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，张蓝月，李 云

（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）

1 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。

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。

表1 实地复核用地类型与解译用地类型对比表

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[7-8]。

5.2 大气环境监测

国内将无人机技术应用于大气环境污染物的研究工作起步相对较晚，目前主要进行常规的大气环境参数（主要有CO、NO2、SO2、O3、VOC、细颗粒物含量等）检测工作，主要通过在无人机上搭载气体传感器，在指定区域内进行大范围的巡视，获取污染因子实时监测数据。随着科技的进步，气体传感器的精度越来越高，尤其是光离子化检测器的气体传感器，其检出限、精度可达ppb级别，在一定程度上满足了监测大气污染物浓度的要求。如陈慧敏等人利用无人机监测系统监测了深圳市部分区域不同高度（30 m、50 m、100 m）的PM2.5、PM10、O3浓度。山东逸飞无人机科技有限公司综合利用无人机、传感器采集区域内大气污染物数据，结合GIS并形成系统平台，建成全方位的区域大气监测系统[9-10]。

5.3 土壤环境监测

土壤是人类生存的物质基础，社会经济建设遗留下了较多的历史土壤问题，土壤污染的范围界定较困难，且土壤重金属污染检测存在成本高、周期长且可能产生二次污染等问题，传统的排查方式难以达到目的。而利用无人机搭载XRF分析仪采集数据后，通过反演可快速获得区域范围内土壤重金属含量，形成专题图，从面上快速掌握较大区域内土壤重金属含量情况。如杨浩等人利用无人机搭载XRF分析仪等设备建立了一套土壤重金属快速检测系统，并取得较好的实验成果[11]。

5.4 突发环境事件应急监测

突发环境污染事件具有发生突然、扩散迅速、污染物不明、危害严重及处理困难等特点，在实施环保应急调查任务过程中，传统的处理方式难以安全、快速、清晰的掌握现场状况，而无人机设备能够突破交通不便、气象威胁等恶劣条件，迅速抵达人员所无法进入的污染事件所在空域，通过搭载的摄影器材记录事故现场状况，同时利用传输系统将图像资料即时传回决策机构，使管理者第一时间了解事件的环境污染状况，以及其产生在事件中的环境敏感因素状况，为管理人员指明决策依据。如辽阳市建成突发性重大环境污染事故，无人机监控应急集成系统，及时获取污染应急事故的最基础、最准确、最及时的信息，便于管理部门及时作出处置决策。四川省也以“天府卫士-2018”核与辐射环境应急专项演习为例，利用无人机搜寻疑似放射失控区域的污染源[12-13]。