無人機技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應用研究

楊海蓉 鄒素蘭

（重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 重慶 401147）

引言

水質(zhì)監(jiān)測是流域水質(zhì)監(jiān)管和水環(huán)境監(jiān)控的重要手段，對流域水體的綜合治理和水環(huán)境的動態(tài)保護有著重要意義。目前，我國水域的水質(zhì)監(jiān)測類型多樣，主要為基于人工采樣的實時監(jiān)測和基于儀器傳輸?shù)脑诰€監(jiān)測等[1]。雖然這能夠基本滿足我國水質(zhì)的日常例行檢測和應急監(jiān)測方面的要求，但是該監(jiān)測方法也存在靈活性差，難以實現(xiàn)對地域復雜點和人難以到達點位的取樣監(jiān)測，同時對突變水質(zhì)和突發(fā)污染水域監(jiān)測呈現(xiàn)滯后性和遺漏性，這不利于水面面積大的大型水域的水質(zhì)監(jiān)測和水質(zhì)安全保障的維護[1][2]。因此，加強對新的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)對水域水質(zhì)監(jiān)控和水環(huán)境安全的保障有著重要的現(xiàn)實意義。

隨著電子和航空通訊技術(shù)的發(fā)展，無人機因具有機動性強，無線可操作性高等優(yōu)點，而成為河流流域取樣和水質(zhì)監(jiān)測的新興技術(shù)手段。鄭秀亮[3]研究發(fā)現(xiàn)利用無人機進行水樣采集，不受空間地理條件的限制，有效提高了水樣采集的時效性和代表性，同時還便于對流域的突擊檢查，加強對水域河流水質(zhì)的監(jiān)控，這大大節(jié)約了人力和物力，節(jié)省水域保護的運作成本。呂學研等[4]利用無人機多光譜遙感開展社瀆港的污染溯源監(jiān)測，研究發(fā)現(xiàn)該技術(shù)下的污染源監(jiān)測更細致、更全面，有效的展現(xiàn)了污染源的細節(jié)，為河湖流域的污染治理提供了依據(jù)。董月群等[5]利用高光譜成像技術(shù)的范圍大、快速、動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點，結(jié)合無人機的機動性，提出了一種大面積水體污染狀況監(jiān)測的無人機高光譜水質(zhì)監(jiān)測和水質(zhì)參數(shù)反演方法，研究發(fā)現(xiàn)各參數(shù)的反演誤差絕對值在1.01%～35.81%之間，同時一階導數(shù)對應的線性擬合模型有著最好的反演精度，這與其它監(jiān)測方法相比，大大提高了反演精度和監(jiān)測精度，這對城市河道水質(zhì)分布情況的快速獲取和對城市水體環(huán)境治理有著重要的指導作用。因此，無人機技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中有著廣闊的應用前景。本文重點綜述無人機技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應用研究現(xiàn)狀，以期為無人機技術(shù)水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)化發(fā)展提供借鑒指導。

1 基于無人機技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

水質(zhì)監(jiān)測應用中，無人機常作為水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的載體而使用，基于不同的監(jiān)測目的和實際環(huán)境情況靈活組建水質(zhì)取樣和水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，可大大提高水域取樣和水質(zhì)監(jiān)測的效率。胡震天等[6]為了提高城市水質(zhì)狀況監(jiān)測的準確率和動態(tài)性，開發(fā)了一種地面建模與地空定標相結(jié)合的低空多光譜遙感觀測方法，研究發(fā)現(xiàn)低空多光譜遙感數(shù)據(jù)與TP、NH4+-N、pH 值和濁度均有較強相關(guān)性（大于70%），同時低空遙感影像對不同水質(zhì)水體有明顯的顯示差異。吳永兵[7]以無人機為載體，搭載飛行、空中拍照、空中攝像、水質(zhì)監(jiān)測、空中測控和水樣采集等各種功能單元組成水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，并與地面測控中心和手持移動終端通信連接，構(gòu)建基于無人機的水質(zhì)監(jiān)測和采樣的一體化系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)不僅能夠優(yōu)化現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測站點布局、提高監(jiān)測系統(tǒng)機動性、靈活性和快速反應能力，同時還能極大提高水樣采集效率、環(huán)境污染應急監(jiān)測能力和對突發(fā)水污染的應急處理能力。

