無人機遙感技術(shù)對流域環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測的應(yīng)用探討

＊楊慧慧 趙東南 周賓 蘇智 賈濱洋*

（1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 江蘇 210096 2.成都市環(huán)境應(yīng)急指揮保障中心 四川 610066）

隨著社會的發(fā)展，流域環(huán)境保護越來越重要。近年來流域突發(fā)性污染事故頻發(fā)，給社會發(fā)展和環(huán)境保護帶來不少難題，發(fā)展流域應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)逐漸受到重視。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要（2020-2035年）指出：監(jiān)測手段從傳統(tǒng)手工監(jiān)測向天地一體、自動智能、科學(xué)精細、集成聯(lián)動的方向發(fā)展。相比傳統(tǒng)手工作業(yè)，探索智能設(shè)備在突發(fā)流域環(huán)境事故中實現(xiàn)大范圍、快速、有效監(jiān)測尤為重要。本文在梳理各類智能環(huán)保設(shè)備的基礎(chǔ)上，探討無人機遙感技術(shù)在流域環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為突發(fā)流域污染事件的環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測提供參考。

1.智能環(huán)保設(shè)備概況

(1)遙感無人機

傳統(tǒng)水體監(jiān)測通常采用點監(jiān)測的方式來考察整個流域，難以真實反映整體流域狀況。隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，利用無人機搭載各類設(shè)備實行流域應(yīng)急監(jiān)測已成現(xiàn)實：搭載相機對水域進行攝像可觀測大范圍流域環(huán)境；搭載多光譜成像儀，生成的多光譜圖像可快速尋找污染源與漂浮垃圾，實現(xiàn)水體透明度、油污及懸浮物等監(jiān)測[1]。

(2)無人船

無人船有著無人化、自動化與智能化的優(yōu)勢，使水質(zhì)采樣點與監(jiān)測范圍迅速增加，大大增加了監(jiān)測數(shù)據(jù)量，提高了工作效率，同時避免人員涉水測量，保障了人員安全。無人船搭載水底掃描儀，可實現(xiàn)水下精準測繪及排污暗管勘探；搭載高清攝像機，可遠程監(jiān)控水面情況；搭載水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備可進行水質(zhì)實時監(jiān)測，配合探測設(shè)備追蹤污染源[2]。

(3)水面清污機器人

水上清污機器人是結(jié)合機械工程、無線通訊和人工智能等技術(shù)的智能設(shè)備，能對流域漂浮污染物快速回收處理。其中，智能溢油清污機器人能對水面油污開展高效回收處理，但其存在船體大、造價高等問題，當(dāng)前正致力于小型化智能溢油回收船的研發(fā)[3]。

(4)管道爬行機器人

管道機器人是一種搭載多類傳感器，開展管道巡查作業(yè)的智能裝備[4]，其體積較小，可代替人工進入狹小管道，通過拍攝視頻圖像實時查看管道內(nèi)部情況。管道機器人的靈活性更高，易于發(fā)現(xiàn)隱蔽的排污暗管，實現(xiàn)地下暗管高效、徹底的排查。

(5)移動監(jiān)測機器人

移動監(jiān)測機器人由前端采集設(shè)備和后臺服務(wù)系統(tǒng)組成。前端采集設(shè)備采集現(xiàn)場各監(jiān)測指標，后臺服務(wù)系統(tǒng)接收并處理數(shù)據(jù)。由于流域分布區(qū)域廣、位置偏遠，僅僅依靠人工巡

查監(jiān)管難度很大。移動監(jiān)測機器人可對流域進行實時自動監(jiān)測，彌補傳統(tǒng)有線監(jiān)控管理難度大、電源提供困難、信號傳輸受限等劣勢[5]。

2.流域環(huán)境應(yīng)急處理現(xiàn)狀

(1)全國流域環(huán)境應(yīng)急處理現(xiàn)狀

我國流域應(yīng)急監(jiān)測處于發(fā)展階段，主要采用檢測管法或?qū)嶒灧治龇z測污染物。檢測管法快速、方便，但僅分析常規(guī)項目，且多用于污染物定性，定量精度不高。實驗室分析方法采用專用儀器，測量精度較高，但需在現(xiàn)場采樣后運回實驗室分析，不能及時反映現(xiàn)場情況。國內(nèi)部分環(huán)境監(jiān)測單位配備了便攜式快速測定儀器用以應(yīng)急監(jiān)測。這些儀器比常規(guī)方法快速，具有一定的精確度。但便攜式儀器尚未形成標準，在使用過程中缺乏規(guī)范性[6]。

流域監(jiān)測斷面存在斷面布置數(shù)量不足、布置不均的問題。監(jiān)測站點多設(shè)在人口稠密的河段上，在距城市較遠的水域監(jiān)測站點布設(shè)稀少，不利于污染物溯源。應(yīng)急人員多沿河尋找疑似污染源，采集水樣完成水質(zhì)分析后才能最終確定污染源[7]。這種溯源方式耗時較長，不利于污染的快速治理。

