无人机高分辨率影像在长江支流排污口解译中的应用

沈梁涛 周伟锋

(浙江中测新图地理信息技术有限公司, 浙江 德清 313200)

0 引言

长江是我国的母亲河、长江经济带成为我国经济的金腰带,但随着我国社会经济的高速发展,对土地、河流高强度的开发利用,重化工企业遍布长江两岸。我国大江大河正面临着严重的环境污染问题,生态环境形势严峻、水污染问题严重突出[1]。

治理好长江对中华民族伟大复兴具有十分重大的意义。为全面落实“共抓大保护、不搞大开发”的战略要求,生态环境部以改善长江流域水环境质量为核心,以全面排查整治入河排污口为目标,已于2019年在全国范围内开展长江入河排污口排查整治工作。旨在用两年时间全面摸清长江干流、主要支流的排污口底数。排污口是污染物进入河流的最后关口,因此，摸清排污口总数,掌握排污口位置信息是长江治理的首要问题。

本研究通过无人机(Unmamned Aerial Velide,UAV)获取测区内像片,制作高精度高分辨率数字正射影像[2],从中提取测区内疑似排污口信息,并通过外业实地排查最终确定长江一二级支流入河排污口的位置和总数。这无疑为无人机高分辨率影像在排污口解译中的应用起到了推进作用。

1 长江排污现状及主要问题

1.1 排污现状及排污口分布

长江流经青海、西藏、重庆、安徽、江苏、上海等11个省、自治区、直辖市,涉及岸线2.4万km[3]。据统计长江流域的废水、化学需氧量、氨氮排放量分别占全国的43%、37%、43%[4],排污口分布较广,生态形势严峻。

我国民族大散居、小聚居的人口分布模式又使得城镇生活排污口、工业生产排污口、农业排污口分布较为分散;有些企业为逃避审批与责任,将一部分排污口设置得非常隐蔽,这些都增大了排查难度。

1.2 人手不足,人工实地排查难度大

我国基层生态环境部门正面临人员编制较少,工作强度大、技术能力薄弱、专业装备缺乏等问题,从而对一些违法行为,因为无法及时取证而错过最佳时机。

随着遥感技术的发展,高分辨率影像应用于生态环境调查技术日趋成熟[7],利用无人机遥感技术制作数字正射影像图,再基于影像图解译出疑似排污口结合现场排查,可以大大减少人工徒步实地巡查的时间。可以说以无人机航测为主的一级排查是打好长江保护修复攻坚战的前哨战。

2 排污口排查要求

2.1 排污口定义

根据《入海(河)排污口分类命名、编码规则》,将排污口分为8大类:(1)工业企业排口;(2)污水集中处理设施排口;(3)农业农村和城镇排口;(4)雨洪径流排口;(5)溪流沟渠河港设施排口;(6)矿井排口;(7)港口码头排口;(8)其他排口。

2.2 排污口范围

按照长江一二级支流入河排污口项目技术要求,无人机航测范围为长江一级与二级支流水系统，范围是从河流两侧岸线边界分别往河面方向延伸100 m,如河面宽度小于200 m,则航测范围应覆盖整个河面,长江一级支流水系从河流两侧岸线边界分布往陆地方向延伸1 000 m,长江二级支流水系从河流两侧岸线边界分布往陆地方向延伸500 m。

2.3 影像解译要求

疑似排污口解译主要分为疑似点位和敏感区域两个部分,疑似点位主要包括:飞行范围内直接或间接向长江一级、二级支流河排放水体的涉水排口,包括所有在用、备用、停用的管道，涵洞、沟渠、隧洞或溢流形式进入水体的入河口,所有间歇性使用的排涝站、排灌站、抗旱沟渠等承担特殊功能入河口;所有直接流向长江一级、二级支流的自然河流、溪流入河口。

敏感区域主要包括:飞行范围内跨河、路、桥、码头、滩涂、林地等涉水区域,以及未直接发现疑似点位的工业集中区和工业企业。

3 解决方案

本文以安徽省长江一二级支流入河排污口排查项目为案例,详细介绍无人机高分辨率遥感影像在排污口解译中的应用,项目技术路线详见图1。

图1 项目技术路线

3.1 无人机航空摄影

因河流范围为条带状,为减少外业像控点数量,提高作业效率,航摄飞行平台需装配全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)/惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)系统,获得高精度的定位定姿系统(Position and Orientation System, POS)数据。无人机航线可沿河流岸线布设,大型离岸岛屿单独设计。为能保证影像清晰、像片无大面积阴影,无人机航摄时间应选择当地正午前后各1 h内,且避免在涨潮时段。太阳高度角应满足平地区域太阳高度角大于20°,山地区域太阳高度角大于40°[8]。

本项目采用ZC-3VS垂直起降无人机搭载经检校的索尼A7R2全画幅相机获取优于0.1 m的原始影像,该飞行平台具有续航时间长、抗风性能强、定位精度好、拍摄效率高等特点。

3.2 内业成图

影像后期处理软件采用遥感影像一体化测图系统TopGrid软件结合像控点进行常规的空三加密。该系统只需少量人工干预,利用群体智能与正反馈特点的算法来自动生成正射影像的镶嵌线,保证镶嵌线能避开正射影像上建筑物投影差的区域及局部色差大的区域,保证地物影像的完整性。

3.3 解译方案

排污口解译是整个项目的核心内容,采用人机交互式解译的方式,正射影像制作完成后即展开内业数据初步解译工作[9],结合入河排污口的纹理、形状、颜色、周围环境等特征,利用ArcGIS软件提取排污口疑似点位,在属性表字段中填写排污口行政区划代码、经纬度、河流名称、河流等级、问题类型等基本信息,形成排污口初步排查清单。

