聞 亮，李 勝，陳 清，姚文才

(1.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029；2.南京金水尚陽信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210014)

水污染是阻礙人類社會發(fā)展和自然環(huán)境保護的重要難題，伴隨著社會的進步與發(fā)展，環(huán)境保護的重要性逐漸提高，而水質(zhì)監(jiān)測提供的水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)是有效實施保護措施以及控制水污染的決策依據(jù)。因此，實現(xiàn)對湖泊水功能區(qū)水體大范圍快速、有效的監(jiān)測對保障國民用水安全、切實實施水資源管理制度以及推進水生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義[1]。目前，我國各地方環(huán)境保護部門和水利部門大部分采用的是定點定時的監(jiān)測模式[2]，即在水域內(nèi)定點定剖面地進行定時監(jiān)測。但是這種方法存在一定的局限性。如，水質(zhì)樣品基本上都是在固定站在某一固定時間采集獲得，很難真實地反映出水質(zhì)的時空連續(xù)性和動態(tài)分布的特征[3]；無法對以排污口為代表的分散式污染和各類突發(fā)性污染的事件進行實時的監(jiān)控等，這些實際問題在平原河湖的水質(zhì)監(jiān)測中尤為突出。在此背景下，改進水環(huán)境監(jiān)測手段、采取更加有效的數(shù)據(jù)集成管理方法已顯得尤為重要。

近年來，隨著3S(GIS，RS，GPS)、無人機與遙感等技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了多樣化的實時水質(zhì)監(jiān)測方法?？紤]到設(shè)備成本、監(jiān)測效率、應用范圍等多種因素，無人機與遙感技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的無人機遙感技術(shù)是目前比較流行的信息采集手段，該方法具有高時效、高時空分辨率、云下低空飛行、高機動性等優(yōu)勢，可以對實現(xiàn)連續(xù)性的在線水質(zhì)監(jiān)測起重要的輔助作用[4-5]。本文在無人機遙感技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種空地協(xié)同的多源水質(zhì)監(jiān)測信息集成技術(shù)，并選擇太湖作為實驗區(qū)域，旨在尋找高效的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集、集成管理方法，進一步提高水質(zhì)信息分析結(jié)果的準確度與廣泛度，為內(nèi)陸水體采取合適的防治手段提供可靠的決策依據(jù)。

1 無人機遙感監(jiān)測平臺

1.1 無人機遙感的優(yōu)勢

遙感技術(shù)，即非接觸遙感技術(shù)，通過其搭載的傳感器來捕獲地表信息，進而進行數(shù)字化提取來獲取所需要的產(chǎn)品[6]，目前正被廣泛應用于水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域，包括水質(zhì)要素(總磷、總氮、濁度等)的參數(shù)反演以及濃度空間分布圖的建議等，取得了較多的成果[7-9]。但是衛(wèi)星遙感影像易受大氣云層影響，存在影像數(shù)據(jù)獲取周期較長以及時間分辨率約束等問題，無法及時檢測水質(zhì)污染等狀況[10]。隨著無人機技術(shù)的日益普及，無人機遙感技術(shù)應運而生。

無人機遙感技術(shù)是指以無人駕駛飛行器為搭載平臺，搭載數(shù)碼相機、多光譜成像載荷等數(shù)字遙感設(shè)備來進行空中拍攝和記錄，捕獲地表信息，并通過遙感技術(shù)對影像數(shù)據(jù)進行數(shù)字化處理來提取所需要的監(jiān)測信息。與傳統(tǒng)的以衛(wèi)星為平臺的航天遙感相比，無人機遙感具有可在云下低空飛行的能力，可以實現(xiàn)云層下成像，彌補了衛(wèi)星光學遙感和普通航空攝影經(jīng)常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷。同時，無人機不僅能夠從地面幾米高處獲取足夠高分辨率地面影像(可達到厘米級)，還能第一時間獲取資源變化數(shù)據(jù)，實時傳輸影像到地面終端或在較短時間內(nèi)完成整個目標區(qū)域的調(diào)查，其高時效、高時空分辨率特點，也是有固定重訪周期且離地幾百公里的傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感所無法比擬的[11]。此外，機動靈活、體積小、消耗低、監(jiān)控范圍廣、運行成本低、能大量節(jié)省人工監(jiān)測時間等也均為小型無人機遙感的優(yōu)點。無人機遙感作為衛(wèi)星遙感和有人機航空遙感的有益補充，是多尺度遙感家族中的重要成員，為水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測提供了新的技術(shù)手段。

