無人機高分辨率影像在長江支流排污口解譯中的應用

沈梁濤 周偉鋒

(浙江中測新圖地理信息技術有限公司, 浙江 德清 313200)

0 引言

長江是我國的母親河、長江經濟帶成為我國經濟的金腰帶,但隨著我國社會經濟的高速發展,對土地、河流高強度的開發利用,重化工企業遍布長江兩岸。我國大江大河正面臨著嚴重的環境污染問題,生態環境形勢嚴峻、水污染問題嚴重突出[1]。

治理好長江對中華民族偉大復興具有十分重大的意義。為全面落實“共抓大保護、不搞大開發”的戰略要求,生態環境部以改善長江流域水環境質量為核心,以全面排查整治入河排污口為目標,已于2019年在全國范圍內開展長江入河排污口排查整治工作。旨在用兩年時間全面摸清長江干流、主要支流的排污口底數。排污口是污染物進入河流的最后關口,因此，摸清排污口總數,掌握排污口位置信息是長江治理的首要問題。

本研究通過無人機(Unmamned Aerial Velide,UAV)獲取測區內像片,制作高精度高分辨率數字正射影像[2],從中提取測區內疑似排污口信息,并通過外業實地排查最終確定長江一二級支流入河排污口的位置和總數。這無疑為無人機高分辨率影像在排污口解譯中的應用起到了推進作用。

1 長江排污現狀及主要問題

1.1 排污現狀及排污口分布

長江流經青海、西藏、重慶、安徽、江蘇、上海等11個省、自治區、直轄市,涉及岸線2.4萬km[3]。據統計長江流域的廢水、化學需氧量、氨氮排放量分別占全國的43%、37%、43%[4],排污口分布較廣,生態形勢嚴峻。

我國民族大散居、小聚居的人口分布模式又使得城鎮生活排污口、工業生產排污口、農業排污口分布較為分散;有些企業為逃避審批與責任,將一部分排污口設置得非常隱蔽,這些都增大了排查難度。

1.2 人手不足,人工實地排查難度大

我國基層生態環境部門正面臨人員編制較少,工作強度大、技術能力薄弱、專業裝備缺乏等問題,從而對一些違法行為,因為無法及時取證而錯過最佳時機。

隨著遙感技術的發展,高分辨率影像應用于生態環境調查技術日趨成熟[7],利用無人機遙感技術制作數字正射影像圖,再基于影像圖解譯出疑似排污口結合現場排查,可以大大減少人工徒步實地巡查的時間。可以說以無人機航測為主的一級排查是打好長江保護修復攻堅戰的前哨戰。

2 排污口排查要求

2.1 排污口定義

根據《入海(河)排污口分類命名、編碼規則》,將排污口分為8大類:(1)工業企業排口;(2)污水集中處理設施排口;(3)農業農村和城鎮排口;(4)雨洪徑流排口;(5)溪流溝渠河港設施排口;(6)礦井排口;(7)港口碼頭排口;(8)其他排口。

2.2 排污口范圍

按照長江一二級支流入河排污口項目技術要求,無人機航測范圍為長江一級與二級支流水系統，范圍是從河流兩側岸線邊界分別往河面方向延伸100 m,如河面寬度小于200 m,則航測范圍應覆蓋整個河面,長江一級支流水系從河流兩側岸線邊界分布往陸地方向延伸1 000 m,長江二級支流水系從河流兩側岸線邊界分布往陸地方向延伸500 m。

2.3 影像解譯要求

疑似排污口解譯主要分為疑似點位和敏感區域兩個部分,疑似點位主要包括:飛行范圍內直接或間接向長江一級、二級支流河排放水體的涉水排口,包括所有在用、備用、停用的管道，涵洞、溝渠、隧洞或溢流形式進入水體的入河口,所有間歇性使用的排澇站、排灌站、抗旱溝渠等承擔特殊功能入河口;所有直接流向長江一級、二級支流的自然河流、溪流入河口。

