无人机在入河排污口排查中的应用研究

2021-09-15刘俊逸屈铭志

科技视界 2021年23期

刘俊逸屈铭志

（上海建科环境技术有限公司，上海200032）

0 引言

2018年，习近平总书记关于长江经济带发展“共抓大保护、不搞大开发”的重要指示，要求全面推进长江入河排污口排查整治工作。需要全面摸清入河排污口情况、掌握其分布规律及存在的突出问题，为全面开展排污口整治工作夯实基础。

传统的入河排污口排查，主要依赖于人工巡查，对于工作人员工作经验和责任心要求较高，很容易“走过，路过，错过”；另一方面，入河排污口周边环境复杂，存在大量的无法观察区域。近年来，无人机这一新技术具备了小巧携带的特点，且能快速拍摄人工无法进入的区域，被广泛地应用在环境执法和取证中[1]。针对入河排污口的现场排查，无人机航拍也作为了推荐的技术手段之一。但目前该技术在河道排污口调查中的应用仍有一定局限[2]，常见的问题包括：（1）排口较为隐蔽，无人机选型不合适导致无法采集数据；（2）由于无人机是从空中观察，很难获得观察排口的最佳角度，排查的数据质量和信息获取存在不足；（3）由于河道弯曲，飞行路线依靠人为判断，数据的完整性不能得到保障。

本研究立足上述痛点，探索无人机在入河排污口排查中的应用，主要从三方面进行研究：无人机设备选型、数据获取方法及无人机自动化数据采集，从而实现入河排污口的高效精准摸排。

1 无人机的选型

在入河排污口排查过程中，河道处于山谷、农村郊区等复杂环境、无人机技术的使用需满足安全作业的相关要求。但另一方面，河道及两岸的环境类型复杂多样，河岸两侧树木、房屋等障碍物较多，许多地区车辆无法进入，需要考虑设备携带的便捷性。

目前常见的无人机按照类型，可分为多旋翼无人机、固定翼无人机及混合翼无人机；按照尺寸，可分为微型、轻型、小型、中型、大型无人机；按使用的传感器分类，可分为可见光传感器、热红外传感器和激光雷达传感器。

各类型无人机的性能对比如表1所示。从成本、起飞空间、操作性及飞行速度等方面综合考虑，入河排污口的排查一般使用多旋翼无人机。原因如下：（1）多旋翼无人机成本较低且操作简单；（2）入河排污口排查现场空间有限，因此起飞空间仅需要一小块空地的多旋翼无人比较合适；（3）由于多旋翼无人机具备较慢的飞行速度，可以对排污口细节和排污状态进行长时间多角度的观察辨认。

表1 无人机类型分类表

各尺寸无人机的性能对比如表2所示，根据《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例（征求意见稿）》，按照运行风险的大小，以及中国民用航空局《轻小无人机运行规定（试行）》，无人机运行管理分类，民用无人机分为微型、轻型、小型、中型、大型。在入河排污口排查的同坐通常范围区域较大，很难提前协调空域申请，而飞行高度通常只需要在120米以下，因此，在入河排污口巡查过程中，一般选择起飞全重为0.25~7 kg的微小型无人机，可以依据相关法律法规简单报备，并且具有较好的抗风能力，同时机体尺寸较小，灵活度强，能适应各种复杂环境，避免被树木等周边环境障碍所困。

表2 无人机尺寸分类表

目前在入河排污口排查中主要应用的传感器有可见光传感器、热红外传感器和激光雷达。见表3各类传感器可以发挥不同的作用。通过不同类型传感器的组合应用，能够发挥无人机的最大排查功能。

