無(wú)人機(jī)在入河排污口排查中的應(yīng)用研究

劉俊逸 屈銘志

（上海建科環(huán)境技術(shù)有限公司，上海200032）

0 引言

2018年，習(xí)近平總書記關(guān)于長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展“共抓大保護(hù)、不搞大開(kāi)發(fā)”的重要指示，要求全面推進(jìn)長(zhǎng)江入河排污口排查整治工作。需要全面摸清入河排污口情況、掌握其分布規(guī)律及存在的突出問(wèn)題，為全面開(kāi)展排污口整治工作夯實(shí)基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的入河排污口排查，主要依賴于人工巡查，對(duì)于工作人員工作經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心要求較高，很容易“走過(guò)，路過(guò)，錯(cuò)過(guò)”；另一方面，入河排污口周邊環(huán)境復(fù)雜，存在大量的無(wú)法觀察區(qū)域。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)這一新技術(shù)具備了小巧攜帶的特點(diǎn)，且能快速拍攝人工無(wú)法進(jìn)入的區(qū)域，被廣泛地應(yīng)用在環(huán)境執(zhí)法和取證中[1]。針對(duì)入河排污口的現(xiàn)場(chǎng)排查，無(wú)人機(jī)航拍也作為了推薦的技術(shù)手段之一。但目前該技術(shù)在河道排污口調(diào)查中的應(yīng)用仍有一定局限[2]，常見(jiàn)的問(wèn)題包括：（1）排口較為隱蔽，無(wú)人機(jī)選型不合適導(dǎo)致無(wú)法采集數(shù)據(jù)；（2）由于無(wú)人機(jī)是從空中觀察，很難獲得觀察排口的最佳角度，排查的數(shù)據(jù)質(zhì)量和信息獲取存在不足；（3）由于河道彎曲，飛行路線依靠人為判斷，數(shù)據(jù)的完整性不能得到保障。

本研究立足上述痛點(diǎn)，探索無(wú)人機(jī)在入河排污口排查中的應(yīng)用，主要從三方面進(jìn)行研究：無(wú)人機(jī)設(shè)備選型、數(shù)據(jù)獲取方法及無(wú)人機(jī)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，從而實(shí)現(xiàn)入河排污口的高效精準(zhǔn)摸排。

1 無(wú)人機(jī)的選型

在入河排污口排查過(guò)程中，河道處于山谷、農(nóng)村郊區(qū)等復(fù)雜環(huán)境、無(wú)人機(jī)技術(shù)的使用需滿足安全作業(yè)的相關(guān)要求。但另一方面，河道及兩岸的環(huán)境類型復(fù)雜多樣，河岸兩側(cè)樹(shù)木、房屋等障礙物較多，許多地區(qū)車輛無(wú)法進(jìn)入，需要考慮設(shè)備攜帶的便捷性。

目前常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)按照類型，可分為多旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)及混合翼無(wú)人機(jī)；按照尺寸，可分為微型、輕型、小型、中型、大型無(wú)人機(jī)；按使用的傳感器分類，可分為可見(jiàn)光傳感器、熱紅外傳感器和激光雷達(dá)傳感器。

各類型無(wú)人機(jī)的性能對(duì)比如表1所示。從成本、起飛空間、操作性及飛行速度等方面綜合考慮，入河排污口的排查一般使用多旋翼無(wú)人機(jī)。原因如下：（1）多旋翼無(wú)人機(jī)成本較低且操作簡(jiǎn)單；（2）入河排污口排查現(xiàn)場(chǎng)空間有限，因此起飛空間僅需要一小塊空地的多旋翼無(wú)人比較合適；（3）由于多旋翼無(wú)人機(jī)具備較慢的飛行速度，可以對(duì)排污口細(xì)節(jié)和排污狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間多角度的觀察辨認(rèn)。