1.2 監(jiān)測平臺構(gòu)成及應用

無人機遙感監(jiān)測平臺是指以無人機為飛行平臺、以各種光學影像傳感器為任務設(shè)備的航空遙感信息獲取平臺，一般由無人機平臺、機載系統(tǒng)與地面數(shù)據(jù)中心三大部分組成[12]，具體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 無人機遙感監(jiān)測平臺的構(gòu)成

其中，無人機屬于飛行平臺，是進行遙感監(jiān)測的載體工具；機載系統(tǒng)包括機載儀器和機載控制系統(tǒng)，用于監(jiān)測信息的采集與傳輸；地面數(shù)據(jù)中心包括地面控制站、地面數(shù)據(jù)接收與處理中心、數(shù)據(jù)管理中心與數(shù)據(jù)處理中心。該監(jiān)測平臺可以完成水質(zhì)遙感信息的自動化、智能化獲取，以及水質(zhì)數(shù)據(jù)的處理、建模、應用分析。

通過無人機遙感監(jiān)測平臺能夠?qū)崿F(xiàn)在城市復雜電磁環(huán)境下的安全飛行，在適應城市河道與內(nèi)陸湖泊水體的各種復雜環(huán)境的基礎(chǔ)上進行無死角飛行監(jiān)測，同時利用機載系統(tǒng)中的各種光學設(shè)備可以獲取表層水體污染情況、沿湖兩岸的各類污染源等信息[13-14]。其具體應用方式為：根據(jù)監(jiān)測需求以及測區(qū)地形等資料，在監(jiān)測區(qū)域設(shè)置采樣點，并對相應的控制點、飛行高度和航攝區(qū)域以及航線等進行擬定，利用無人機搭載多光譜傳感器等光學設(shè)備沿指定線路拍攝監(jiān)測區(qū)域的遙感圖像，對所獲取的圖像進行輻射校正處理得到光譜反射率數(shù)據(jù)，之后可以根據(jù)需求，一方面對獲取的區(qū)域光譜數(shù)據(jù)與水質(zhì)要素(總磷、懸浮物濃度、濁度等)實測數(shù)據(jù)做Person相關(guān)性分析，并擬合構(gòu)建反演模型，使模型可以將獲取的拍攝圖片轉(zhuǎn)換成水質(zhì)要素濃度值(總磷、懸浮物濃度、濁度等)；另一方面可以通過常規(guī)監(jiān)測與光譜測試的結(jié)合，通過分析藻類等污染物在不同濃度下的光譜曲線及其光譜特性相應于聚集密度的變化規(guī)律，實現(xiàn)多光譜成像載荷對于藻類的覆蓋范圍等指標信息的提取。

2 多源水質(zhì)監(jiān)測信息集成體系

無人機遙感作為水質(zhì)監(jiān)測的手段之一，在應用中也存在一定的局限性。通過無人機遙感監(jiān)測可以對水體藻類的覆蓋范圍與密度分級等進行判斷，但難以單單依據(jù)監(jiān)測結(jié)果判定藻類的引發(fā)因素，需要結(jié)合地面調(diào)查數(shù)據(jù)進行進一步分析。而且，為了高度實現(xiàn)無人機巡檢遙感的自動化程度，也需要由平臺依據(jù)對水質(zhì)實測數(shù)據(jù)分析得到的重點觀察區(qū)域來自動劃定計算無人機巡檢范圍。因此，在無人機遙感技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建空地協(xié)同的水質(zhì)監(jiān)測信息集成體系實現(xiàn)多源水質(zhì)監(jiān)測信息的集成，進一步提高水質(zhì)遙感信息的監(jiān)測與分析質(zhì)量，為采取合適的防治手段提供可靠的決策依據(jù)。

