無人機遙感技術(shù)在飲用水源地環(huán)境監(jiān)管中的應(yīng)用研究

周 鑫，張藍月，李 云

（1.貴州綠興清源環(huán)保有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550001；2.貴州科學(xué)院 貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001；3.貴州省環(huán)境工程評估中心，貴州 貴陽 550001）

1 概述

水是生命之源，飲水安全問題事關(guān)群眾的生命安全和健康水平，是最大的民生問題，近年來，隨著我國經(jīng)濟的飛速增長，水資源的開發(fā)利用程度也在不斷加大，飲水安全問題面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

飲用水源地保護是保證飲水安全的基礎(chǔ)，受到了相關(guān)部門的高度重視，為了防止飲用水源地污染、保障水源水質(zhì)，因此對飲用水源地一定范圍的水域和陸域劃定了保護區(qū)，并且出臺了《中華人民共和國水污染防治法》《關(guān)于答復(fù)全國集中式飲用水水源地環(huán)境保護專項行動有關(guān)問題的函》等一系列文件，對水源地保護區(qū)明確了相關(guān)污染防治要求。

飲用水源地普遍存在數(shù)量多、分布散、范圍大的問題，現(xiàn)有的監(jiān)管人員無法對管理區(qū)域進行有效地覆蓋[1-2]，尤其在貴州，飲用水源地多分布在交通不便的山區(qū)，在監(jiān)管人員有限，現(xiàn)場檢查和踏勘受道路條件受環(huán)境限制較大的情況下，各級管理部門無法快速、全面、準(zhǔn)確地掌握飲用水源地內(nèi)存在的環(huán)境問題；加之飲用水源地的保護與管理是一個動態(tài)變化的過程，為了掌握水源地內(nèi)最新的情況，需要持續(xù)性地做動態(tài)調(diào)查，這對管理部門而言，無疑是難上加難。

2 無人機技術(shù)簡介

無人機遙感技術(shù)是將無人駕駛飛行器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)集于一體的技術(shù)，根據(jù)實際應(yīng)用需要，可選擇不同類型傳感器，快速、高效采集遙感信息，經(jīng)內(nèi)業(yè)處理后獲取所需數(shù)據(jù)的一項新興航空遙感綜合技術(shù)，因其具有智能化、專業(yè)化、自動化、高效化等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于國土、林業(yè)、生態(tài)環(huán)境等多個領(lǐng)域[3-5]。無人機遙感系統(tǒng)主要由飛行平臺、飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)及任務(wù)設(shè)備等組成。

2.1 飛行平臺

無人機設(shè)備的航行舞臺為無人機設(shè)備本體，是搭載導(dǎo)航器、傳感器等裝置的重要載體。飛行平臺上可以攜帶各種多任務(wù)裝置，獲得的遙感數(shù)據(jù)，還可以使用機載和地面系統(tǒng)，對遙感影像進行自主拍攝與提取，同步完成航跡的規(guī)劃與監(jiān)測、信息數(shù)據(jù)的自動傳送、影像預(yù)處理等操作。

2.2 飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)

空中航行與監(jiān)控是保障空中系統(tǒng)在正常狀態(tài)運行的基礎(chǔ)，包括空中操控板、慣性導(dǎo)航裝置、GPS接收器、氣壓傳感器、空速傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等單元。目前大部分無人機都配備了自主駕駛儀，無人機飛行后，可以根據(jù)制定好的路線自行運行，無須人為管理。

2.3 地面控制系統(tǒng)

地面監(jiān)視系統(tǒng)主要由無人機遙控器、地面供電系統(tǒng)、監(jiān)控電腦和監(jiān)視軟件等部分構(gòu)成，用于時刻監(jiān)控?zé)o人機設(shè)備的工作狀況，其主要功用是：由地面監(jiān)測站通過傳輸系統(tǒng)向空中的導(dǎo)航設(shè)備和操控人員發(fā)送數(shù)據(jù)和操控命令；收集、保存、播放無人機設(shè)備的高程、空速、地速、位置、航向、航跡、航行姿勢等各種數(shù)據(jù)信息；指示任務(wù)設(shè)備工作狀況，并表示發(fā)電機速度、機載電源電壓等各種數(shù)據(jù)信息；當(dāng)機上電池電壓不夠、GPS衛(wèi)星失鎖、發(fā)電機停止、無人機設(shè)備失速、飛機姿態(tài)數(shù)據(jù)等差錯過點時，發(fā)出報警提示。

2.4 任務(wù)設(shè)備

無人機任務(wù)設(shè)備，是指收集遙感數(shù)據(jù)的感應(yīng)器及遙控設(shè)備，工作時一般會被固定地放置于無人機機身的任務(wù)倉內(nèi)。遙感傳感器的測控設(shè)備，一般為飛行器導(dǎo)航和控制一體化設(shè)計，具備控制載荷的定時管理工作、等時間間隔管理工作和等距離間歇工作等功能，并可記錄飛行器工作時在航行平臺的經(jīng)緯線、高程，以及飛行器姿勢（如橫滾角、俯視角航向角）等數(shù)值。

