生態(tài)眼系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

殷偉慶

(江蘇省鎮(zhèn)江環(huán)境監(jiān)測中心 水環(huán)境監(jiān)測科，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

2019年，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要(2020—2035年)》，提出要推動傳統(tǒng)監(jiān)測向生態(tài)環(huán)境監(jiān)測轉(zhuǎn)變。環(huán)境空氣中有害成分分布復(fù)雜，絕大部分河道縱橫交錯，說得清現(xiàn)狀，說得準(zhǔn)問題，說得明環(huán)境污染的成因、機理與改善，顯得尤為重要。目前監(jiān)管部門進行水[1]、大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測多采用人工取樣或安裝自動監(jiān)測站的方式。但人工取樣周期長，時效低，自動監(jiān)測站建設(shè)成本高，維護難，限制了在線自動監(jiān)測站的覆蓋密度，而且很難反映區(qū)域的整體環(huán)境狀況。無人機遙感監(jiān)測技術(shù)可為河道和大氣環(huán)境區(qū)域提供快速、實時、無死角巡查服務(wù)，實現(xiàn)水質(zhì)、氣質(zhì)監(jiān)測、全面普查等功能，彌補傳統(tǒng)環(huán)保監(jiān)測技術(shù)空間監(jiān)測能力的不足[2]，擴大環(huán)境監(jiān)測的覆蓋空間范圍，提高空間分辨率。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 無人機高光譜視頻遙感

高光譜視頻成像儀是光電領(lǐng)域尖端的探測和成像技術(shù)成果之一，通過光譜采集基礎(chǔ)理論革新和關(guān)鍵技術(shù)突破，克服了傳統(tǒng)掃描式光譜儀數(shù)據(jù)量大、成像時間長、云臺穩(wěn)定性要求高、無法拍攝動態(tài)場景等弊端。采用獨特的光學(xué)、電子學(xué)、計算技術(shù)，能進行實時光譜掃描(15 fps以上)，成像分辨率在200萬像素以上，能同步兼顧大場景、高空間分辨率、高光譜分辨率的光譜視頻采集需求，并且設(shè)備體積小，易用，在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[3]。固定翼和多旋翼兩種類型無人機如圖1所示，無人機搭載光譜視頻成像儀參數(shù)如表1所示。

圖1 固定翼和多旋翼無人機照片

表1 高光譜視頻成像儀參數(shù)表

1.2 反演模型

如圖2所示，反演模型包括輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何粗/精校正、圖像解譯/反演、地圖表達5個主要環(huán)節(jié)，一系列子模型[4]。專業(yè)人員根據(jù)拍攝條件、應(yīng)用環(huán)境選擇子模型配置，調(diào)參輸出反演結(jié)果，經(jīng)人工審核后輸出專題數(shù)據(jù)[5]。

圖2 基于經(jīng)驗/半經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷亩糠囱?/p>

2 核心能力

2.1 流域水質(zhì)指標(biāo)分布精細(xì)化分析能力

精細(xì)化分析主要包括幾何精校正、圖像精細(xì)化反演。衛(wèi)星下傳至地面接收站的原始數(shù)據(jù)常受大氣干擾、影像變形的影響。幾何精校正是在粗校正的基礎(chǔ)上，通過目視辨別和手工添加地面標(biāo)準(zhǔn)點位(已知精確坐標(biāo))，修正衛(wèi)星圖片(以下簡稱衛(wèi)片)因相機幾何畸變、拍攝角度偏差等造成的地理位置偏移。圖像精細(xì)化反演主要包括單指標(biāo)反演、指標(biāo)交叉關(guān)聯(lián)性修正。單指標(biāo)反演，即在前期深度學(xué)習(xí)形成模型的基礎(chǔ)上，人工輸入同時段范圍的一定流域采樣點水質(zhì)數(shù)據(jù)，訓(xùn)練調(diào)參后輸出包括氨氮、高錳酸鹽、總氮、總磷的流域水質(zhì)分布影像。開展流域水質(zhì)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析，從上述指標(biāo)中人工選擇具有關(guān)聯(lián)性的指標(biāo)數(shù)據(jù)，代入指標(biāo)交叉關(guān)聯(lián)性修正模型，消除采樣化驗發(fā)生的異常數(shù)據(jù)帶來的一些負(fù)面影響[6]。