解译过程中所有排污口都需要解译,要做到影像图范围内“有口皆查、应查尽查”。但解译过程中不需要进行排污口分类,解译技术人员在影像解译中不能只关注工业排污口,而把雨洪口、河汊、沟渠、养殖等排污口当作“非排污口”。

4 排污口解译

4.1 组织培训、统一认知

全面解译前,需组织技术人员学习排污口解译要点与典型特征分类,必要时进行现场踏勘,提高技术人员对排污口的认知,从而提高工作效率。

4.2 排污口样本采集

建立排污口解译典型特征分类样本数据库,便于解译人员在解译过程中寻找规律,帮助解译人员更快掌握排污井解译要点。

4.2.1明显特征解译

一般情况下,入河排污口有涵洞、管道、泵站、沟渠和排涝站等几种形式,这些工程由于本身体量大、特征明显,根据无人机拍摄的高清影像可准确辨别[10],如图2所示。

图2 涵洞排污口

4.2.2冲刷痕迹解译

部分隐蔽排污口往往会被植被或其他覆盖物遮蔽,此时可在影像上仔细观察周围有无流水痕迹或冲刷痕迹,以此来作为隐蔽排污口的寻找方法。如正在排污,会有明显的水流,如图3所示;不排污,排口附近地面会因持续的水流冲刷而显现明显不同于附近地面的颜色,此时该处可判别为疑似排污口，如图4所示。

图3 正在排水的排污口

图4 冲刷痕迹的排污口

4.2.3水产养殖排污口解译

长江一二级支流旁存在很多水产养殖集中区,由于用水需求量大,养殖户利用泵站或水泵等设备经埋设在田埂中的主管道与各养殖塘中的水进行交换。此类排口数量众多,在解译时只需解译水产养殖集中区与外界水体交换的主要排口,对于养殖塘之间的、集中区内养殖塘与内部水网的水交换口子,不用标记解译。

4.2.4乡村生活排污口解译

沿河农村居民会在河边修筑排水管道,家用生活污水经管道直接排入河流中,在解译时需标记乡村生活污水统一集中排放的排污口;对同一排污单位有多个排污口的,将多个排污口集中统一为一个排污口进行标记。

4.2.5正在施工排口

由于影像拍摄时间与人工现场排查时间有间隔,导致最终出现的影像中该排污口正在施工或未动工而人工现场排查时已竣工的情况,此时在解译时需在属性表备注中注明正在施工。

4.3 加固垂直岸线排污口解译

本次排查范围内存在大量人工加固垂直河堤,部分垂直河堤下的排污口在数字正射影像图中由于垂直投影而无法识别。可调取相邻影像带有侧方视角的原始遥感影像辅助解译,必要时可在测图系统中恢复立体,进行解译,如图5所示。

图5 垂直河堤排污口实景图

4.4 敏感区域排污口解译

所谓敏感区域,一般是指隐蔽区域,如桥下、水下、林下等无人机无法获取(图6),可能存在隐蔽排污口的区域;以及港口码头、工业聚集区、人口集中区等排污口集中分布的重点区域[11],敏感区域是人工排查时的重点对象,需格外注意。

图6 隐蔽区域排污口实景图

4.4.1工业聚集区域

对工业园区或工业聚集区附近极易出现排污口,在解译时应仔细观察,对未直接发现疑似排污口的工业集中区和工业企业在该片区上方标注敏感区域,现场人工排查时应重点关注,确保无遗漏。

4.4.2港口码头区域

港口码头解译时,需注意两个方面:一是码头后方堆场和办公区是否有排污口,二是码头前沿是否存在水下空洞或者管道,如被轮船遮挡可标记为敏感区域。

4.4.3规模化畜禽养殖区域

在解译时,发现影像图范围内存在规模化养殖畜禽的,应标记为敏感区域。

解译完成后在属性表的问题类型字段中填写疑似点位或敏感区域,再在其他字段填写相应信息,如:行政区域代码、经纬度、河流名称等。

4.5解译结果

安徽省长江一二级支流入河排污口排查项目测区面积共2 549 km2,内业解译共解译出8 303个疑似排污口点位,经过为期1个月的人工实地核查,解译成功率高达80%。

数字正射影像水平定位精度采用在正射影像上提取特征点位坐标值与检查点坐标值进行对比的方式,验证后数字正射影像水平定位精度在0.4 m,满足精度要求。

5 结束语

安徽省长江一二级支流排污口排查项目的检验证明,内业解译排污口成功率在80%以上。充分说明以无人机获取的高分辨率影像内业解译疑似排污口,再结合人工现场重点排查的方式,能满足精确识别排污口的要求,为后期开展排污口的分类、定性、信息表的调查填报奠定了可靠的基础。

0.1 m无人机高分辨率影像精度经检查点检验,平面精度可达0.4 m,完全能满足甲方对排污口实地定位的精度要求(1 m);工作效率与人工实地排查相比,排查周期可缩短2/3。实践证明该技术同样能应用于黄河等其他河流及海岸线排污口排查的要求。

低空无人机获取影像的地面分辨率远高于我国现有的卫星遥感影像分辨率(约0.5 m),而且机动灵活、获取方便,这种优势不但体现在对细小直径排污口的识别、发现上,也可同样应用于松树病虫害的监测发现、水域调查及变化范围的划定、地质灾害隐患点的监测以及违章建筑的监测等项目,发挥出难以取代的重要作用。