構(gòu)建空地協(xié)同的水質(zhì)監(jiān)測信息集成體系，即通過互聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)空基(無人機多光譜監(jiān)測信息)與地基(傳統(tǒng)地面監(jiān)測信息)的集成，包括數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)聯(lián)動等，其體系結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。

圖2 水質(zhì)監(jiān)測信息集成體系結(jié)構(gòu)

2.1 空基

包括無人機飛行平臺模塊和無人機遙感載荷模塊。無人機飛行平臺模塊:搭載有GPS系統(tǒng)、計算機、傳感器、伺服作動等飛控設(shè)備，確保無人機飛行姿態(tài)的穩(wěn)定與控制;無人機遙感載荷模塊：根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測的任務需求，搭載有空中拍照單元、空中攝像單元、多光譜載荷等遙感載荷。

2.2 地基

包括地面光譜采集模塊、地面移動保障模塊、數(shù)據(jù)中心模塊與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模塊。地面光譜采集模塊：用于地面光譜實測數(shù)據(jù)的采集與傳輸;地面移動保障模塊：用于維護數(shù)據(jù)移動通信設(shè)備的正常運行，保證遙感數(shù)據(jù)的傳輸與處理;數(shù)據(jù)中心模塊：用于存儲、管理采集到的空基與地基遙感數(shù)據(jù);互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模塊：用于地面監(jiān)測數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)氣象數(shù)據(jù)等查詢、采集，以及利用互聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)地基數(shù)據(jù)中心模塊與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)共享、交換與聯(lián)動。

該水質(zhì)監(jiān)測信息集成體系利用互聯(lián)技術(shù)對航空(無人機)、地面(人工采樣設(shè)備、自動監(jiān)測站等)等多種多尺度全空域監(jiān)測手段進行信息集成，實現(xiàn)場地輻射定標和交叉定標結(jié)合、同步測量氣象參數(shù)等多源數(shù)據(jù)的共享與分析。通過建設(shè)共享交換數(shù)據(jù)庫(數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理應用分系統(tǒng))，把各類水質(zhì)數(shù)據(jù)按定制的交換規(guī)則同步推送到共享交換數(shù)據(jù)庫，通過應用服務平臺(數(shù)據(jù)交換接口)實現(xiàn)多源水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成與交換，從而提高無人機遙感數(shù)據(jù)的輻射質(zhì)量，進一步保證多尺度監(jiān)測數(shù)據(jù)的高精度要求，實現(xiàn)空地協(xié)同監(jiān)測。

3 應用案例分析

3.1 應用區(qū)域特點與需求

太湖位于長江三角洲的南緣，流域面積3.69萬km2，其中江蘇省境內(nèi)占約53%[15]。作為全國五大淡水湖之一，太湖在淡水供給、水產(chǎn)品養(yǎng)殖等各個方面具有重要的作用，是長江三角洲地區(qū)的重要水源地。近10多年來，隨著太湖地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展，太湖水體受到了不同程度的污染，尤其是水體富營養(yǎng)化程度日益嚴重，如太湖北部的梅粱灣湖區(qū)暴發(fā)過的大規(guī)模的藍藻水華現(xiàn)象，為當?shù)氐纳a(chǎn)和生活造成了非常大的影響，為此內(nèi)陸水體的監(jiān)測和治理得到了越來越多的重視[16]。江蘇省到2011年已完成太湖防治工程1 050個，根據(jù)國家防治太湖的總體方案及江蘇省制訂的實施方案，到2020年，江蘇共要實施近1 800個太湖防治項目。除水體防治工程外，太湖水質(zhì)監(jiān)測也是重要環(huán)節(jié)，湖泊和河流的監(jiān)測不僅可以幫助更好地理解環(huán)境變化對淡水生態(tài)系統(tǒng)的影響，而且能夠為環(huán)境預測提供豐富的信息。因此，提高太湖水體監(jiān)測的范圍和效率成為當前的重要需求。