敏感區域主要包括:飛行范圍內跨河、路、橋、碼頭、灘涂、林地等涉水區域,以及未直接發現疑似點位的工業集中區和工業企業。

3 解決方案

本文以安徽省長江一二級支流入河排污口排查項目為案例,詳細介紹無人機高分辨率遙感影像在排污口解譯中的應用,項目技術路線詳見圖1。

圖1 項目技術路線

3.1 無人機航空攝影

因河流范圍為條帶狀,為減少外業像控點數量,提高作業效率,航攝飛行平臺需裝配全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)/慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)系統,獲得高精度的定位定姿系統(Position and Orientation System, POS)數據。無人機航線可沿河流岸線布設,大型離岸島嶼單獨設計。為能保證影像清晰、像片無大面積陰影,無人機航攝時間應選擇當地正午前后各1 h內,且避免在漲潮時段。太陽高度角應滿足平地區域太陽高度角大于20°,山地區域太陽高度角大于40°[8]。

本項目采用ZC-3VS垂直起降無人機搭載經檢校的索尼A7R2全畫幅相機獲取優于0.1 m的原始影像,該飛行平臺具有續航時間長、抗風性能強、定位精度好、拍攝效率高等特點。

3.2 內業成圖

影像后期處理軟件采用遙感影像一體化測圖系統TopGrid軟件結合像控點進行常規的空三加密。該系統只需少量人工干預,利用群體智能與正反饋特點的算法來自動生成正射影像的鑲嵌線,保證鑲嵌線能避開正射影像上建筑物投影差的區域及局部色差大的區域,保證地物影像的完整性。

3.3 解譯方案

排污口解譯是整個項目的核心內容,采用人機交互式解譯的方式,正射影像制作完成后即展開內業數據初步解譯工作[9],結合入河排污口的紋理、形狀、顏色、周圍環境等特征,利用ArcGIS軟件提取排污口疑似點位,在屬性表字段中填寫排污口行政區劃代碼、經緯度、河流名稱、河流等級、問題類型等基本信息,形成排污口初步排查清單。

解譯過程中所有排污口都需要解譯,要做到影像圖范圍內“有口皆查、應查盡查”。但解譯過程中不需要進行排污口分類,解譯技術人員在影像解譯中不能只關注工業排污口,而把雨洪口、河汊、溝渠、養殖等排污口當作“非排污口”。

4 排污口解譯

4.1 組織培訓、統一認知

全面解譯前,需組織技術人員學習排污口解譯要點與典型特征分類,必要時進行現場踏勘,提高技術人員對排污口的認知,從而提高工作效率。

4.2 排污口樣本采集

建立排污口解譯典型特征分類樣本數據庫,便于解譯人員在解譯過程中尋找規律,幫助解譯人員更快掌握排污井解譯要點。

4.2.1明顯特征解譯

一般情況下,入河排污口有涵洞、管道、泵站、溝渠和排澇站等幾種形式,這些工程由于本身體量大、特征明顯,根據無人機拍攝的高清影像可準確辨別[10],如圖2所示。

圖2 涵洞排污口

4.2.2沖刷痕跡解譯

部分隱蔽排污口往往會被植被或其他覆蓋物遮蔽,此時可在影像上仔細觀察周圍有無流水痕跡或沖刷痕跡,以此來作為隱蔽排污口的尋找方法。如正在排污,會有明顯的水流,如圖3所示;不排污,排口附近地面會因持續的水流沖刷而顯現明顯不同于附近地面的顏色,此時該處可判別為疑似排污口，如圖4所示。

圖3 正在排水的排污口

圖4 沖刷痕跡的排污口

4.2.3水產養殖排污口解譯

長江一二級支流旁存在很多水產養殖集中區,由于用水需求量大,養殖戶利用泵站或水泵等設備經埋設在田埂中的主管道與各養殖塘中的水進行交換。此類排口數量眾多,在解譯時只需解譯水產養殖集中區與外界水體交換的主要排口,對于養殖塘之間的、集中區內養殖塘與內部水網的水交換口子,不用標記解譯。