表1 無(wú)人機(jī)類型分類表

各尺寸無(wú)人機(jī)的性能對(duì)比如表2所示，根據(jù)《無(wú)人駕駛航空器飛行管理暫行條例（征求意見(jiàn)稿）》，按照運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的大小，以及中國(guó)民用航空局《輕小無(wú)人機(jī)運(yùn)行規(guī)定（試行）》，無(wú)人機(jī)運(yùn)行管理分類，民用無(wú)人機(jī)分為微型、輕型、小型、中型、大型。在入河排污口排查的同坐通常范圍區(qū)域較大，很難提前協(xié)調(diào)空域申請(qǐng)，而飛行高度通常只需要在120米以下，因此，在入河排污口巡查過(guò)程中，一般選擇起飛全重為0.25~7 kg的微小型無(wú)人機(jī)，可以依據(jù)相關(guān)法律法規(guī)簡(jiǎn)單報(bào)備，并且具有較好的抗風(fēng)能力，同時(shí)機(jī)體尺寸較小，靈活度強(qiáng)，能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，避免被樹(shù)木等周邊環(huán)境障礙所困。

表2 無(wú)人機(jī)尺寸分類表

目前在入河排污口排查中主要應(yīng)用的傳感器有可見(jiàn)光傳感器、熱紅外傳感器和激光雷達(dá)。見(jiàn)表3各類傳感器可以發(fā)揮不同的作用。通過(guò)不同類型傳感器的組合應(yīng)用，能夠發(fā)揮無(wú)人機(jī)的最大排查功能。

表3 無(wú)人機(jī)傳感器分類表

2 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取方法

2.1 無(wú)人機(jī)傾斜影像

無(wú)人機(jī)傾斜影像是利用微小型無(wú)人機(jī)，與河道堤岸呈現(xiàn)一定的傾斜角度進(jìn)行照片拍攝，內(nèi)業(yè)人員通過(guò)觀察傾斜影像獲取入河排污口信息。

傾斜影像具備以下特點(diǎn)：

（1）傾斜影像具備精準(zhǔn)的經(jīng)緯度定位信息，可以通過(guò)GIS平臺(tái)查看影像拍攝位置，從而獲取入河排污口精準(zhǔn)位置信息；

（2）通過(guò)傾斜視角既可以看到入河排污口形狀，又能夠觀察到排口的立體結(jié)構(gòu)；

（3）傾斜影像對(duì)于直立式駁岸和傾斜的駁岸均可以對(duì)入河排污口有較好的排查效果；

（4）傾斜影像可以拍攝近景、遠(yuǎn)景影像，通過(guò)不同的視野照片對(duì)入河排污口進(jìn)行綜合分析，不僅為排口的排查工作，同時(shí)也為排口的溯源工作提供有力支撐。

因此選用傾斜影像獲取入河排污口。如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜影像在入河排污口排查中的應(yīng)用

通過(guò)對(duì)傾斜影像的分析，可以總結(jié)出傾斜影像拍攝技術(shù)的使用條件及適用邊界；該技術(shù)能夠短時(shí)間獲取河道兩岸堤岸的完整數(shù)據(jù)，適用于大范圍的排放口排查；采用人工操縱的方式，可獲取堤岸兩側(cè)近景遠(yuǎn)景照片，適用于小范圍排放口的精細(xì)化排查監(jiān)測(cè)，該技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)：

（1）通過(guò)走航拍攝，識(shí)別河道兩岸各類水面以上隱藏排放口；

（2）通過(guò)近景照片獲取排放口精確定位、尺寸、與堤岸的相互關(guān)系；

（3）通過(guò)遠(yuǎn)景照片獲取排放口與防汛擋墻之間的關(guān)系以及周邊疑似排放單位的信息；

（4）通過(guò)機(jī)載GPS信息或照片上的GPS定位信息，結(jié)合高精度正射影像，判斷排放口大概位置（粗略經(jīng)緯度信息）。

2.2 無(wú)人機(jī)正射影像

無(wú)人機(jī)正射影像是通過(guò)無(wú)人機(jī)鏡頭與地面垂直（即云臺(tái)俯仰角為-90°）進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取的一種方式。通過(guò)正攝影像可以了解到排口與污染源之間的關(guān)系，可用于測(cè)量及入河排污口的精準(zhǔn)定位如圖2所示。通過(guò)正射影像，還可以與已有的管網(wǎng)圖等各類資料疊加，從而進(jìn)行排口的溯源排查工作。

