桓仁水庫風(fēng)險(xiǎn)源無人機(jī)遙感解譯

李 崇

(遼寧省生態(tài)環(huán)境保護(hù)科技中心，遼寧 沈陽 110161)

生命起源于水，人類擇水而居，水資源一直都是人類基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源。無論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活，還是國防建設(shè)、生態(tài)建設(shè)，都需要充足、優(yōu)質(zhì)的淡水水源。

桓仁水庫是遼寧省最大的水庫，是一座以發(fā)電為主，兼顧飲用水源、防洪灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖的綜合多功能大型水庫。桓仁水庫在大伙房水庫上游，屬于大伙房水源保護(hù)區(qū)的重要部分，承擔(dān)著遼寧省12個(gè)城市2300萬人口的供水任務(wù)。因此，確?；溉仕畮焖|(zhì)安全有著重大的戰(zhàn)略意義，飲用水源風(fēng)險(xiǎn)排查正是一種有效的預(yù)防手段[1]。

對(duì)比傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)源排查，無人機(jī)監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯：直觀、可視化，無人機(jī)產(chǎn)生的高分辨率影像可以直觀識(shí)別污染源、污染口、可見漂浮物等，并生成分布圖，為環(huán)境評(píng)價(jià)和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)；快速高效，對(duì)于突發(fā)事件，無人機(jī)可立即對(duì)大范圍內(nèi)的監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，單臺(tái)無人機(jī)日監(jiān)控能力可達(dá)200～320元·km-2，監(jiān)測(cè)結(jié)果可在短時(shí)間內(nèi)生成高清影像數(shù)據(jù)、水體透明度等專題數(shù)據(jù)，為環(huán)境保護(hù)工作提供決策支持；大尺度、宏觀，無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)不同高度的高空間、大區(qū)域監(jiān)測(cè)，也可實(shí)現(xiàn)低空間、小區(qū)域監(jiān)測(cè)，可同時(shí)多架次監(jiān)測(cè)數(shù)萬平方公里，通過多光譜分析，還可以得到大面積的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將面積信息與傳統(tǒng)的點(diǎn)信息結(jié)合起來，從而為整個(gè)區(qū)域的宏觀環(huán)境評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

本文通過無人機(jī)對(duì)桓仁水庫周邊風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行全面排查，以期及時(shí)更新風(fēng)險(xiǎn)源信息，提升水源保護(hù)區(qū)管理能力。

1 桓仁水庫概況

1.1 地理位置

桓仁水庫是遼寧省最大的水庫，在桓仁縣境內(nèi)，建于1968年，坐標(biāo)范圍為E125°20′～125°50′，N41°10′～41°36′，位于遼寧省東南部渾江流域中下游，橫跨遼寧、吉林2省的桓仁、通化、集安3縣轄區(qū)[2]。

1.2 水文特征

桓仁水庫為河道型大Ⅰ型水庫，主要功能為蓄水與發(fā)電，兼顧灌溉、防洪、養(yǎng)魚。水庫全長81km，水深10～15m，控制流域面積10400km2，總庫容量34.6億m3?；溉仕畮熘兴膩碓粗饕獮闇喗?，其它還有新開河、富爾江等7條河流。集水區(qū)年平均降水量895mm，年平均流量45.4×108m3。水庫水體年平均溫度10.8℃，封冰期4個(gè)月。水庫含沙量低，平均含沙量為0.71kg·m-3[3,4]。

2 航拍平臺(tái)及參數(shù)

2.1 航拍平臺(tái)

航拍平臺(tái)采用成都縱橫CW-15垂直起降型無人機(jī)，見圖1。CW-15純電動(dòng)垂直起降固定翼無人機(jī)系統(tǒng)，垂直起降、全自主飛行，操作簡(jiǎn)單；可配置多個(gè)任務(wù)模塊艙，根據(jù)實(shí)際需求任務(wù)載荷等；機(jī)身結(jié)構(gòu)高度模塊化，各連接結(jié)構(gòu)全部采用快鎖裝置；旋翼機(jī)臂采用折疊設(shè)計(jì)，無需拆卸，電氣和機(jī)械連接一次同步，進(jìn)一步提高可靠性和便捷性。

2.2 性能特點(diǎn)

2.2.1 一機(jī)多用

一個(gè)飛行平臺(tái)可配置多個(gè)任務(wù)模塊艙，根據(jù)任務(wù)需求更換正射相機(jī)、五拼傾斜攝影相機(jī)、多光譜、高光譜、航磁、光電吊艙與圖傳等，方便輸出多種數(shù)據(jù)成果，且能節(jié)約新增飛行平臺(tái)費(fèi)用。

圖1 CW-15無人機(jī)

2.2.2 長航時(shí)

