生态眼系统在环境监测中的应用

殷伟庆

(江苏省镇江环境监测中心 水环境监测科，江苏 镇江 212001)

2019年，生态环境部发布《生态环境监测规划纲要(2020—2035年)》，提出要推动传统监测向生态环境监测转变。环境空气中有害成分分布复杂，绝大部分河道纵横交错，说得清现状，说得准问题，说得明环境污染的成因、机理与改善，显得尤为重要。目前监管部门进行水[1]、大气环境质量监测多采用人工取样或安装自动监测站的方式。但人工取样周期长，时效低，自动监测站建设成本高，维护难，限制了在线自动监测站的覆盖密度，而且很难反映区域的整体环境状况。无人机遥感监测技术可为河道和大气环境区域提供快速、实时、无死角巡查服务，实现水质、气质监测、全面普查等功能，弥补传统环保监测技术空间监测能力的不足[2]，扩大环境监测的覆盖空间范围，提高空间分辨率。

1 系统构成

1.1 无人机高光谱视频遥感

高光谱视频成像仪是光电领域尖端的探测和成像技术成果之一，通过光谱采集基础理论革新和关键技术突破，克服了传统扫描式光谱仪数据量大、成像时间长、云台稳定性要求高、无法拍摄动态场景等弊端。采用独特的光学、电子学、计算技术，能进行实时光谱扫描(15 fps以上)，成像分辨率在200万像素以上，能同步兼顾大场景、高空间分辨率、高光谱分辨率的光谱视频采集需求，并且设备体积小，易用，在军事、工业、农业、环保等领域应用前景广阔[3]。固定翼和多旋翼两种类型无人机如图1所示，无人机搭载光谱视频成像仪参数如表1所示。

图1 固定翼和多旋翼无人机照片

表1 高光谱视频成像仪参数表

1.2 反演模型

如图2所示，反演模型包括辐射定标、大气校正、几何粗/精校正、图像解译/反演、地图表达5个主要环节，一系列子模型[4]。专业人员根据拍摄条件、应用环境选择子模型配置，调参输出反演结果，经人工审核后输出专题数据[5]。

图2 基于经验/半经验模型的定量反演

2 核心能力

2.1 流域水质指标分布精细化分析能力

精细化分析主要包括几何精校正、图像精细化反演。卫星下传至地面接收站的原始数据常受大气干扰、影像变形的影响。几何精校正是在粗校正的基础上，通过目视辨别和手工添加地面标准点位(已知精确坐标)，修正卫星图片(以下简称卫片)因相机几何畸变、拍摄角度偏差等造成的地理位置偏移。图像精细化反演主要包括单指标反演、指标交叉关联性修正。单指标反演，即在前期深度学习形成模型的基础上，人工输入同时段范围的一定流域采样点水质数据，训练调参后输出包括氨氮、高锰酸盐、总氮、总磷的流域水质分布影像。开展流域水质数据关联性分析，从上述指标中人工选择具有关联性的指标数据，代入指标交叉关联性修正模型，消除采样化验发生的异常数据带来的一些负面影响[6]。

2.2 流域水质异常区域快速化分析识别能力

快速分析识别模型以准自动化、流水化的方式分析处理图像。快速分析的几何校正以粗校正为主，已知卫片影像定位系数时，由机器自主完成。图像快速反演模型和前述不同，以基于水色遥感的快速分析为主，通常包括基于红、绿、蓝三色的FU模型，基于短波红外、近红外、红光的FAI模型等，可得到水体颜色的细微差异，通过阈值分割可提取如湖库的富营养化(水华)、水体异常浑浊、水色异常等可疑区域[7]，可输出识别发现的异常区域及部分水质指标(浊度、叶绿素a等)相对分布。快速分析以水色差异为核心，对地面水体采样化验定标依赖少，模型自动化程度高，处理速度快，无需人为干预，尤其适合无人机光谱影像的现场实时处理，典型流域水质定量反演可视化界面如图3所示。

图3 流域水质定量反演

2.3 卫星图片中大尺度空气质量指标分布反演能力

VOCs(挥发性有机化合物)被认为是臭氧的前驱体之一。掌握VOCs的空间分布变化，有助于理解臭氧的形成，研究治理方案。大气分布反演指标为PM2.5/10，臭氧、CO，CO2和SO2，卫片资源主要为风云系列卫星(如风云四号)、高分四号卫星、高分五号卫星。风云四号和高分四号为地球静止轨道卫星，分辨率分别为400 m和500 m，通过气溶胶模型反演PM2.5/10，通过气溶胶模型、光谱模型、多指标耦合模型计算臭氧、CO，CO2，SO2等指标。高分五号为低轨可见短波红外高光谱卫星，分辨率为30 m，周期性访问观测区域，用于多星间的数据交叉校准。根据空气指标分布的时间变化特征，可判断污染团为输入性或输出性。

