíng)，蔡明珂，朱海濤，趙 爽，郭會(huì)敏

1．環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094

2．浙江環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司，浙江 杭州 310007

3．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083

4．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083

無(wú)人機(jī)是一種機(jī)上無(wú)人駕駛的航空器，具有動(dòng)力裝置和導(dǎo)航模塊，在一定范圍內(nèi)靠無(wú)線電遙控設(shè)備或計(jì)算機(jī)預(yù)編程序自主控制飛行［1］。無(wú)人機(jī)遙感(UAVRS)集成先進(jìn)的無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、通信技術(shù)、POS定位定姿技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，能夠自動(dòng)化、智能化、專業(yè)化、快速地獲取國(guó)土、資源、環(huán)境、事件等空間遙感信息，并能進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、建模和分析［2］，是衛(wèi)星遙感技術(shù)的有力補(bǔ)充［3］。

目前，國(guó)內(nèi)UAVRS技術(shù)發(fā)展迅速，特別是在“汶川地震”之后［4-6］，在UAVRS平臺(tái)、專用載荷、應(yīng)用領(lǐng)域等方面都取得了重大的發(fā)展與進(jìn)步［7-10］，發(fā)展了適用于不同領(lǐng)域監(jiān)測(cè)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng);此外，在UAVRS數(shù)據(jù)處理算法及軟件開發(fā)等方面也進(jìn)行了探索研究，發(fā)展了一系列具有針對(duì)性的數(shù)據(jù)處理方法［11-12］。由此可見，UAVRS技術(shù)應(yīng)用不斷發(fā)展壯大，在各領(lǐng)域已具備一定的實(shí)踐應(yīng)用基礎(chǔ)，并隨著技術(shù)的進(jìn)步，不斷趨于成熟。

近10多年來(lái)，中國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)發(fā)展迅速，工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，給所在區(qū)域的水源地造成了極大威脅［13-15］，并且，這種威脅已日益顯現(xiàn)，造成全國(guó)各地水源地污染事件頻發(fā)［16］，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康與用水安全。因此，開展水源地監(jiān)測(cè)，對(duì)于保護(hù)水源地安全尤為重要。

目前，中國(guó)水源地污染監(jiān)測(cè)主要基于“點(diǎn)”尺度的人工監(jiān)測(cè)，難以獲取“面”尺度信息，衛(wèi)星遙感技術(shù)具有快速、大范圍監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)，能夠獲取整個(gè)水源地的污染分布狀況并進(jìn)行評(píng)價(jià)［17］，為水源地監(jiān)測(cè)提供了較好的監(jiān)測(cè)手段。但衛(wèi)星遙感技術(shù)容易受成像天氣狀況以及時(shí)間與空間分辨率的影響［18-19］，難以實(shí)時(shí)、快速地進(jìn)行監(jiān)測(cè)。而UAVRS技術(shù)具有機(jī)動(dòng)、靈活、空間分辨率高、受天氣狀況影響較小等優(yōu)勢(shì)，能夠彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的不足。

因此，研究UAVRS技術(shù)水源地污染監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，對(duì)于開展水源地污染監(jiān)測(cè)與應(yīng)急響應(yīng)，拓展水源地遙感監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有重要科研價(jià)值。以南水北調(diào)東線工程源頭輸水水域的水源地為研究區(qū)，研究無(wú)人機(jī)平臺(tái)與載荷搭配技術(shù)，并開展水源地部分江段的污染源監(jiān)測(cè)分析，為水源地監(jiān)測(cè)與保護(hù)提供有力的技術(shù)支撐。

1 水源地?zé)o人機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)、載荷搭配技術(shù)

無(wú)人機(jī)按機(jī)翼類型可以分為固定翼與旋翼，固定翼無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)較為穩(wěn)定，航時(shí)與飛行距離較長(zhǎng)，但需要使用理想的起降場(chǎng)地，而旋翼無(wú)人機(jī)可在任意地點(diǎn)起降，但飛行距離、航時(shí)較短，且飛行姿態(tài)不太穩(wěn)定，容易造成飛行事故，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，固定翼無(wú)人機(jī)比較流行，是目前應(yīng)用相對(duì)成熟的平臺(tái)。無(wú)人機(jī)載荷目前雖已涵蓋可見光、熱紅外、紫外、微波等譜段，但只有可見光是應(yīng)用比較廣泛、成熟的載荷，其他載荷基本上仍處于研究試驗(yàn)階段。結(jié)合水源地污染類型特征以及周邊生態(tài)環(huán)境狀況，基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)與載荷應(yīng)用現(xiàn)狀，選用固定翼無(wú)人機(jī)和電動(dòng)手拋無(wú)人機(jī)平臺(tái)，分別搭載CCD數(shù)碼相機(jī)和熱紅外攝像機(jī)獲取水源地污染信息。采用的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)及載荷具體參數(shù)如下。

1.1 固定翼無(wú)人機(jī)參數(shù)

機(jī)身采用玻璃鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有重量輕、載荷比大、操作靈活、使用方便、可靠性高、可維護(hù)性好與價(jià)格低廉等特點(diǎn)，是唯數(shù)不多的能夠批量生產(chǎn)的工業(yè)化產(chǎn)品，同時(shí)也是一款專為航拍與航空遙感需求而設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)，在機(jī)艙體積、起飛降落方式、留空時(shí)間、巡航速度等方面具有較大優(yōu)勢(shì)。其最大特點(diǎn)是結(jié)實(shí)耐用，價(jià)格低廉，搭載相機(jī)后可用于日常航拍作業(yè)，監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境和水源地污染源。具體參數(shù)見表1。