搭載正射或傾斜設(shè)備，最高航時(shí)達(dá)到160min。

2.2.3 高原性能

可在4500m海拔正常起飛，巡航高度可達(dá)6500m。

2.2.4 大載重

最大任務(wù)載荷能力高達(dá)2.5kg。

2.2.5 折疊機(jī)臂

旋翼機(jī)臂無需拆卸，通過折疊設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高可靠性和便捷性。

2.2.6 垂直起降

大大減小對(duì)場(chǎng)地、彈射架、降落傘等依賴，作業(yè)場(chǎng)地適應(yīng)廣。

2.2.7 全自主起飛

無需遙控器，一鍵起降，安全簡(jiǎn)便，降落精度10cm以內(nèi)。

2.2.8 RTK/PPK

標(biāo)配實(shí)時(shí)差分和事后差分2種模式同時(shí)使用，實(shí)時(shí)差分主要用于厘米級(jí)精準(zhǔn)自主垂直降落，后期差分主要用于輸出高精度POS數(shù)據(jù)，確保減少50%～80%像控點(diǎn)。

2.2.9 效率高

最大作業(yè)續(xù)航時(shí)間可達(dá)2.5h，單架次可以完成6km2以上(1∶500比例尺)；10～15km2(1∶1000比例尺)；20～25km2(1∶2000比例尺)航測(cè)任務(wù)。

2.2.10 姿態(tài)好

氣動(dòng)設(shè)計(jì)通過嚴(yán)格的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，飛行控制采用總能量自適應(yīng)算法，確保姿態(tài)穩(wěn)定，方便生成DLG成果。

2.2.11 曝光同步

曝光同步模塊確保曝光延時(shí)控制在10ms以內(nèi)。

2.2.12 模塊化設(shè)計(jì)

使用插銷、卡扣、自鎖裝置，無需任何工具即可完成無人機(jī)拆裝。

2.2.13 雙GPS多冗余設(shè)計(jì)

確保飛行過程中若主差分GPS出現(xiàn)異?？梢云交袚Q到備份GPS，保障飛行安全。

2.2.14 雙磁羅盤多冗余設(shè)計(jì)

確保飛行過程中若內(nèi)置磁羅盤出現(xiàn)異?？梢云交袚Q到備份外置磁羅盤，保障飛行安全。CW-15具體相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 無人機(jī)參數(shù)

2.3 航拍參數(shù)

航拍時(shí)間2021年10月19—23日，飛行高度950m。利用武漢航天遠(yuǎn)景公司攝影測(cè)量軟件進(jìn)行影像拼接與處理，生成保護(hù)區(qū)的正射影像。

3 疑似風(fēng)險(xiǎn)源遙感解譯

3.1 風(fēng)險(xiǎn)源分類

根據(jù)實(shí)際工作需要，風(fēng)險(xiǎn)源具體分為工業(yè)企業(yè)、畜禽養(yǎng)殖、污水處理廠、加油站、醫(yī)療院所、橋梁、垃圾填埋場(chǎng)、采礦企業(yè)和其它。

3.2 解譯過程

采用目視解譯方式，即使用眼睛目視觀察，憑借解譯人員的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和掌握的相關(guān)資料，通過大腦分析、推理和判斷，提取有用的信息。具體步驟：將已有風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)據(jù)和航拍正射影像疊加；參考風(fēng)險(xiǎn)源目標(biāo)處影像的位置、布局、顏色、色調(diào)、大小、形狀、陰影、紋理、圖案等信息，建立目標(biāo)水源地風(fēng)險(xiǎn)源解譯標(biāo)志；完成整個(gè)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)源解譯。通過遙感解譯提取桓仁水庫內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)源圖斑，利用航拍影像和衛(wèi)星影像解譯桓仁水庫的疑似風(fēng)險(xiǎn)源。

3.3 解譯結(jié)果

桓仁水庫疑似風(fēng)險(xiǎn)源清單具體見表2。

表2 桓仁水庫疑似風(fēng)險(xiǎn)源清單

續(xù)表 桓仁水庫疑似風(fēng)險(xiǎn)源清單

根據(jù)表2可以看出，桓仁水庫周邊疑似風(fēng)險(xiǎn)源共68個(gè)，全部為小型養(yǎng)殖企業(yè)和工業(yè)企業(yè)。風(fēng)險(xiǎn)源示意分布情況和詳情見圖2、圖3。

圖2 桓仁水庫疑似風(fēng)險(xiǎn)源示意圖

圖3 桓仁水庫疑似風(fēng)險(xiǎn)源詳圖舉例

4 總結(jié)

本文利用無人機(jī)遙感對(duì)桓仁水庫周邊所有疑似潛在風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行了初級(jí)篩查，列出風(fēng)險(xiǎn)源清單，疑似風(fēng)險(xiǎn)源共68個(gè)，主要為小型養(yǎng)殖企業(yè)和工業(yè)企業(yè)。今后應(yīng)按照實(shí)地調(diào)研等方式，進(jìn)一步明確和完善養(yǎng)殖企業(yè)和工業(yè)企業(yè)的種類、運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)污類別、排污量和排污去處等信息。風(fēng)險(xiǎn)源排查大大縮短了時(shí)間成本，進(jìn)一步證明了無人機(jī)監(jiān)測(cè)的可行性，為將來水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)常規(guī)監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)手段。