4.2.4鄉村生活排污口解譯

沿河農村居民會在河邊修筑排水管道,家用生活污水經管道直接排入河流中,在解譯時需標記鄉村生活污水統一集中排放的排污口;對同一排污單位有多個排污口的,將多個排污口集中統一為一個排污口進行標記。

4.2.5正在施工排口

由于影像拍攝時間與人工現場排查時間有間隔,導致最終出現的影像中該排污口正在施工或未動工而人工現場排查時已竣工的情況,此時在解譯時需在屬性表備注中注明正在施工。

4.3 加固垂直岸線排污口解譯

本次排查范圍內存在大量人工加固垂直河堤,部分垂直河堤下的排污口在數字正射影像圖中由于垂直投影而無法識別。可調取相鄰影像帶有側方視角的原始遙感影像輔助解譯,必要時可在測圖系統中恢復立體,進行解譯,如圖5所示。

圖5 垂直河堤排污口實景圖

4.4 敏感區域排污口解譯

所謂敏感區域,一般是指隱蔽區域,如橋下、水下、林下等無人機無法獲取(圖6),可能存在隱蔽排污口的區域;以及港口碼頭、工業聚集區、人口集中區等排污口集中分布的重點區域[11],敏感區域是人工排查時的重點對象,需格外注意。

圖6 隱蔽區域排污口實景圖

4.4.1工業聚集區域

對工業園區或工業聚集區附近極易出現排污口,在解譯時應仔細觀察,對未直接發現疑似排污口的工業集中區和工業企業在該片區上方標注敏感區域,現場人工排查時應重點關注,確保無遺漏。

4.4.2港口碼頭區域

港口碼頭解譯時,需注意兩個方面:一是碼頭后方堆場和辦公區是否有排污口,二是碼頭前沿是否存在水下空洞或者管道,如被輪船遮擋可標記為敏感區域。

4.4.3規模化畜禽養殖區域

在解譯時,發現影像圖范圍內存在規模化養殖畜禽的,應標記為敏感區域。

解譯完成后在屬性表的問題類型字段中填寫疑似點位或敏感區域,再在其他字段填寫相應信息,如:行政區域代碼、經緯度、河流名稱等。

4.5解譯結果

安徽省長江一二級支流入河排污口排查項目測區面積共2 549 km2,內業解譯共解譯出8 303個疑似排污口點位,經過為期1個月的人工實地核查,解譯成功率高達80%。

數字正射影像水平定位精度采用在正射影像上提取特征點位坐標值與檢查點坐標值進行對比的方式,驗證后數字正射影像水平定位精度在0.4 m,滿足精度要求。

5 結束語

安徽省長江一二級支流排污口排查項目的檢驗證明,內業解譯排污口成功率在80%以上。充分說明以無人機獲取的高分辨率影像內業解譯疑似排污口,再結合人工現場重點排查的方式,能滿足精確識別排污口的要求,為后期開展排污口的分類、定性、信息表的調查填報奠定了可靠的基礎。

0.1 m無人機高分辨率影像精度經檢查點檢驗,平面精度可達0.4 m,完全能滿足甲方對排污口實地定位的精度要求(1 m);工作效率與人工實地排查相比,排查周期可縮短2/3。實踐證明該技術同樣能應用于黃河等其他河流及海岸線排污口排查的要求。

低空無人機獲取影像的地面分辨率遠高于我國現有的衛星遙感影像分辨率(約0.5 m),而且機動靈活、獲取方便,這種優勢不但體現在對細小直徑排污口的識別、發現上,也可同樣應用于松樹病蟲害的監測發現、水域調查及變化范圍的劃定、地質災害隱患點的監測以及違章建筑的監測等項目,發揮出難以取代的重要作用。