表1 固定翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)參數(shù)

1.2 電動(dòng)手拋無(wú)人機(jī)參數(shù)

目前國(guó)內(nèi)使用的多款電動(dòng)手拋無(wú)人機(jī)，都是借鑒美國(guó)軍用“大烏鴉”手拋無(wú)人機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)的，可以搭載CCD彩色攝像機(jī)、照相機(jī)或熱紅外攝像機(jī);機(jī)身分解后可以放入手提箱內(nèi)攜帶，適用于快速反應(yīng)的環(huán)境應(yīng)急、監(jiān)察等飛行任務(wù)。具體參數(shù)見表2。

表2 電動(dòng)手拋無(wú)人機(jī)平臺(tái)參數(shù)

2 水源地?cái)?shù)據(jù)獲取與處理

2.1 無(wú)人機(jī)飛行區(qū)域

飛行區(qū)域位于江蘇省揚(yáng)州市南水北調(diào)東線工程源頭輸水水域的三江口江都水利樞紐、芒稻河及夾江的部分江段，全長(zhǎng)為11.5 km，該區(qū)域水質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)對(duì)于南水北調(diào)東線工程具有重要意義。

揚(yáng)州市屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候向溫帶季風(fēng)氣候的過渡區(qū)，四季分明，地勢(shì)平坦，年均氣溫約為16℃，年均降水量為864 mm，年日照時(shí)數(shù)1 721 h。

2.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取前首先進(jìn)行飛行區(qū)域航線規(guī)劃，設(shè)計(jì)飛行高度、飛行距離、航速、航向與旁向重疊度，之后，測(cè)試無(wú)人機(jī)內(nèi)導(dǎo)航定位與地面測(cè)控信息傳輸系統(tǒng)，一切確認(rèn)無(wú)誤后，進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行航拍。

飛行搭載CCD光學(xué)相機(jī)的無(wú)人機(jī)平臺(tái)飛行高度為500 m，航速為110 km/h，共獲取782幅航拍影像，采用專業(yè)航拍軟件處理后，獲取水源地相關(guān)區(qū)域共27.53 km2的0.1 m高空間分辨率航空影像數(shù)據(jù);搭載熱紅外攝像機(jī)的手拋無(wú)人機(jī)飛行高度為400 m，航速為75 km/h，獲取了水源地周邊污染源熱紅外視頻數(shù)據(jù)。

3 水源地敏感目標(biāo)監(jiān)測(cè)

在水源地污染源無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取的同時(shí)，調(diào)研研究區(qū)域的污染類型，并對(duì)水源地內(nèi)及其周邊地表覆蓋類型進(jìn)行實(shí)地踏勘，獲取了污染源及地表覆蓋的相關(guān)信息，為無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)后期解譯提供信息基礎(chǔ)。

對(duì)于無(wú)人機(jī)CCD影像數(shù)據(jù)，因其空間分辨率高且環(huán)境敏感目標(biāo)便于識(shí)別，故采用目視解譯方法，結(jié)合已獲取的地面調(diào)查信息，獲取水源地污染源及地表覆蓋信息;對(duì)于無(wú)人機(jī)熱紅外視頻數(shù)據(jù)，根據(jù)熱紅外影像中的不同顏色代表被測(cè)物體的不同溫度，并能反映熱污染源的位置、污染源分布范圍和擴(kuò)散形態(tài)［20］等原理，目視判別隱藏的疑似污染源。

基于CCD數(shù)碼相機(jī)影像監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水源地污染主要為點(diǎn)源污染(工業(yè)點(diǎn)源、水產(chǎn)養(yǎng)殖、生活污水)，面源污染(河道碼頭、水土流失、農(nóng)業(yè))以及內(nèi)源污染(航運(yùn)船舶、橋梁交通運(yùn)輸、漁民生活)。從監(jiān)測(cè)結(jié)果也可以看出污染物的擴(kuò)散形態(tài)，可為污染物的監(jiān)控處理提供數(shù)據(jù)支撐。監(jiān)測(cè)結(jié)果見表3和圖1。

表3 污染源監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖1 水源地污染源空間分布

基于熱紅外相機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在靠近水源地周邊的某化學(xué)助劑廠西側(cè)，存在4個(gè)隱藏在水面下的排污口，其中一個(gè)排污口排水量巨大，排出的溫水?dāng)U散到90 m寬的河道內(nèi)，改變了河道的局部溫度。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 熱紅外相機(jī)拍攝某助劑廠排污口

4 結(jié)論

無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載高分辨率數(shù)碼相機(jī)、熱紅外攝像機(jī)等不同載荷，可對(duì)明渠排放污水和隱藏在水面下的水源地排污口進(jìn)行監(jiān)測(cè)與監(jiān)控，能夠獲取污染源類型、分布和擴(kuò)散信息，而且能夠監(jiān)測(cè)水域各種船舶非法排放殘油及漏油等污染，為了解水源地及周邊環(huán)境可能存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

南水北調(diào)東線工程源頭輸水水域內(nèi)存在大量分散的工業(yè)點(diǎn)源污染、航運(yùn)內(nèi)源污染、農(nóng)村居民生產(chǎn)生活污染、農(nóng)業(yè)面源污染等各種污染源，建議加強(qiáng)水源地環(huán)境監(jiān)管和水質(zhì)監(jiān)測(cè)，保證水源地水質(zhì)安全。

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