目前太湖的水體監(jiān)測和湖泛巡查單純依靠船只巡湖模式進行定點定期現(xiàn)場采樣，采集來源于手段過于單一化，且巡查過程中的水質(zhì)信息采集標準化程度低等，導致太湖水體監(jiān)測工作存在著水質(zhì)信息源頭工作復雜度高且水質(zhì)信息處理、管理模式封閉而復雜的問題。在此背景下，改進水環(huán)境監(jiān)測手段，采取更加有效的數(shù)據(jù)采集、集成管理方法已顯得尤為重要。鑒于太湖的水質(zhì)情況與藻類監(jiān)測需求，參照《水質(zhì)采樣方案設(shè)計技術(shù)規(guī)定》，采用本文提出的基于無人機遙感的水質(zhì)監(jiān)測信息集成體系實現(xiàn)多源水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取與同步分析。

3.2 無人機的選型及飛行

考慮到太湖區(qū)域的地形地貌特征，選擇小型無人機為飛行平臺，搭載多光譜相機，低空飛行獲取小范圍、高分辨率、高覆蓋率的多光譜圖像。其中，考慮到國內(nèi)太湖藍藻衛(wèi)星遙感監(jiān)測中公認的特征波段范圍[17]，多光譜相機選用的是美國Mica Sense公司生產(chǎn)的Mica Sense Red Edge。無人機的飛行控制器采用全套慣性傳感器，包括磁場傳感器、陀螺儀、三維加速傳感器等，擁有精準的控制能力，負責處理接入信號，完成航向控制，保障飛行器穩(wěn)定飛行，并控制相機吊架以及相機快門等，其主要性能指標如表1所示。

表1 無人機監(jiān)測平臺主要性能指標

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集區(qū)域位于太湖，根據(jù)地面觀測到的水質(zhì)參數(shù)，在設(shè)定的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)設(shè)置了7個水質(zhì)實測點以及相應的起降點與航行路線。在晴朗無風且視野較好的試驗時間中，利用無人機在監(jiān)測區(qū)域上空拍攝影像數(shù)據(jù)，采用70°向下視角進行飛行拍攝，巡航速度最快可以達到100 km/h。為確保影像較高重疊度及清晰度，預設(shè)飛行相對航高為120 m，航向重疊為90%以上，旁向重疊為50%以上，兩次航飛，南北向共飛行68條航帶。在飛行過程中，為提高無人機影像的清晰度，搭載的相機快門速度設(shè)置為1/1 500 s。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成與分析

需要進行處理、分析的水質(zhì)監(jiān)測信息主要分為無人機遙感數(shù)據(jù)與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)兩部分。無人機遙感數(shù)據(jù)采用與多光譜傳感器配套的軟件對影像進行導出，進行輻射校正后即可得到光譜反射率數(shù)據(jù)[18]。地面監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括水質(zhì)自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)與人工探測儀器采集數(shù)據(jù)，自動監(jiān)測站的綜合性在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠在線連續(xù)監(jiān)測、存儲并遠程傳輸各項水質(zhì)數(shù)據(jù)，而人工測點采集數(shù)據(jù)主要依托物聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，利用嵌入式物聯(lián)網(wǎng)化采集模塊，實現(xiàn)水質(zhì)采集儀器的數(shù)據(jù)存儲與上傳?；跓o人機遙感的水質(zhì)監(jiān)測信息集成體系主要通過TCP/IP將采集的無人機遙感數(shù)據(jù)與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳送到監(jiān)測控制中心，監(jiān)測控制中心將接收到的水質(zhì)數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的分析處理后在應用平臺等界面顯示，以達到實時監(jiān)測的作用。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通道、平臺系統(tǒng)共同完成，監(jiān)測中心通過網(wǎng)絡(luò)向終端發(fā)送一個立即傳送命令，平臺系統(tǒng)對命令進行處理后發(fā)出消息，激活數(shù)據(jù)處理任務，接著發(fā)消息激活網(wǎng)絡(luò)，TCP/IP開始發(fā)送數(shù)據(jù)。這種集成方式不僅實時性好，而且不會占用太多的系統(tǒng)資源和網(wǎng)絡(luò)資源。