3 研究方法

3.1 獲取飲用水源地模擬的一、二級保護區(qū)范圍

飲用水源地保護區(qū)范圍涉密，因此，研究通過現(xiàn)場踏勘的方式，赴某飲用水源地現(xiàn)場，通過現(xiàn)場咨詢當(dāng)?shù)卮迕竦姆绞酱_定該水源地的取水口，以取水口為中心，向四周外擴750 m作為該水源地模擬的一、二級保護區(qū)范圍。

3.2 獲取飲用水源地模擬的一、二級保護區(qū)正射影像

使用大疆御Mavic2行業(yè)版無人機對該水源地模擬的一、二級保護區(qū)進行航飛，并利用ContextCapture軟件處理航飛成果，從而獲得該水源地模擬的一二級保護區(qū)正射影像。航飛前對相關(guān)飛行參數(shù)進行設(shè)定，包括航飛路線（設(shè)定為飲用水源地模擬的一、二級保護區(qū)范圍），航飛高度（設(shè)定為150 m），航速（設(shè)定為25 km/h），航向重疊度（設(shè)定為60%），旁向重疊度（設(shè)定為40%），航飛時間段選取在上午10點至下午15點之間[6]。

3.3 解譯土地利用類型

利用Arcgis軟件，通過目視解譯的方式，對飲用水源地正射影像進行全類型解譯，解譯的用地類型包括農(nóng)用地、種植園地、人工開發(fā)及人工設(shè)施、林地、其它自然地類、旅游用地、開采用地、工業(yè)用地、居民地、能源設(shè)施、交通設(shè)施用地、道路、水體、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水工設(shè)施、畜禽養(yǎng)殖、裸地等17類用地類型。

3.4 提取疑似問題類型圖斑并實地復(fù)核

根據(jù)解譯成果，提取人工開發(fā)及人工設(shè)施、旅游用地、開采用地、工業(yè)用地、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水工設(shè)施、畜禽養(yǎng)殖等7類用地類型，作為疑似問題類型圖斑并獲取各圖斑經(jīng)緯度信息，通過實地復(fù)核的方式驗證解譯成果，并提出無人機遙感技術(shù)在飲用水源地環(huán)境監(jiān)管應(yīng)用的建議與結(jié)論。

4 研究結(jié)果

4.1 飲用水源地模擬的一、二級保護區(qū)正射影像

如圖1所示，是使用大疆御Mavic2行業(yè)版無人機航飛及ContextCapture處理后的某水源地模擬的一、二級保護區(qū)正射影像。

圖1 某水源地模擬的一、二級保護區(qū)正射影像

4.2 土地利用類型

如圖2所示，是利用Arcgis軟件解譯形成的土地利用類型圖，模擬的飲用水源保護區(qū)內(nèi)，主要土地利用類型包括農(nóng)用地、種植園地、人工開發(fā)及人工設(shè)施、林地、工業(yè)用地、居民地、道路、水體、畜禽養(yǎng)殖、裸地等。

圖2 某水源地模擬的一、二級保護區(qū)土地利用類型圖

4.3 提取疑似問題類型圖斑并實地復(fù)核

根據(jù)土地利用類型解譯成果，提取可能與環(huán)境管理要求不符的用地類型（選取人工開發(fā)及人工設(shè)施、旅游用地、開采用地、工業(yè)用地、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水工設(shè)施、畜禽養(yǎng)殖等7類用地類型進行研究），共識別出疑似問題類型圖斑6處，經(jīng)實地復(fù)核后發(fā)現(xiàn)，解譯正確數(shù)量為5處，解譯正確率為83.33%，詳見表1。

表1 實地復(fù)核用地類型與解譯用地類型對比表

4.4 結(jié)論

研究認(rèn)為，將無人機遙感技術(shù)應(yīng)用在飲用水源地的環(huán)境監(jiān)管是可行的，且利用無人機遙感技術(shù)可以全面、高效、低成本地發(fā)現(xiàn)飲用水源地內(nèi)可能與環(huán)境管理要求不符的用地類型，為后續(xù)人工實地復(fù)核提供精準(zhǔn)的點位信息，便于全面摸清水源地內(nèi)與管理要求不符的各類問題。

5 研究前景

在新時代下，隨著社會經(jīng)濟的增長以及城市化進程的加快，環(huán)境監(jiān)測作為環(huán)境監(jiān)管的有效抓手，其重要性不言而喻。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測手段監(jiān)測周期長，監(jiān)測范圍小，缺乏時空上的連續(xù)性，難以全面、及時地反映環(huán)境質(zhì)量狀況及動態(tài)變化情況，不能滿足現(xiàn)代化社會的需求。無人機遙感技術(shù)是繼傳統(tǒng)航空、航天遙感平臺之后的第三代遙感技術(shù)。它可以迅速掌握地形、資源、自然環(huán)境等遙感數(shù)據(jù)，并根據(jù)工作需要對遙感數(shù)據(jù)進行加工處理，獲得與工作目的相關(guān)的成果數(shù)據(jù)。無人機遙感系統(tǒng)機動、快速、經(jīng)濟等特點，適合目前生態(tài)環(huán)境管理部門監(jiān)管工作的新需求，已逐步在實際工作中獲得應(yīng)用，但目前無人機遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)管方面的應(yīng)用不夠全面，有較多方面可進行嘗試及應(yīng)用。

