無人機(jī)高分辨率影像在長(zhǎng)江支流排污口解譯中的應(yīng)用

沈梁濤 周偉鋒

(浙江中測(cè)新圖地理信息技術(shù)有限公司, 浙江 德清 313200)

0 引言

長(zhǎng)江是我國(guó)的母親河、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的金腰帶,但隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,對(duì)土地、河流高強(qiáng)度的開發(fā)利用,重化工企業(yè)遍布長(zhǎng)江兩岸。我國(guó)大江大河正面臨著嚴(yán)重的環(huán)境污染問題,生態(tài)環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻、水污染問題嚴(yán)重突出[1]。

治理好長(zhǎng)江對(duì)中華民族偉大復(fù)興具有十分重大的意義。為全面落實(shí)“共抓大保護(hù)、不搞大開發(fā)”的戰(zhàn)略要求,生態(tài)環(huán)境部以改善長(zhǎng)江流域水環(huán)境質(zhì)量為核心,以全面排查整治入河排污口為目標(biāo),已于2019年在全國(guó)范圍內(nèi)開展長(zhǎng)江入河排污口排查整治工作。旨在用兩年時(shí)間全面摸清長(zhǎng)江干流、主要支流的排污口底數(shù)。排污口是污染物進(jìn)入河流的最后關(guān)口,因此，摸清排污口總數(shù),掌握排污口位置信息是長(zhǎng)江治理的首要問題。

本研究通過無人機(jī)(Unmamned Aerial Velide,UAV)獲取測(cè)區(qū)內(nèi)像片,制作高精度高分辨率數(shù)字正射影像[2],從中提取測(cè)區(qū)內(nèi)疑似排污口信息,并通過外業(yè)實(shí)地排查最終確定長(zhǎng)江一二級(jí)支流入河排污口的位置和總數(shù)。這無疑為無人機(jī)高分辨率影像在排污口解譯中的應(yīng)用起到了推進(jìn)作用。

1 長(zhǎng)江排污現(xiàn)狀及主要問題

1.1 排污現(xiàn)狀及排污口分布

長(zhǎng)江流經(jīng)青海、西藏、重慶、安徽、江蘇、上海等11個(gè)省、自治區(qū)、直轄市,涉及岸線2.4萬km[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)江流域的廢水、化學(xué)需氧量、氨氮排放量分別占全國(guó)的43%、37%、43%[4],排污口分布較廣,生態(tài)形勢(shì)嚴(yán)峻。

我國(guó)民族大散居、小聚居的人口分布模式又使得城鎮(zhèn)生活排污口、工業(yè)生產(chǎn)排污口、農(nóng)業(yè)排污口分布較為分散;有些企業(yè)為逃避審批與責(zé)任,將一部分排污口設(shè)置得非常隱蔽,這些都增大了排查難度。

1.2 人手不足,人工實(shí)地排查難度大

我國(guó)基層生態(tài)環(huán)境部門正面臨人員編制較少,工作強(qiáng)度大、技術(shù)能力薄弱、專業(yè)裝備缺乏等問題,從而對(duì)一些違法行為,因?yàn)闊o法及時(shí)取證而錯(cuò)過最佳時(shí)機(jī)。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,高分辨率影像應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境調(diào)查技術(shù)日趨成熟[7],利用無人機(jī)遙感技術(shù)制作數(shù)字正射影像圖,再基于影像圖解譯出疑似排污口結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)排查,可以大大減少人工徒步實(shí)地巡查的時(shí)間?？梢哉f以無人機(jī)航測(cè)為主的一級(jí)排查是打好長(zhǎng)江保護(hù)修復(fù)攻堅(jiān)戰(zhàn)的前哨戰(zhàn)。

2 排污口排查要求

2.1 排污口定義

根據(jù)《入海(河)排污口分類命名、編碼規(guī)則》,將排污口分為8大類:(1)工業(yè)企業(yè)排口;(2)污水集中處理設(shè)施排口;(3)農(nóng)業(yè)農(nóng)村和城鎮(zhèn)排口;(4)雨洪徑流排口;(5)溪流溝渠河港設(shè)施排口;(6)礦井排口;(7)港口碼頭排口;(8)其他排口。