目前，基于無人機技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測取樣中發(fā)展瓶頸的優(yōu)化完善研究是基于無人機技術(shù)水文監(jiān)測研究的熱點內(nèi)容。如鈔凡等[8]基于無人機技術(shù)水質(zhì)監(jiān)測的應用中，水域監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)收集難的問題，引入WSN 水域監(jiān)測系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)該監(jiān)測系統(tǒng)與人工收集法、固定有線監(jiān)測基站收集法和4G 通信技術(shù)相比，大大提高了監(jiān)測系統(tǒng)的靈活機動性，增強了飛行路徑的可優(yōu)化性，同時在保證檢測數(shù)據(jù)穩(wěn)定收集的基礎(chǔ)上還節(jié)約了系統(tǒng)成本。

李雙等[9]針對飛行控制程序與水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)安全性無法得到充分保障這一裝備開發(fā)和使用中的潛在威脅，研究設(shè)計了一種水質(zhì)監(jiān)測無人機的加密控制方案，即對原來明文數(shù)據(jù)進行某種算法處理，使其只能在輸入相應的密鑰之后才能顯示出原容，這提升了水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的保密性與無人機飛行控制的安全性。與此同時，李雙等[10]組建了包括無人機、水質(zhì)檢測裝置和地面控制裝置的移動監(jiān)測單元、并進一步建設(shè)了基于移動監(jiān)測單元和監(jiān)測總站的報警平臺，研究發(fā)現(xiàn)這克服了傳統(tǒng)無人機技術(shù)僅適用于單點、單次水質(zhì)檢測，無法實現(xiàn)多無人機水質(zhì)檢測平臺與地面控制系統(tǒng)、地面報警系統(tǒng)互聯(lián)互通的缺點，實現(xiàn)了多個水域的全天候監(jiān)測與同步報警，同時提高了數(shù)據(jù)傳輸安全性和環(huán)境監(jiān)管效率。

此外，基于5G 通信的無人機通信鏈路研究是基于無人機技術(shù)水質(zhì)監(jiān)測研究的重要研究方向。5G 技術(shù)具有全新的網(wǎng)絡架構(gòu)，帶寬可達到10Gbps 以上、毫秒級時延、超高密度連接，有著超高的傳輸性能，是實現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)無人機水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建的絕佳通信鏈路選擇[11]。中國信息通信研究院[12]研究發(fā)現(xiàn)在5G 與無人機組合使用時，通過對具備垂直波束調(diào)整能力的大規(guī)模天線使用、低頻上行載波的引入和上行時隙配比增加等手段，可使得無人機在150m-500m 高度上的上行速率達到50Mbps，5G+無人機可很好的適應各種復雜環(huán)境的水質(zhì)監(jiān)測。

2 基于無人機水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的影像處理技術(shù)研究

無人機與多光譜成像技術(shù)（遙感技術(shù)）相結(jié)合而產(chǎn)生的無人機多光譜影像技術(shù)是水質(zhì)監(jiān)測中的主要信息采集手段，可為水質(zhì)監(jiān)測提供大范圍的覆蓋和可視化表達，具有時效高、時空分辨率強和機動性強等優(yōu)點[13]。然而無人機多光譜影像技術(shù)使用后的光譜圖像的成型表達和圖像數(shù)據(jù)與水質(zhì)之間的反演關(guān)系卻是該技術(shù)實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測應用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，對無人機多光譜影像的拼接和對水質(zhì)的反演研究是無人機技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測應用中的關(guān)鍵研究內(nèi)容。無人機技術(shù)的多光譜影像拼接研究在水質(zhì)監(jiān)測的應用中，無人機航帶的地面覆蓋范圍狹窄、航帶重疊率低、航帶的亮度差異和無人機自帶POS 系統(tǒng)定位精度低等問題是無人機技術(shù)多光譜影像需要拼接和拼接困難的主要原因[13]。因此，無人機光譜影像的拼接成為無人機多光譜影像處理的首要環(huán)節(jié)，是無人機水質(zhì)監(jiān)測研究的重要內(nèi)容。