2.2 流域水質(zhì)異常區(qū)域快速化分析識別能力

快速分析識別模型以準(zhǔn)自動化、流水化的方式分析處理圖像。快速分析的幾何校正以粗校正為主，已知衛(wèi)片影像定位系數(shù)時，由機器自主完成。圖像快速反演模型和前述不同，以基于水色遙感的快速分析為主，通常包括基于紅、綠、藍三色的FU模型，基于短波紅外、近紅外、紅光的FAI模型等，可得到水體顏色的細(xì)微差異，通過閾值分割可提取如湖庫的富營養(yǎng)化(水華)、水體異常渾濁、水色異常等可疑區(qū)域[7]，可輸出識別發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)域及部分水質(zhì)指標(biāo)(濁度、葉綠素a等)相對分布?？焖俜治鲆运町悶楹诵?，對地面水體采樣化驗定標(biāo)依賴少，模型自動化程度高，處理速度快，無需人為干預(yù)，尤其適合無人機光譜影像的現(xiàn)場實時處理，典型流域水質(zhì)定量反演可視化界面如圖3所示。

圖3 流域水質(zhì)定量反演

2.3 衛(wèi)星圖片中大尺度空氣質(zhì)量指標(biāo)分布反演能力

VOCs(揮發(fā)性有機化合物)被認(rèn)為是臭氧的前驅(qū)體之一。掌握VOCs的空間分布變化，有助于理解臭氧的形成，研究治理方案。大氣分布反演指標(biāo)為PM2.5/10，臭氧、CO，CO2和SO2，衛(wèi)片資源主要為風(fēng)云系列衛(wèi)星(如風(fēng)云四號)、高分四號衛(wèi)星、高分五號衛(wèi)星。風(fēng)云四號和高分四號為地球靜止軌道衛(wèi)星，分辨率分別為400 m和500 m，通過氣溶膠模型反演PM2.5/10，通過氣溶膠模型、光譜模型、多指標(biāo)耦合模型計算臭氧、CO，CO2，SO2等指標(biāo)。高分五號為低軌可見短波紅外高光譜衛(wèi)星，分辨率為30 m，周期性訪問觀測區(qū)域，用于多星間的數(shù)據(jù)交叉校準(zhǔn)。根據(jù)空氣指標(biāo)分布的時間變化特征，可判斷污染團為輸入性或輸出性。

2.4 衛(wèi)星圖片地物分類解譯能力

衛(wèi)片經(jīng)輻射、幾何校正預(yù)處理后包括兩類特征，即人眼可感知的顏色、形狀、紋理特征，地物光譜特征(可見光至紅外)，兩者均可用于地物識別分類。生態(tài)眼從衛(wèi)片中提取計算區(qū)域，參照《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)計算12種用地類型的空間分布情況，并通過逐次比對提取用地發(fā)生變化的區(qū)域，可用于分析用地類型、評價生態(tài)環(huán)境(綠化率、植被覆蓋、土地利用等)、識別異常事件(違章建筑、岸線破壞、毀綠等)。地物識別處理后，需要開展人工核查，主要針對因衛(wèi)片分辨率有限帶來的物體影像混疊，人工干預(yù)糾正自動識別和分類偏差。

3 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用

流域環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要服務(wù)生態(tài)環(huán)境部門，具有流域水質(zhì)疑似污染區(qū)域識別和排查、岸線生態(tài)破壞識別和排查、水源地保護區(qū)風(fēng)險識別和監(jiān)控、業(yè)務(wù)閉環(huán)聯(lián)動、流域地理信息數(shù)據(jù)庫管理和查詢等功能。

3.1 流域水質(zhì)疑似污染區(qū)域識別和排查

流域污染區(qū)域識別需要面上水質(zhì)分布數(shù)據(jù)，環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域傳統(tǒng)化學(xué)監(jiān)測方法是點狀監(jiān)測，數(shù)據(jù)不足以鎖定污染區(qū)域。該功能主要基于生態(tài)眼衛(wèi)片反演能力，分析高分一、二、六號衛(wèi)星采集的流域多光譜衛(wèi)片，提取水域部分?jǐn)?shù)據(jù)，反演分析得到氨氮、高錳酸鹽、總磷、總氮等水質(zhì)指標(biāo)分布影像，并提取岸線附近水質(zhì)指標(biāo)高值區(qū)。根據(jù)疑似污染區(qū)域坐標(biāo)和影像開展無人機航拍，進行二次查證和快速識別。將查證確認(rèn)的排口坐標(biāo)信息與流域地理信息數(shù)據(jù)庫中排口檔案數(shù)據(jù)進行比對，篩選未登記在冊的可疑排口和排污事件。經(jīng)人工審核后，系統(tǒng)以工單形式派發(fā)生態(tài)環(huán)境相關(guān)部門，相關(guān)部門取證、執(zhí)法、整改后將情況回報系統(tǒng)。