圖2 范例影像：基于無(wú)人機(jī)的正射影像獲取技術(shù)生成的正射影像

通過(guò)對(duì)傾斜影像的分析，可以總結(jié)出傾斜影像拍攝技術(shù)的使用條件及適用邊界：該技術(shù)可獲得最高2 cm分辨率的局部區(qū)域正射影像，用于彌補(bǔ)航空器/衛(wèi)星光學(xué)遙感對(duì)中小河道基礎(chǔ)信息支撐的不足，針對(duì)不同類型的河道，可根據(jù)河道寬度，分辨率需求，預(yù)先規(guī)劃航線開(kāi)展任務(wù)。同時(shí)，該技術(shù)適用于大范圍的排放口初篩掃描監(jiān)測(cè)任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)：

（1）通過(guò)影像直接發(fā)現(xiàn)明渠，泵站，涵閘類排水口；

（2）通過(guò)水流特征、水漬線發(fā)現(xiàn)可疑的水下排放口；

（3）根據(jù)兩岸圖例利用特征尋找出排放口的熱點(diǎn)區(qū)域；

（4）如無(wú)人機(jī)設(shè)備具備RTK/PPK功能，可獲取高精度定位數(shù)據(jù)的正射影像，用于排放口定位輔助；

針對(duì)堤岸改造等環(huán)境特征快速變化的區(qū)域，可定期更新數(shù)據(jù)，了解排放口的狀態(tài)變更。

3 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集

通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行廠商提供的SDK開(kāi)發(fā)界面，結(jié)合第三方軟件的應(yīng)用，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)基于航線規(guī)劃的自動(dòng)化飛行。以目視解譯的數(shù)據(jù)質(zhì)量要求進(jìn)行坐標(biāo)、高度、云臺(tái)俯仰角度，飛行速度的分析。根據(jù)不同的河道寬度和駁岸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開(kāi)展線路的優(yōu)化，形成了一張普通技術(shù)人員都能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)河道情況進(jìn)行規(guī)劃的線路編輯速查表。

以某案例的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，如圖3所示。結(jié)果表明采用無(wú)人機(jī)自動(dòng)化巡查的飛行效率（7~10 km/d）是飛手手動(dòng)飛行巡查（4~5 km/d）效率的2倍以上，是人工巡查（2 km/d）效率的3~5倍。通過(guò)該方法，形成完整連續(xù)的影像，能夠避免入河排污口排查遺漏，通過(guò)多次自動(dòng)化飛行，可以獲取同一位置的不同時(shí)間的影像，在水位變換較大的河道，可以通過(guò)多次獲取的影像進(jìn)行比較。該方法為內(nèi)業(yè)工作查找疑似排口及排口的定位提供，節(jié)約了后續(xù)工作的時(shí)間和效率。該方法充分利用無(wú)人機(jī)的空間角度優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)入河排污口排查的水平全覆蓋，不遺漏排口，對(duì)入河排污口可以做到應(yīng)查盡查。

圖3 無(wú)人機(jī)正射影像疊加市政管網(wǎng)圖與入河排污口位置信息

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比及測(cè)試研究，無(wú)人機(jī)在入河排污口排查中，設(shè)備的最佳選型為多旋翼輕微型無(wú)人機(jī)，同時(shí)可以搭載多種傳感器。入河排污口數(shù)據(jù)獲取主要通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取正射影像及傾斜影像，通過(guò)無(wú)人機(jī)自動(dòng)化飛行技術(shù)可以提高排查效率，實(shí)現(xiàn)入河排污口排查的水平全覆蓋，不遺漏排口，對(duì)入河排污口可以做到應(yīng)查盡查。