2.2 排污口范圍

按照長(zhǎng)江一二級(jí)支流入河排污口項(xiàng)目技術(shù)要求,無人機(jī)航測(cè)范圍為長(zhǎng)江一級(jí)與二級(jí)支流水系統(tǒng)，范圍是從河流兩側(cè)岸線邊界分別往河面方向延伸100 m,如河面寬度小于200 m,則航測(cè)范圍應(yīng)覆蓋整個(gè)河面,長(zhǎng)江一級(jí)支流水系從河流兩側(cè)岸線邊界分布往陸地方向延伸1 000 m,長(zhǎng)江二級(jí)支流水系從河流兩側(cè)岸線邊界分布往陸地方向延伸500 m。

2.3 影像解譯要求

疑似排污口解譯主要分為疑似點(diǎn)位和敏感區(qū)域兩個(gè)部分,疑似點(diǎn)位主要包括:飛行范圍內(nèi)直接或間接向長(zhǎng)江一級(jí)、二級(jí)支流河排放水體的涉水排口,包括所有在用、備用、停用的管道，涵洞、溝渠、隧洞或溢流形式進(jìn)入水體的入河口,所有間歇性使用的排澇站、排灌站、抗旱溝渠等承擔(dān)特殊功能入河口;所有直接流向長(zhǎng)江一級(jí)、二級(jí)支流的自然河流、溪流入河口。

敏感區(qū)域主要包括:飛行范圍內(nèi)跨河、路、橋、碼頭、灘涂、林地等涉水區(qū)域,以及未直接發(fā)現(xiàn)疑似點(diǎn)位的工業(yè)集中區(qū)和工業(yè)企業(yè)。

3 解決方案

本文以安徽省長(zhǎng)江一二級(jí)支流入河排污口排查項(xiàng)目為案例,詳細(xì)介紹無人機(jī)高分辨率遙感影像在排污口解譯中的應(yīng)用,項(xiàng)目技術(shù)路線詳見圖1。

圖1 項(xiàng)目技術(shù)路線

3.1 無人機(jī)航空攝影

因河流范圍為條帶狀,為減少外業(yè)像控點(diǎn)數(shù)量,提高作業(yè)效率,航攝飛行平臺(tái)需裝配全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)/慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)系統(tǒng),獲得高精度的定位定姿系統(tǒng)(Position and Orientation System, POS)數(shù)據(jù)。無人機(jī)航線可沿河流岸線布設(shè),大型離岸島嶼單獨(dú)設(shè)計(jì)。為能保證影像清晰、像片無大面積陰影,無人機(jī)航攝時(shí)間應(yīng)選擇當(dāng)?shù)卣缜昂蟾? h內(nèi),且避免在漲潮時(shí)段。太陽高度角應(yīng)滿足平地區(qū)域太陽高度角大于20°,山地區(qū)域太陽高度角大于40°[8]。

本項(xiàng)目采用ZC-3VS垂直起降無人機(jī)搭載經(jīng)檢校的索尼A7R2全畫幅相機(jī)獲取優(yōu)于0.1 m的原始影像,該飛行平臺(tái)具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、抗風(fēng)性能強(qiáng)、定位精度好、拍攝效率高等特點(diǎn)。

3.2 內(nèi)業(yè)成圖

影像后期處理軟件采用遙感影像一體化測(cè)圖系統(tǒng)TopGrid軟件結(jié)合像控點(diǎn)進(jìn)行常規(guī)的空三加密。該系統(tǒng)只需少量人工干預(yù),利用群體智能與正反饋特點(diǎn)的算法來自動(dòng)生成正射影像的鑲嵌線,保證鑲嵌線能避開正射影像上建筑物投影差的區(qū)域及局部色差大的區(qū)域,保證地物影像的完整性。

3.3 解譯方案

排污口解譯是整個(gè)項(xiàng)目的核心內(nèi)容,采用人機(jī)交互式解譯的方式,正射影像制作完成后即展開內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)初步解譯工作[9],結(jié)合入河排污口的紋理、形狀、顏色、周圍環(huán)境等特征,利用ArcGIS軟件提取排污口疑似點(diǎn)位,在屬性表字段中填寫排污口行政區(qū)劃代碼、經(jīng)緯度、河流名稱、河流等級(jí)、問題類型等基本信息,形成排污口初步排查清單。