5.1 水環(huán)境監(jiān)測

無人機遙感技術(shù)在水質(zhì)檢測的方面已有初步應(yīng)用，利用無人機搭載多光譜相機航飛形成多光譜影像，通過反演可以測算出水體的懸浮物指數(shù)、高錳酸鹽指數(shù)富營養(yǎng)化情況（葉綠素a、總磷、總氮）等，并形成專題圖件，從面上掌握區(qū)域內(nèi)水體水質(zhì)現(xiàn)狀，再進行現(xiàn)場人工檢測工作，可以更具針對性且節(jié)約成本，并能夠發(fā)現(xiàn)并解決問題。如章佩麗等人以臺州市兩條河道作為研究對象，利用無人機搭載多光譜相機獲得河道多光譜圖像，對河道水體的高錳酸鹽指數(shù)、總磷（TP）、總氮（TN）進行了研究。陳瑜云等人利用無人機搭載多光譜相機獲得蘇州市蘇東河多光譜圖像，對水體的總磷，氨氮，高錳酸鹽指數(shù)和PH進行了研究[7-8]。

5.2 大氣環(huán)境監(jiān)測

國內(nèi)將無人機技術(shù)應(yīng)用于大氣環(huán)境污染物的研究工作起步相對較晚，目前主要進行常規(guī)的大氣環(huán)境參數(shù)（主要有CO、NO2、SO2、O3、VOC、細(xì)顆粒物含量等）檢測工作，主要通過在無人機上搭載氣體傳感器，在指定區(qū)域內(nèi)進行大范圍的巡視，獲取污染因子實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。隨著科技的進步，氣體傳感器的精度越來越高，尤其是光離子化檢測器的氣體傳感器，其檢出限、精度可達ppb級別，在一定程度上滿足了監(jiān)測大氣污染物濃度的要求。如陳慧敏等人利用無人機監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測了深圳市部分區(qū)域不同高度（30 m、50 m、100 m）的PM2.5、PM10、O3濃度。山東逸飛無人機科技有限公司綜合利用無人機、傳感器采集區(qū)域內(nèi)大氣污染物數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS并形成系統(tǒng)平臺，建成全方位的區(qū)域大氣監(jiān)測系統(tǒng)[9-10]。

5.3 土壤環(huán)境監(jiān)測

土壤是人類生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，社會經(jīng)濟建設(shè)遺留下了較多的歷史土壤問題，土壤污染的范圍界定較困難，且土壤重金屬污染檢測存在成本高、周期長且可能產(chǎn)生二次污染等問題，傳統(tǒng)的排查方式難以達到目的。而利用無人機搭載XRF分析儀采集數(shù)據(jù)后，通過反演可快速獲得區(qū)域范圍內(nèi)土壤重金屬含量，形成專題圖，從面上快速掌握較大區(qū)域內(nèi)土壤重金屬含量情況。如楊浩等人利用無人機搭載XRF分析儀等設(shè)備建立了一套土壤重金屬快速檢測系統(tǒng)，并取得較好的實驗成果[11]。

5.4 突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急監(jiān)測

突發(fā)環(huán)境污染事件具有發(fā)生突然、擴散迅速、污染物不明、危害嚴(yán)重及處理困難等特點，在實施環(huán)保應(yīng)急調(diào)查任務(wù)過程中，傳統(tǒng)的處理方式難以安全、快速、清晰的掌握現(xiàn)場狀況，而無人機設(shè)備能夠突破交通不便、氣象威脅等惡劣條件，迅速抵達人員所無法進入的污染事件所在空域，通過搭載的攝影器材記錄事故現(xiàn)場狀況，同時利用傳輸系統(tǒng)將圖像資料即時傳回決策機構(gòu)，使管理者第一時間了解事件的環(huán)境污染狀況，以及其產(chǎn)生在事件中的環(huán)境敏感因素狀況，為管理人員指明決策依據(jù)。如遼陽市建成突發(fā)性重大環(huán)境污染事故，無人機監(jiān)控應(yīng)急集成系統(tǒng)，及時獲取污染應(yīng)急事故的最基礎(chǔ)、最準(zhǔn)確、最及時的信息，便于管理部門及時作出處置決策。四川省也以“天府衛(wèi)士-2018”核與輻射環(huán)境應(yīng)急專項演習(xí)為例，利用無人機搜尋疑似放射失控區(qū)域的污染源[12-13]。