(2)成都流域環(huán)境應(yīng)急處理現(xiàn)狀

成都市環(huán)境監(jiān)測單位采用自動監(jiān)測與人工監(jiān)測相結(jié)合的方式開展應(yīng)急監(jiān)測，建成高精度綜合分析實驗室，配備移動式環(huán)境監(jiān)測車及便攜式水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，現(xiàn)有設(shè)備具備快速鑒別常規(guī)污染物的能力。但由于流域突發(fā)污染事件的復(fù)雜性和不確定性，現(xiàn)有設(shè)備在現(xiàn)場快速測定方面還存在明顯缺陷，針對突發(fā)性事故僅滿足常規(guī)指標監(jiān)測。

此外，成都市在部分流域建有水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，開展定期監(jiān)測，能獲得精準的水質(zhì)數(shù)據(jù)。但現(xiàn)有站點僅能實現(xiàn)點尺度的監(jiān)測，不能掌握流域面尺度的信息，也無法對突發(fā)性污染事件進行實時監(jiān)控。

3.應(yīng)用分析

傳統(tǒng)的流域水質(zhì)監(jiān)測涵蓋區(qū)域有限，難以反映整體狀況。遙感技術(shù)可對大范圍水域進行監(jiān)測，無人機機動靈活、拍攝視野廣，將無人機與遙感技術(shù)相結(jié)合，可彌補傳統(tǒng)監(jiān)測方法的不足。

(1)遙感水質(zhì)監(jiān)測方法

基于無人機遙感技術(shù)的流域水質(zhì)監(jiān)測流程如圖1所示。具體操作步驟為：

圖1 遙感水質(zhì)監(jiān)測流程

①規(guī)劃無人機的飛行高度、航線后，進行流域水樣采集和遙感影像獲?。豪脽o人機搭載取樣裝備采集不同點位的水樣；利用無人機搭載相機等光學(xué)遙感設(shè)備采集流域的遙感影像。

②根據(jù)監(jiān)測需求，采用實驗室方法檢測水樣相關(guān)參數(shù)。

③對遙感影像進行大氣校正、輻射定標、正射糾正等預(yù)處理[8]，確定反演計算的最佳波段，計算得到光譜反射率。

④對獲取的光譜數(shù)據(jù)與水質(zhì)實測數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析，選擇合適的方法構(gòu)建污染物濃度反演模型。

⑤根據(jù)反演模型對監(jiān)測區(qū)域進行遙感監(jiān)測，獲取水質(zhì)信息。

(2)河面日常巡查

由于流域范圍廣、面積大，要實現(xiàn)流域全范圍的監(jiān)測費時費力。無人機搭載攝像單元可進行排放口抓拍、河面全景覆蓋，從宏觀層面觀測水質(zhì)情況。通過影像分析技術(shù)可識別水面有色污染、垃圾漂浮物等。在突發(fā)污染事故后，無人機可快速到達指定位置，搭載取樣設(shè)備或水質(zhì)傳感器就地檢測污染物，為污染治理提供有力幫助。

(3)監(jiān)測有機物

流域水體有機物種類繁多、成分復(fù)雜，實際工作中采用COD、BOD等指標間接反映有機物含量受有機物污染水體的反射率低于干凈水體，有機物濃度的增大會導(dǎo)致水體在近紅外及可見光波段的吸收性能增強，高濃度有機物污染的水體呈藍黑色或深藍色[9]。通過無人機搭載多光譜遙感成像儀獲取高分辨率、高覆蓋率的多光譜圖像，通過預(yù)先建立有機物與水色反演模型，可實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域有機物的無人機遙感監(jiān)測。

(4)監(jiān)測水面油污

水面油污的遙感監(jiān)測可通過可見光遙感、紅外遙感或紫外遙感等方式來實現(xiàn)[10]。在300～400nm波段，油污反射率較弱；在630～680nm波段，油污與清潔水體的反差最大，可以利用這兩個可見光波段進行油污監(jiān)測。在常溫下，熱紅外影像中干凈水體呈白色，排油區(qū)呈黑色，可以依據(jù)遙感圖像中灰階的不同來計算油污含量。厚度小于5mm的油膜對紫外光有較好的亮度反差，其反射率為干凈水體的2.2～2.8倍，因此也可以選擇紫外波段監(jiān)測水面油膜。

(5)監(jiān)測懸浮固體

懸浮固體會影響水體的光學(xué)性質(zhì)。在近紅外及可見光范圍，水體反射率隨懸浮物濃度的增加而增大。580～680nm是監(jiān)測懸浮固體的最佳波段，在此波段下不同濃度的懸浮物質(zhì)會出現(xiàn)相應(yīng)的峰值[11]。利用高光譜圖像建立的水體懸浮物濃度與濁度的空間分布圖，可實現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的可視化。