易俐娜等[13]針對圖像處理中難以實現(xiàn)影像幾何和光譜匹配的問題，研發(fā)了一種基于曲面樣條函數(shù)和相位相關(guān)的無人機高光譜影像拼接方法，研究發(fā)現(xiàn)該方法不僅提高了拼接影像的地理坐標精度，還在消除拼接縫的基礎(chǔ)上最大限度的保證了光譜的保真性，并通過引入2 冪子圖像解決了影像在重疊度低的情況下配準算法失效的問題，然而，如何進一步提升光譜精穩(wěn)性和提高拼接速度仍是今后研究的重要課題。同時，反演模型的建立和遴選是無人機多光譜影像水質(zhì)反演研究的另一主要內(nèi)容。算法的效率對反演模型的構(gòu)建有著重要影響，因此，算法的優(yōu)化研究是反演模型建立和遴選研究的熱點內(nèi)容。反演模型的選擇是無人機技術(shù)對水質(zhì)監(jiān)測研究的重要內(nèi)容。

孫駟陽[14]研究發(fā)現(xiàn)與其它機器學習算法相比，極端隨機樹（ETR）算法最適合基于無人機高分辨率高光譜數(shù)據(jù)的總氮、總磷和COD 反演模型，決定系數(shù)r2高于99%，即使經(jīng)過RFE 降維后，極端隨機樹（ETR）也可保持原有模型的高質(zhì)量效果，決定系數(shù)r2依然高于99%；反演精度驗證結(jié)果顯示，無人機遙感數(shù)據(jù)下的總氮、總磷、氨氮和COD 的反演值與實際值的相對誤差均小于0.5。

黃昕晰等[15]針對MPP 算法存在的運算量過大和過擬合的問題，提出OPT-MPP 算法，并構(gòu)建懸浮物濃度（SS）和濁度（TU）的OPT-MPP 算法反演模型，研究發(fā)現(xiàn)最佳SS 反演模型和最佳TU 反演模型的決定系數(shù)R2分別達到0.787 和0.8043，綜合誤差分別達到0.13 和0.15，這對實驗區(qū)域水質(zhì)參數(shù)空間分布信息的反演有著良好的效果。

黃華等[16]基于城市河流水質(zhì)指數(shù)（CWQI 值）和偏最小二乘回歸（partial least squares regress，PLSR）建立了高光譜數(shù)據(jù)與河流水質(zhì)指數(shù)的反演模型，研究發(fā)現(xiàn)水體不同波段的光譜反射率與CWQI 值存在一定的相關(guān)性，可用于區(qū)分不同CWQI 值水平的水體，同時模型優(yōu)化分析結(jié)果表明，光譜分辨率為50 nm、提取主成分數(shù)為8 時的水體CWQI 值反演模型效果最優(yōu)，驗證集均方根誤差和平均相對誤差分別為0.768、18.1%，因此將該反演模型與無人機高光譜監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合，可較好地反映河流水質(zhì)的空間差異。

唐夢奇[17]為提高水質(zhì)采樣的便捷性和效率，以六旋翼無人機為載體，設(shè)計了一款水質(zhì)采樣系統(tǒng)，其通過自適應控制算法設(shè)計，克服了采樣過程中無人機因水流動力而引起的不穩(wěn)定問題，通過實用發(fā)現(xiàn)此模糊PID 算法的無人機可適用于無人機的定點懸停及內(nèi)河、夾江水域水質(zhì)采樣，具有很強的實用價值。

李鑫等[18]在分析支持向量機模型建立的原理和方法的基礎(chǔ)上，選取了具有較寬收斂域的徑向基核函數(shù)，利用雙線性格網(wǎng)法進行核函數(shù)的參數(shù)優(yōu)化，獲得用于藍藻分類的支持向量機模型，經(jīng)驗證該模型對水體與藍藻的分類有著較好的精度要求。

結(jié)語

無人機技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中有著較高的應用潛力，但其研究尚需在以下方面進行努力：加強無人機技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測取樣中發(fā)展瓶頸的優(yōu)化完善研究，著重對基于無人機技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的薄弱環(huán)節(jié)開展研究，同時開展無人機技術(shù)與5G 的系統(tǒng)構(gòu)建，這有利于無人機技術(shù)水質(zhì)監(jiān)測體系的成熟完善。

同時著重進行無人機機載圖像的拼接和對水質(zhì)參數(shù)的反演模型研究，集中于拼接技術(shù)研究和算法的優(yōu)化，這對提高無人機技術(shù)對水質(zhì)監(jiān)測的精度和速率有著重要意義。