表3 无人机传感器分类表

2 无人机数据获取方法

2.1 无人机倾斜影像

无人机倾斜影像是利用微小型无人机，与河道堤岸呈现一定的倾斜角度进行照片拍摄，内业人员通过观察倾斜影像获取入河排污口信息。

倾斜影像具备以下特点：

（1）倾斜影像具备精准的经纬度定位信息，可以通过GIS平台查看影像拍摄位置，从而获取入河排污口精准位置信息；

（2）通过倾斜视角既可以看到入河排污口形状，又能够观察到排口的立体结构；

（3）倾斜影像对于直立式驳岸和倾斜的驳岸均可以对入河排污口有较好的排查效果；

（4）倾斜影像可以拍摄近景、远景影像，通过不同的视野照片对入河排污口进行综合分析，不仅为排口的排查工作，同时也为排口的溯源工作提供有力支撑。

因此选用倾斜影像获取入河排污口。如图1所示。

图1 无人机倾斜影像在入河排污口排查中的应用

通过对倾斜影像的分析，可以总结出倾斜影像拍摄技术的使用条件及适用边界；该技术能够短时间获取河道两岸堤岸的完整数据，适用于大范围的排放口排查；采用人工操纵的方式，可获取堤岸两侧近景远景照片，适用于小范围排放口的精细化排查监测，该技术的应用可实现：

（1）通过走航拍摄，识别河道两岸各类水面以上隐藏排放口；

（2）通过近景照片获取排放口精确定位、尺寸、与堤岸的相互关系；

（3）通过远景照片获取排放口与防汛挡墙之间的关系以及周边疑似排放单位的信息；

（4）通过机载GPS信息或照片上的GPS定位信息，结合高精度正射影像，判断排放口大概位置（粗略经纬度信息）。

2.2 无人机正射影像

无人机正射影像是通过无人机镜头与地面垂直（即云台俯仰角为-90°）进行数据获取的一种方式。通过正摄影像可以了解到排口与污染源之间的关系，可用于测量及入河排污口的精准定位如图2所示。通过正射影像，还可以与已有的管网图等各类资料叠加，从而进行排口的溯源排查工作。

图2 范例影像：基于无人机的正射影像获取技术生成的正射影像

通过对倾斜影像的分析，可以总结出倾斜影像拍摄技术的使用条件及适用边界：该技术可获得最高2 cm分辨率的局部区域正射影像，用于弥补航空器/卫星光学遥感对中小河道基础信息支撑的不足，针对不同类型的河道，可根据河道宽度，分辨率需求，预先规划航线开展任务。同时，该技术适用于大范围的排放口初筛扫描监测任务，可实现：

（1）通过影像直接发现明渠，泵站，涵闸类排水口；

（2）通过水流特征、水渍线发现可疑的水下排放口；

（3）根据两岸图例利用特征寻找出排放口的热点区域；

（4）如无人机设备具备RTK/PPK功能，可获取高精度定位数据的正射影像，用于排放口定位辅助；

针对堤岸改造等环境特征快速变化的区域，可定期更新数据，了解排放口的状态变更。

3 无人机数据自动化采集

通过无人机飞行厂商提供的SDK开发界面，结合第三方软件的应用，进行二次开发，能够实现基于航线规划的自动化飞行。以目视解译的数据质量要求进行坐标、高度、云台俯仰角度，飞行速度的分析。根据不同的河道宽度和驳岸的结构特点，开展线路的优化，形成了一张普通技术人员都能根据现场河道情况进行规划的线路编辑速查表。

以某案例的实际测试数据，如图3所示。结果表明采用无人机自动化巡查的飞行效率（7~10 km/d）是飞手手动飞行巡查（4~5 km/d）效率的2倍以上，是人工巡查（2 km/d）效率的3~5倍。通过该方法，形成完整连续的影像，能够避免入河排污口排查遗漏，通过多次自动化飞行，可以获取同一位置的不同时间的影像，在水位变换较大的河道，可以通过多次获取的影像进行比较。该方法为内业工作查找疑似排口及排口的定位提供，节约了后续工作的时间和效率。该方法充分利用无人机的空间角度优势，实现入河排污口排查的水平全覆盖，不遗漏排口，对入河排污口可以做到应查尽查。