基于無人機遙感的水質(zhì)監(jiān)測信息集成體系可以應用于對太湖水體中藻類的覆蓋范圍等指標的提取。通過對所監(jiān)測的太湖水體在紅光、綠光、藍光波段的波譜分析可知，由于葉綠素a的原因，如表2所示，含藍藻水體在綠光波段具有很高的反射率，而在紅光和藍光波段差別不大。同時，通過先驗知識可知生長在水體中的藍藻在540～560 nm、690～720 nm波長的波段具有很明顯的反射率，在430～470 nm，630～660 nm波長的波段具有明顯的吸收[19]。在此理論基礎(chǔ)上，直接采用主流的波段區(qū)間和成像方法進行遙感數(shù)據(jù)分析與藻類提取。

表2 太湖監(jiān)測點部分水質(zhì)要素實測數(shù)據(jù)

圖3為太湖水體遙感信息的藍藻提取圖像，由于礦物質(zhì)離子的原因，水色本身偏綠，在真彩色圖像中，藍藻水華并不明顯，如圖3(a)；利用近紅外波段對于葉綠素高靈敏度的特性，合成彩紅外假彩色圖像，發(fā)現(xiàn)藍藻清晰可見，呈亮紅色，與水體明顯分隔，如圖3(b)；運用光譜信息差異進行圖像分割，并分類后，得到藍藻的覆蓋區(qū)域，如圖3(c)；將提取的覆蓋范圍與真彩色圖像進行疊加，可以觀察水華覆蓋的真實區(qū)域，如圖3(d)。結(jié)果表明，多光譜載荷對于對于藻類的覆蓋范圍等指標有較好的提取能力。通過無人機遙感數(shù)據(jù)確認藻類覆蓋范圍后，根據(jù)互聯(lián)技術(shù)獲取相應地點的自動監(jiān)測站、人工采樣點等數(shù)據(jù)，將水質(zhì)要素(總磷、懸浮物濃度、濁度等)實測數(shù)據(jù)與相應的光譜反射率數(shù)據(jù)結(jié)合進行相關(guān)性分析，對水質(zhì)要素濃度值(總磷、懸浮物濃度、濁度等)以及藍藻引發(fā)因素進行進一步分析與確定。

圖3 水域的藍藻提取圖像

4 結(jié) 語

水質(zhì)監(jiān)測是水質(zhì)評價與水污染防治的主要依據(jù)，尤其對于內(nèi)陸水體，準確、快捷的水質(zhì)監(jiān)測顯得尤為重要。本文在目前應用日益廣泛的無人機遙感技術(shù)的基礎(chǔ)上，一方面充分利用無人機遙感在水質(zhì)監(jiān)測方面的優(yōu)勢，一方面又考慮其數(shù)據(jù)分析成果的局限性，提出了多源水質(zhì)監(jiān)測信息集成體系，重點實現(xiàn)無人機遙感信息與地面采集信息的數(shù)據(jù)集成、交換。選擇太湖作為應用實驗區(qū)域，研究表明，該體系不僅能夠提高無人機遙感數(shù)據(jù)的輻射質(zhì)量，進一步保證多尺度監(jiān)測數(shù)據(jù)的高精度要求，還可以對水質(zhì)監(jiān)測中的水質(zhì)要素濃度值、藻類的覆蓋范圍及成因分析等信息有較好的提取效果，可以廣泛應用于內(nèi)陸水體的水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測與污染預警巡查。