3.2 岸線生態(tài)破壞識別和排查

流域生態(tài)環(huán)境保護需要全面掌握岸線利用情況，及時發(fā)現(xiàn)岸線破壞事件。該應(yīng)用主要基于生態(tài)眼衛(wèi)片反演能力，對高分一、二、六號和高景一號衛(wèi)星(商業(yè)衛(wèi)星，正在增加珠海一號、吉林一號、北京二號等衛(wèi)星)采集的流域衛(wèi)片進行地物分類解析，結(jié)合岸線利用規(guī)劃和生態(tài)紅線規(guī)劃識別岸線破壞事件(如違建、種菜、垃圾堆積等)。根據(jù)疑似岸線破壞的坐標(biāo)和影像開展無人機航拍，進行二次查證和快速識別確認(rèn)。經(jīng)人工審核后，系統(tǒng)以工單形式派發(fā)生態(tài)環(huán)境相關(guān)部門，相關(guān)部門取證、執(zhí)法、整改后將情況回報系統(tǒng)。

3.3 水源地保護區(qū)風(fēng)險識別和監(jiān)控

水源地保護的核心是控制風(fēng)險，前提是掌握區(qū)域內(nèi)主要風(fēng)險源?；谏鷳B(tài)眼衛(wèi)片反演和地物分類能力，利用高分一、二、六號衛(wèi)星，高景一號衛(wèi)星等的衛(wèi)片數(shù)據(jù)解析集中式飲用水水源地區(qū)域，梳理一級、二級保護區(qū)內(nèi)水里風(fēng)險(如水生植物、藻類、碼頭、航運、水上加油站等)和岸上風(fēng)險(如排口、化工生產(chǎn)、垃圾堆填等)，按保護區(qū)級別分類梳理形成水源地風(fēng)險檔案，并同步更新保護區(qū)地理信息數(shù)據(jù)庫。發(fā)現(xiàn)疑似違規(guī)現(xiàn)象后報警，報警信息在相關(guān)業(yè)務(wù)部門客戶端提示，并發(fā)送至業(yè)務(wù)人員。

4 生物多樣性監(jiān)控和保護應(yīng)用

4.1 保護區(qū)野生動物生存環(huán)境監(jiān)管能力

1) 保護區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)控。定期利用衛(wèi)片反演技術(shù)和地物分類技術(shù)評價保護區(qū)水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境，及時識別異常區(qū)域(湖面大片死魚、藻類爆發(fā)、植被大片死亡等)和人類破壞情況(排污、垃圾傾倒、土地開發(fā)活動等)。2) 保護區(qū)人類活動監(jiān)控。利用部署的視頻監(jiān)控、運營商/微信提供的手機定位信息，發(fā)現(xiàn)保護區(qū)人類活動線索，鎖定嫌疑人，提供執(zhí)法線索。3) 保護區(qū)食物豐富程度監(jiān)控。在保護區(qū)內(nèi)定期(如季度)利用eDNA技術(shù)普查漁業(yè)資源種類和豐富程度，并對異常情況進行報警。

4.2 野生動物活動監(jiān)測能力

在保護區(qū)建設(shè)監(jiān)控相機，基于非侵入、被動監(jiān)測的360°全景億像素技術(shù)、熱紅外成像技術(shù)、彩色夜視成像技術(shù)對保護區(qū)野生動物進行視頻組網(wǎng)觀測，利用深度學(xué)習(xí)算法識別動物種類，統(tǒng)計出現(xiàn)區(qū)域、出現(xiàn)頻次，記錄其生活習(xí)性和活躍程度。相機拍攝的精彩片段和直播畫面可為保護區(qū)科普宣傳提供第一手素材。

5 結(jié)束語

我國環(huán)境保護要求持續(xù)提高。新時期生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的目標(biāo)主要是說得清現(xiàn)狀，說得準(zhǔn)問題，說得明環(huán)境污染的成因、機理與改善。新型生態(tài)眼監(jiān)測技術(shù)可為大氣環(huán)境、河道提供快速、實時、無死角巡查服務(wù)，利用無人機高光譜影像，結(jié)合地面站點監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工取樣化驗數(shù)據(jù)，通過人工智能反演模型得到流域水質(zhì)、氣質(zhì)分布，從而實現(xiàn)區(qū)域快速普查和評估、水資源監(jiān)測、大氣環(huán)境監(jiān)測等。該技術(shù)在河道水質(zhì)異常調(diào)查、大氣環(huán)境全面普查、生態(tài)調(diào)查中發(fā)揮了重要作用。