無人機遙感技術在飲用水源地環境監管中的應用研究

周 鑫，張藍月，李 云

（1.貴州綠興清源環保有限責任公司，貴州 貴陽 550001；2.貴州科學院 貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001；3.貴州省環境工程評估中心，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，隨著我國經濟的飛速增長，水資源的開發利用程度也在不斷加大，飲水安全問題面臨嚴峻的挑戰。

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

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

2 無人機技術簡介

無人機遙感技術是將無人駕駛飛行器技術、遙測遙控技術、通訊技術、遙感傳感器技術、GPS差分定位技術和遙感應用技術集于一體的技術，根據實際應用需要，可選擇不同類型傳感器，快速、高效采集遙感信息，經內業處理后獲取所需數據的一項新興航空遙感綜合技術，因其具有智能化、專業化、自動化、高效化等優點，已被廣泛應用于國土、林業、生態環境等多個領域[3-5]。無人機遙感系統主要由飛行平臺、飛行導航與控制系統、地面控制系統及任務設備等組成。

2.1 飛行平臺

無人機設備的航行舞臺為無人機設備本體，是搭載導航器、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裝置，獲得的遙感數據，還可以使用機載和地面系統，對遙感影像進行自主拍攝與提取，同步完成航跡的規劃與監測、信息數據的自動傳送、影像預處理等操作。

2.2 飛行導航與控制系統

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

2.3 地面控制系統

地面監視系統主要由無人機遙控器、地面供電系統、監控電腦和監視軟件等部分構成，用于時刻監控無人機設備的工作狀況，其主要功用是：由地面監測站通過傳輸系統向空中的導航設備和操控人員發送數據和操控命令；收集、保存、播放無人機設備的高程、空速、地速、位置、航向、航跡、航行姿勢等各種數據信息；指示任務設備工作狀況，并表示發電機速度、機載電源電壓等各種數據信息；當機上電池電壓不夠、GPS衛星失鎖、發電機停止、無人機設備失速、飛機姿態數據等差錯過點時，發出報警提示。

2.4 任務設備

無人機任務設備，是指收集遙感數據的感應器及遙控設備，工作時一般會被固定地放置于無人機機身的任務倉內。遙感傳感器的測控設備，一般為飛行器導航和控制一體化設計，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緯線、高程，以及飛行器姿勢（如橫滾角、俯視角航向角）等數值。

3 研究方法

3.1 獲取飲用水源地模擬的一、二級保護區范圍

飲用水源地保護區范圍涉密，因此，研究通過現場踏勘的方式，赴某飲用水源地現場，通過現場咨詢當地村民的方式確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、二級保護區范圍。

3.2 獲取飲用水源地模擬的一、二級保護區正射影像

使用大疆御Mavic2行業版無人機對該水源地模擬的一、二級保護區進行航飛，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正射影像。航飛前對相關飛行參數進行設定，包括航飛路線（設定為飲用水源地模擬的一、二級保護區范圍），航飛高度（設定為150 m），航速（設定為25 km/h），航向重疊度（設定為60%），旁向重疊度（設定為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用地、種植園地、人工開發及人工設施、林地、其它自然地類、旅游用地、開采用地、工業用地、居民地、能源設施、交通設施用地、道路、水體、水產養殖、水工設施、畜禽養殖、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核

根據解譯成果，提取人工開發及人工設施、旅游用地、開采用地、工業用地、水產養殖、水工設施、畜禽養殖等7類用地類型，作為疑似問題類型圖斑并獲取各圖斑經緯度信息，通過實地復核的方式驗證解譯成果，并提出無人機遙感技術在飲用水源地環境監管應用的建議與結論。

4 研究結果

4.1 飲用水源地模擬的一、二級保護區正射影像

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

圖1 某水源地模擬的一、二級保護區正射影像

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內，主要土地利用類型包括農用地、種植園地、人工開發及人工設施、林地、工業用地、居民地、道路、水體、畜禽養殖、裸地等。

圖2 某水源地模擬的一、二級保護區土地利用類型圖

4.3 提取疑似問題類型圖斑并實地復核

根據土地利用類型解譯成果，提取可能與環境管理要求不符的用地類型（選取人工開發及人工設施、旅游用地、開采用地、工業用地、水產養殖、水工設施、畜禽養殖等7類用地類型進行研究），共識別出疑似問題類型圖斑6處，經實地復核后發現，解譯正確數量為5處，解譯正確率為83.33%，詳見表1。

表1 實地復核用地類型與解譯用地類型對比表

4.4 結論

研究認為，將無人機遙感技術應用在飲用水源地的環境監管是可行的，且利用無人機遙感技術可以全面、高效、低成本地發現飲用水源地內可能與環境管理要求不符的用地類型，為后續人工實地復核提供精準的點位信息，便于全面摸清水源地內與管理要求不符的各類問題。

5 研究前景

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

5.1 水環境監測

無人機遙感技術在水質檢測的方面已有初步應用，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、高錳酸鹽指數富營養化情況（葉綠素a、總磷、總氮）等，并形成專題圖件，從面上掌握區域內水體水質現狀，再進行現場人工檢測工作，可以更具針對性且節約成本，并能夠發現并解決問題。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、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，高錳酸鹽指數和PH進行了研究[7-8]。

5.2 大氣環境監測

國內將無人機技術應用于大氣環境污染物的研究工作起步相對較晚，目前主要進行常規的大氣環境參數（主要有CO、NO2、SO2、O3、VOC、細顆粒物含量等）檢測工作，主要通過在無人機上搭載氣體傳感器，在指定區域內進行大范圍的巡視，獲取污染因子實時監測數據。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測大氣污染物濃度的要求。如陳慧敏等人利用無人機監測系統監測了深圳市部分區域不同高度（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、傳感器采集區域內大氣污染物數據，結合GIS并形成系統平臺，建成全方位的區域大氣監測系統[9-10]。

5.3 土壤環境監測

土壤是人類生存的物質基礎，社會經濟建設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、周期長且可能產生二次污染等問題，傳統的排查方式難以達到目的。而利用無人機搭載XRF分析儀采集數據后，通過反演可快速獲得區域范圍內土壤重金屬含量，形成專題圖，從面上快速掌握較大區域內土壤重金屬含量情況。如楊浩等人利用無人機搭載XRF分析儀等設備建立了一套土壤重金屬快速檢測系統，并取得較好的實驗成果[11]。

5.4 突發環境事件應急監測

突發環境污染事件具有發生突然、擴散迅速、污染物不明、危害嚴重及處理困難等特點，在實施環保應急調查任務過程中，傳統的處理方式難以安全、快速、清晰的掌握現場狀況，而無人機設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場狀況，同時利用傳輸系統將圖像資料即時傳回決策機構，使管理者第一時間了解事件的環境污染狀況，以及其產生在事件中的環境敏感因素狀況，為管理人員指明決策依據。如遼陽市建成突發性重大環境污染事故，無人機監控應急集成系統，及時獲取污染應急事故的最基礎、最準確、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“天府衛士-2018”核與輻射環境應急專項演習為例，利用無人機搜尋疑似放射失控區域的污染源[12-13]。