2.4 卫星图片地物分类解译能力

卫片经辐射、几何校正预处理后包括两类特征，即人眼可感知的颜色、形状、纹理特征，地物光谱特征(可见光至红外)，两者均可用于地物识别分类。生态眼从卫片中提取计算区域，参照《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)计算12种用地类型的空间分布情况，并通过逐次比对提取用地发生变化的区域，可用于分析用地类型、评价生态环境(绿化率、植被覆盖、土地利用等)、识别异常事件(违章建筑、岸线破坏、毁绿等)。地物识别处理后，需要开展人工核查，主要针对因卫片分辨率有限带来的物体影像混叠，人工干预纠正自动识别和分类偏差。

3 生态环境监测应用

流域环境监测系统主要服务生态环境部门，具有流域水质疑似污染区域识别和排查、岸线生态破坏识别和排查、水源地保护区风险识别和监控、业务闭环联动、流域地理信息数据库管理和查询等功能。

3.1 流域水质疑似污染区域识别和排查

流域污染区域识别需要面上水质分布数据，环境监测领域传统化学监测方法是点状监测，数据不足以锁定污染区域。该功能主要基于生态眼卫片反演能力，分析高分一、二、六号卫星采集的流域多光谱卫片，提取水域部分数据，反演分析得到氨氮、高锰酸盐、总磷、总氮等水质指标分布影像，并提取岸线附近水质指标高值区。根据疑似污染区域坐标和影像开展无人机航拍，进行二次查证和快速识别。将查证确认的排口坐标信息与流域地理信息数据库中排口档案数据进行比对，筛选未登记在册的可疑排口和排污事件。经人工审核后，系统以工单形式派发生态环境相关部门，相关部门取证、执法、整改后将情况回报系统。

3.2 岸线生态破坏识别和排查

流域生态环境保护需要全面掌握岸线利用情况，及时发现岸线破坏事件。该应用主要基于生态眼卫片反演能力，对高分一、二、六号和高景一号卫星(商业卫星，正在增加珠海一号、吉林一号、北京二号等卫星)采集的流域卫片进行地物分类解析，结合岸线利用规划和生态红线规划识别岸线破坏事件(如违建、种菜、垃圾堆积等)。根据疑似岸线破坏的坐标和影像开展无人机航拍，进行二次查证和快速识别确认。经人工审核后，系统以工单形式派发生态环境相关部门，相关部门取证、执法、整改后将情况回报系统。

3.3 水源地保护区风险识别和监控

水源地保护的核心是控制风险，前提是掌握区域内主要风险源。基于生态眼卫片反演和地物分类能力，利用高分一、二、六号卫星，高景一号卫星等的卫片数据解析集中式饮用水水源地区域，梳理一级、二级保护区内水里风险(如水生植物、藻类、码头、航运、水上加油站等)和岸上风险(如排口、化工生产、垃圾堆填等)，按保护区级别分类梳理形成水源地风险档案，并同步更新保护区地理信息数据库。发现疑似违规现象后报警，报警信息在相关业务部门客户端提示，并发送至业务人员。

4 生物多样性监控和保护应用

4.1 保护区野生动物生存环境监管能力

1) 保护区生态环境监控。定期利用卫片反演技术和地物分类技术评价保护区水质和生态环境，及时识别异常区域(湖面大片死鱼、藻类爆发、植被大片死亡等)和人类破坏情况(排污、垃圾倾倒、土地开发活动等)。2) 保护区人类活动监控。利用部署的视频监控、运营商/微信提供的手机定位信息，发现保护区人类活动线索，锁定嫌疑人，提供执法线索。3) 保护区食物丰富程度监控。在保护区内定期(如季度)利用eDNA技术普查渔业资源种类和丰富程度，并对异常情况进行报警。

4.2 野生动物活动监测能力

在保护区建设监控相机，基于非侵入、被动监测的360°全景亿像素技术、热红外成像技术、彩色夜视成像技术对保护区野生动物进行视频组网观测，利用深度学习算法识别动物种类，统计出现区域、出现频次，记录其生活习性和活跃程度。相机拍摄的精彩片段和直播画面可为保护区科普宣传提供第一手素材。

5 结束语

我国环境保护要求持续提高。新时期生态环境监测的目标主要是说得清现状，说得准问题，说得明环境污染的成因、机理与改善。新型生态眼监测技术可为大气环境、河道提供快速、实时、无死角巡查服务，利用无人机高光谱影像，结合地面站点监测数据和人工取样化验数据，通过人工智能反演模型得到流域水质、气质分布，从而实现区域快速普查和评估、水资源监测、大气环境监测等。该技术在河道水质异常调查、大气环境全面普查、生态调查中发挥了重要作用。