解譯過程中所有排污口都需要解譯,要做到影像圖范圍內(nèi)“有口皆查、應(yīng)查盡查”。但解譯過程中不需要進(jìn)行排污口分類,解譯技術(shù)人員在影像解譯中不能只關(guān)注工業(yè)排污口,而把雨洪口、河汊、溝渠、養(yǎng)殖等排污口當(dāng)作“非排污口”。

4 排污口解譯

4.1 組織培訓(xùn)、統(tǒng)一認(rèn)知

全面解譯前,需組織技術(shù)人員學(xué)習(xí)排污口解譯要點(diǎn)與典型特征分類,必要時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘,提高技術(shù)人員對(duì)排污口的認(rèn)知,從而提高工作效率。

4.2 排污口樣本采集

建立排污口解譯典型特征分類樣本數(shù)據(jù)庫,便于解譯人員在解譯過程中尋找規(guī)律,幫助解譯人員更快掌握排污井解譯要點(diǎn)。

4.2.1明顯特征解譯

一般情況下,入河排污口有涵洞、管道、泵站、溝渠和排澇站等幾種形式,這些工程由于本身體量大、特征明顯,根據(jù)無人機(jī)拍攝的高清影像可準(zhǔn)確辨別[10],如圖2所示。

圖2 涵洞排污口

4.2.2沖刷痕跡解譯

部分隱蔽排污口往往會(huì)被植被或其他覆蓋物遮蔽,此時(shí)可在影像上仔細(xì)觀察周圍有無流水痕跡或沖刷痕跡,以此來作為隱蔽排污口的尋找方法。如正在排污,會(huì)有明顯的水流,如圖3所示;不排污,排口附近地面會(huì)因持續(xù)的水流沖刷而顯現(xiàn)明顯不同于附近地面的顏色,此時(shí)該處可判別為疑似排污口，如圖4所示。

圖3 正在排水的排污口

圖4 沖刷痕跡的排污口

4.2.3水產(chǎn)養(yǎng)殖排污口解譯

長(zhǎng)江一二級(jí)支流旁存在很多水產(chǎn)養(yǎng)殖集中區(qū),由于用水需求量大,養(yǎng)殖戶利用泵站或水泵等設(shè)備經(jīng)埋設(shè)在田埂中的主管道與各養(yǎng)殖塘中的水進(jìn)行交換。此類排口數(shù)量眾多,在解譯時(shí)只需解譯水產(chǎn)養(yǎng)殖集中區(qū)與外界水體交換的主要排口,對(duì)于養(yǎng)殖塘之間的、集中區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖塘與內(nèi)部水網(wǎng)的水交換口子,不用標(biāo)記解譯。

4.2.4鄉(xiāng)村生活排污口解譯

沿河農(nóng)村居民會(huì)在河邊修筑排水管道,家用生活污水經(jīng)管道直接排入河流中,在解譯時(shí)需標(biāo)記鄉(xiāng)村生活污水統(tǒng)一集中排放的排污口;對(duì)同一排污單位有多個(gè)排污口的,將多個(gè)排污口集中統(tǒng)一為一個(gè)排污口進(jìn)行標(biāo)記。

4.2.5正在施工排口

由于影像拍攝時(shí)間與人工現(xiàn)場(chǎng)排查時(shí)間有間隔,導(dǎo)致最終出現(xiàn)的影像中該排污口正在施工或未動(dòng)工而人工現(xiàn)場(chǎng)排查時(shí)已竣工的情況,此時(shí)在解譯時(shí)需在屬性表備注中注明正在施工。

4.3 加固垂直岸線排污口解譯

本次排查范圍內(nèi)存在大量人工加固垂直河堤,部分垂直河堤下的排污口在數(shù)字正射影像圖中由于垂直投影而無法識(shí)別?？烧{(diào)取相鄰影像帶有側(cè)方視角的原始遙感影像輔助解譯,必要時(shí)可在測(cè)圖系統(tǒng)中恢復(fù)立體,進(jìn)行解譯,如圖5所示。

