无人机遥感技术在饮用水源地环境监管中的应用研究_周鑫.pdf

专题与综述-181-无人机遥感技术在饮用水源地环境监管中的应用研究周 鑫1，张蓝月2，李 云3（1.贵州绿兴清源环保有限责任公司，贵州 贵阳 550001；2.贵州科学院 贵州省山地资源研究所，贵州 贵阳 550001；3.贵州省环境工程评估中心，贵州 贵阳 550001）摘要：饮用水源地数量多、分布散、范围大，传统的人工监管手段无法快速、全面地掌握其存在的环境问题，给饮用水源地环境违法问题的监督、解决造成了极大的困难。无人机遥感技术是新兴的航空遥感技术，具有高效率、高精度、无死角等优势，利用无人机遥感技术可以全面发现饮用水源地的环境污染，有效解决了饮用水源地监管能力不足的问题。本文对贵州省某模拟饮用水源地进行示例研究，取得了较好的成效。关键词：无人机遥感技术；饮用水源地；环境监管中图分类号：TS5 文献标志码：A DOI：10.20025/ki.CN10-1679.2023-02-62Application of UAV Remote Sensing Technology in Environmental Supervision of Drinking Water SourcesZhou Xin1,Zhang Lanyue2,Li Yun3(1.Guizhou Lvxing Qingyuan Environmental Protection Co.,Ltd.,Guiyang 550001,China;2.Guizhou Institute of Mountain Resources,Guizhou Academy of Sciences,Guiyang 550001,China;3.Guizhou Environmental Engineering Assessment Center,Guiyang 550001,China)Abstract:The number of drinking water sources is large,the distribution is scattered,and the scope is large.The traditional manual supervision means cannot quickly and comprehensively grasp the environmental problems in drinking water sources,which has caused great passivity in the supervision and resolution of environmental violations in drinking water sources.UAV remote sensing technology is a new aviation remote sensing technology,which has the advantages of high effi ciency,high precision,no dead space,etc.Using UAV remote sensing technology can comprehensively fi nd the environmental problems of drinking water sources,effectively solving the problem of insuffi cient supervision capacity of drinking water sources.This paper takes a simulated drinking water source area in Guizhou Province as an example,and has achieved good results.Key words:UAV remote sensing technology;drinking water source;environmental supervision1概述水是生命之源，饮水安全问题事关群众的生命安全和健康水平，是最大的民生问题，近年来，随着我国经济的飞速增长，水资源的开发利用程度也在不断加大，饮水安全问题面临严峻的挑战。饮用水源地保护是保证饮水安全的基础，受到了相关部门的高度重视，为了防止饮用水源地污染、保障水源水质，因此对饮用水源地一定范围的水域和陆域划定了保护区，并且出台了中华人民共和国水污染防治法关于答复全国集中式饮用水水源地环境保护专项行动有关问题的函等一系列文件，对水源地保护区明确了相关污染防治要求。饮用水源地普遍存在数量多、分布散、范围大的问题，现有的监管人员无法对管理区域进行有效地覆盖1-2，尤其在贵州，饮用水源地多分布在交通不便的山区，在监管人员有限，现场检查和踏勘受道路条件受环境限制较大的情况下，各级管理部门无法快速、全面、准确地掌握饮用水源地内存在的环境问题；加之饮用水源地的保护与管理是一个动态变化的过程，为了掌握水源地内最新的情况，需要持续性地做动态调查，这对管理部门而言，无疑是难上加难。2无人机技术简介无人机遥感技术是将无人驾驶飞行器技术、遥测遥控技术、通讯技术、遥感传感器技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术集于一体的技术，根据实际应用需要，可选择不同类型传感器，快速、高效采集遥感信息，经内业处理后获取所需数据的一项新兴航空遥感综合技术，因其具有智能化、专业化、自动化、高效化等优点，已被广泛应用于国土、林业、生态环境等多个领域3-5。无人机遥感系统主要由飞行平台、飞行导航与控制系统、地面控制系统及任务设备等组成。2.1飞行平台无人机设备的航行舞台为无人机设备本体，是搭载导航器、传感器等装置的重要载体。飞行平台上可以携带各种多任务装置，获得的遥感数据，还可以使用机载和地面系统，对遥感影像进行自主拍摄与提取，同步完成航迹的规划与监测、信息数据的自动传送、影像预处理等操作。