(6)監(jiān)測水體富營養(yǎng)化

對水體富營養(yǎng)化的監(jiān)測可通過監(jiān)測葉綠素a的含量實現(xiàn)，其反射率在藍光波段具有波谷，在綠光和近紅外波段具有波峰[12]。目前已構(gòu)建多種反演模型，但受季節(jié)變化和懸浮物、有色有機物的干擾，模型精度不高、適用性不強。Blix[13]開發(fā)了一種模型自動選擇算法，選取3種匹配數(shù)據(jù)集模擬復(fù)雜的水體條件，通過4種特征分級方法和3種機器學(xué)習(xí)回歸模型估算了光學(xué)復(fù)雜水域的葉綠素a濃度。

(7)監(jiān)測水體熱污染

目前主要通過熱紅外遙感來監(jiān)測水體熱污染，熱污染排放過程中水體溫度升高的地方在遙感影像中為白色或灰白色。由于水體熱容量大，水體溫度空間變化小，使得模型反演精度不高。為提升監(jiān)測精度，機器學(xué)習(xí)理論逐漸得到應(yīng)用。毛克彪等[14]結(jié)合輻射傳輸模型與深度動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成功反演水體溫度。楊昆等[15]提出一種綜合利用支持向量機、主成分分析法及反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組合預(yù)測模型，實現(xiàn)了滇池水溫的預(yù)測。

4.存在問題及展望

無人機遙感在流域環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測中具有明顯優(yōu)勢，但我國在流域環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用仍處于起步階段，一些方法和理論尚未成熟，其不足主要體現(xiàn)在：

（1）機載傳感器精度及無人機搭載負荷的能力亟待提升。受無人機負荷的限制，高精度的大型傳感器難以搭載，機載傳感器的精度及分辨率較低，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，難以保證長期、連續(xù)和高精度監(jiān)測。

（2）遙感水質(zhì)監(jiān)測種類較少。現(xiàn)階段對油污、懸浮物和溫度等參數(shù)的反演已日趨成熟，但對有機物及其他非光敏性污染物的光譜特性研究不夠深入，難以對其進行有效監(jiān)測。

（3）所建立的水質(zhì)反演模型應(yīng)用范圍受限。水質(zhì)遙感監(jiān)測通常只適用于特定的流域和時段，建立的反演模型不具有普適性。流域水體組分復(fù)雜，遙感監(jiān)測會受水體組分、有色物質(zhì)等因素的干擾，監(jiān)測效果不佳。

（4）無人機遙感監(jiān)測不能完全取代常規(guī)的地面監(jiān)測。內(nèi)陸水體具有較強的區(qū)域性和季節(jié)性特點，現(xiàn)有反演算法缺乏理論基礎(chǔ)，有較強的時空局限性，仍需地面監(jiān)測數(shù)據(jù)對遙感數(shù)據(jù)進行驗證和補充。

基于上述不足，未來應(yīng)從如下幾個方面來開展研究：

（1）針對無人機搭載負荷受限的問題，加強無人機載荷的輕型化與小型化研究，開發(fā)高精度的無人機專用監(jiān)測儀器，提升測量精度。

（2）運用光譜微分技術(shù)、人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)等新型技術(shù)，建立不受時空限制的水質(zhì)參數(shù)反演算法，加大模型的適用范圍。

（3）加強水質(zhì)監(jiān)測指標光譜特性的研究。深入研究水質(zhì)各參數(shù)的光學(xué)特性與遙感監(jiān)測光譜數(shù)據(jù)之間的理論關(guān)系，了解水體不同組分的光譜特征及相互影響規(guī)律，擴大污染物的監(jiān)測種類，豐富水質(zhì)參數(shù)的光譜特征數(shù)據(jù)庫。

（4）利用無人機實現(xiàn)不同監(jiān)測設(shè)備的協(xié)同工作構(gòu)建空地協(xié)同的流域環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)多源水質(zhì)監(jiān)測信息數(shù)據(jù)聯(lián)動，將傳統(tǒng)監(jiān)測與遙感監(jiān)測相結(jié)合，提升水質(zhì)監(jiān)測效果。

5.結(jié)論

無人機水質(zhì)遙感技術(shù)視域廣、主動靈活，能彌補傳統(tǒng)流域應(yīng)急監(jiān)測的不足。通過無人機搭載設(shè)備對監(jiān)測區(qū)域進行航拍，對獲取光譜進行反演分析，可開展流域有機物、油污、懸浮固體、富營養(yǎng)化與熱污染的有效監(jiān)測。

但無人機遙感技術(shù)在我國流域監(jiān)測中的應(yīng)用仍處于起步階段，受限于無人機負載及流域水體的復(fù)雜性，水質(zhì)遙感監(jiān)測仍存在棘手的問題。相信隨著無人機與遙感技術(shù)的成熟，無人機遙感技術(shù)必將在流域應(yīng)急監(jiān)測方面發(fā)揮巨大優(yōu)勢，為現(xiàn)有監(jiān)測方法提供有益補充。