圖5 垂直河堤排污口實(shí)景圖

4.4 敏感區(qū)域排污口解譯

所謂敏感區(qū)域,一般是指隱蔽區(qū)域,如橋下、水下、林下等無人機(jī)無法獲取(圖6),可能存在隱蔽排污口的區(qū)域;以及港口碼頭、工業(yè)聚集區(qū)、人口集中區(qū)等排污口集中分布的重點(diǎn)區(qū)域[11],敏感區(qū)域是人工排查時(shí)的重點(diǎn)對(duì)象,需格外注意。

圖6 隱蔽區(qū)域排污口實(shí)景圖

4.4.1工業(yè)聚集區(qū)域

對(duì)工業(yè)園區(qū)或工業(yè)聚集區(qū)附近極易出現(xiàn)排污口,在解譯時(shí)應(yīng)仔細(xì)觀察,對(duì)未直接發(fā)現(xiàn)疑似排污口的工業(yè)集中區(qū)和工業(yè)企業(yè)在該片區(qū)上方標(biāo)注敏感區(qū)域,現(xiàn)場(chǎng)人工排查時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注,確保無遺漏。

4.4.2港口碼頭區(qū)域

港口碼頭解譯時(shí),需注意兩個(gè)方面:一是碼頭后方堆場(chǎng)和辦公區(qū)是否有排污口,二是碼頭前沿是否存在水下空洞或者管道,如被輪船遮擋可標(biāo)記為敏感區(qū)域。

4.4.3規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖區(qū)域

在解譯時(shí),發(fā)現(xiàn)影像圖范圍內(nèi)存在規(guī)?；B(yǎng)殖畜禽的,應(yīng)標(biāo)記為敏感區(qū)域。

解譯完成后在屬性表的問題類型字段中填寫疑似點(diǎn)位或敏感區(qū)域,再在其他字段填寫相應(yīng)信息,如:行政區(qū)域代碼、經(jīng)緯度、河流名稱等。

4.5解譯結(jié)果

安徽省長(zhǎng)江一二級(jí)支流入河排污口排查項(xiàng)目測(cè)區(qū)面積共2 549 km2,內(nèi)業(yè)解譯共解譯出8 303個(gè)疑似排污口點(diǎn)位,經(jīng)過為期1個(gè)月的人工實(shí)地核查,解譯成功率高達(dá)80%。

數(shù)字正射影像水平定位精度采用在正射影像上提取特征點(diǎn)位坐標(biāo)值與檢查點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比的方式,驗(yàn)證后數(shù)字正射影像水平定位精度在0.4 m,滿足精度要求。

5 結(jié)束語

安徽省長(zhǎng)江一二級(jí)支流排污口排查項(xiàng)目的檢驗(yàn)證明,內(nèi)業(yè)解譯排污口成功率在80%以上。充分說明以無人機(jī)獲取的高分辨率影像內(nèi)業(yè)解譯疑似排污口,再結(jié)合人工現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)排查的方式,能滿足精確識(shí)別排污口的要求,為后期開展排污口的分類、定性、信息表的調(diào)查填報(bào)奠定了可靠的基礎(chǔ)。

0.1 m無人機(jī)高分辨率影像精度經(jīng)檢查點(diǎn)檢驗(yàn),平面精度可達(dá)0.4 m,完全能滿足甲方對(duì)排污口實(shí)地定位的精度要求(1 m);工作效率與人工實(shí)地排查相比,排查周期可縮短2/3。實(shí)踐證明該技術(shù)同樣能應(yīng)用于黃河等其他河流及海岸線排污口排查的要求。

低空無人機(jī)獲取影像的地面分辨率遠(yuǎn)高于我國(guó)現(xiàn)有的衛(wèi)星遙感影像分辨率(約0.5 m),而且機(jī)動(dòng)靈活、獲取方便,這種優(yōu)勢(shì)不但體現(xiàn)在對(duì)細(xì)小直徑排污口的識(shí)別、發(fā)現(xiàn)上,也可同樣應(yīng)用于松樹病蟲害的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)、水域調(diào)查及變化范圍的劃定、地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的監(jiān)測(cè)以及違章建筑的監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目,發(fā)揮出難以取代的重要作用。