第一作者简介：周鑫（1992-），男，硕士，工程师，研究方向：生态环境.专题与综述-182-2.2飞行导航与控制系统空中航行与监控是保障空中系统在正常状态运行的基础，包括空中操控板、惯性导航装置、GPS接收器、气压传感器、空速传感器和转速传感器等单元。目前大部分无人机都配备了自主驾驶仪，无人机飞行后，可以根据制定好的路线自行运行，无须人为管理。2.3地面控制系统地面监视系统主要由无人机遥控器、地面供电系统、监控电脑和监视软件等部分构成，用于时刻监控无人机设备的工作状况，其主要功用是：由地面监测站通过传输系统向空中的导航设备和操控人员发送数据和操控命令；收集、保存、播放无人机设备的高程、空速、地速、位置、航向、航迹、航行姿势等各种数据信息；指示任务设备工作状况，并表示发电机速度、机载电源电压等各种数据信息；当机上电池电压不够、GPS卫星失锁、发电机停止、无人机设备失速、飞机姿态数据等差错过点时，发出报警提示。2.4任务设备无人机任务设备，是指收集遥感数据的感应器及遥控设备，工作时一般会被固定地放置于无人机机身的任务仓内。遥感传感器的测控设备，一般为飞行器导航和控制一体化设计，具备控制载荷的定时管理工作、等时间间隔管理工作和等距离间歇工作等功能，并可记录飞行器工作时在航行平台的经纬线、高程，以及飞行器姿势（如横滚角、俯视角航向角）等数值。3研究方法3.1获取饮用水源地模拟的一、二级保护区范围饮用水源地保护区范围涉密，因此，研究通过现场踏勘的方式，赴某饮用水源地现场，通过现场咨询当地村民的方式确定该水源地的取水口，以取水口为中心，向四周外扩750 m作为该水源地模拟的一、二级保护区范围。3.2获取饮用水源地模拟的一、二级保护区正射影像使用大疆御Mavic2行业版无人机对该水源地模拟的一、二级保护区进行航飞，并利用ContextCapture软件处理航飞成果，从而获得该水源地模拟的一二级保护区正射影像。航飞前对相关飞行参数进行设定，包括航飞路线（设定为饮用水源地模拟的一、二级保护区范围），航飞高度（设定为150 m），航速（设定为25 km/h），航向重叠度（设定为60%），旁向重叠度（设定为40%），航飞时间段选取在上午10点至下午15点之间6。3.3解译土地利用类型利用Arcgis软件，通过目视解译的方式，对饮用水源地正射影像进行全类型解译，解译的用地类型包括农用地、种植园地、人工开发及人工设施、林地、其它自然地类、旅游用地、开采用地、工业用地、居民地、能源设施、交通设施用地、道路、水体、水产养殖、水工设施、畜禽养殖、裸地等17类用地类型。3.4提取疑似问题类型图斑并实地复核根据解译成果，提取人工开发及人工设施、旅游用地、开采用地、工业用地、水产养殖、水工设施、畜禽养殖等7类用地类型，作为疑似问题类型图斑并获取各图斑经纬度信息，通过实地复核的方式验证解译成果，并提出无人机遥感技术在饮用水源地环境监管应用的建议与结论。4研究结果4.1饮用水源地模拟的一、二级保护区正射影像如图1所示，是使用大疆御Mavic2行业版无人机航飞及ContextCapture处理后的某水源地模拟的一、二级保护区正射影像。图1某水源地模拟的一、二级保护区正射影像4.2土地利用类型如图2所示，是利用Arcgis软件解译形成的土地利用类型图，模拟的饮用水源保护区内，主要土地利用类型包括农用地、种植园地、人工开发及人工设施、林地、工业用地、居民地、道路、水体、畜禽养殖、裸地等。图2某水源地模拟的一、二级保护区土地利用类型图4.3提取疑似问题类型图斑并实地复核根据土地利用类型解译成果，提取可能与环境管理要求不符的用地类型（选取人工开发及人工设施、旅游用地、开采用地、工业用地、水产养殖、水工设施、畜禽养殖等7类用地类型进行研究），共识别出疑似问题类型图斑6处，经实地复核后发现，解译正确数量为5处，解译正确率为83.33%，详见表1。专题与综述-183-表1实地复核用地类型与解译用地类型对比表序号解译用地类型解译图斑面积（m2）实地复核用地类型1畜禽养殖1039畜禽养殖2畜禽养殖585畜禽养殖3工业用地54471工业用地4工业用地3155畜禽养殖5人工开发及人工设施787人工开发及人工设施6工业用地2395工业用地注：经纬度信息因涉密未放入表中4.4结论研究认为，将无人机遥感技术应用在饮用水源地的环境监管是可行的，且利用无人机遥感技术可以全面、高效、低成本地发现饮用水源地内可能与环境管理要求不符的用地类型，为后续人工实地复核提供精准的点位信息，便于全面摸清水源地内与管理要求不符的各类问题。5研究前景在新时代下，随着社会经济的增长以及城市化进程的加快，环境监测作为环境监管的有效抓手，其重要性不言而喻。传统的环境监测手段监测周期长，监测范围小，缺乏时空上的连续性，难以全面、及时地反映环境质量状况及动态变化情况，不能满足现代化社会的需求。无人机遥感技术是继传统航空、航天遥感平台之后的第三代遥感技术。它可以迅速掌握地形、资源、自然环境等遥感数据，并根据工作需要对遥感数据进行加工处理，获得与工作目的相关的成果数据。无人机遥感系统机动、快速、经济等特点，适合目前生态环境管理部门监管工作的新需求，已逐步在实际工作中获得应用，但目前无人机遥感技术在生态环境监管方面的应用不够全面，有较多方面可进行尝试及应用。5.1水环境监测无人机遥感技术在水质检测的方面已有初步应用，利用无人机搭载多光谱相机航飞形成多光谱影像，通过反演可以测算出水体的悬浮物指数、高锰酸盐指数富营养化情况（叶绿素a、总磷、总氮）等，并形成专题图件，从面上掌握区域内水体水质现状，再进行现场人工检测工作，可以更具针对性且节约成本，并能够发现并解决问题。如章佩丽等人以台州市两条河道作为研究对象，利用无人机搭载多光谱相机获得河道多光谱图像，对河道水体的高锰酸盐指数、总磷（TP）、总氮（TN）进行了研究。陈瑜云等人利用无人机搭载多光谱相机获得苏州市苏东河多光谱图像，对水体的总磷，氨氮，高锰酸盐指数和PH进行了研究7-