楊海蓉 鄒素蘭

（重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 重慶 401147）

引言

水質(zhì)監(jiān)測(cè)是流域水質(zhì)監(jiān)管和水環(huán)境監(jiān)控的重要手段，對(duì)流域水體的綜合治理和水環(huán)境的動(dòng)態(tài)保護(hù)有著重要意義。目前，我國(guó)水域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)類型多樣，主要為基于人工采樣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和基于儀器傳輸?shù)脑诰€監(jiān)測(cè)等[1]。雖然這能夠基本滿足我國(guó)水質(zhì)的日常例行檢測(cè)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)方面的要求，但是該監(jiān)測(cè)方法也存在靈活性差，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)地域復(fù)雜點(diǎn)和人難以到達(dá)點(diǎn)位的取樣監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)突變水質(zhì)和突發(fā)污染水域監(jiān)測(cè)呈現(xiàn)滯后性和遺漏性，這不利于水面面積大的大型水域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水質(zhì)安全保障的維護(hù)[1][2]。因此，加強(qiáng)對(duì)新的水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研發(fā)對(duì)水域水質(zhì)監(jiān)控和水環(huán)境安全的保障有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著電子和航空通訊技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)因具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，無線可操作性高等優(yōu)點(diǎn)，而成為河流流域取樣和水質(zhì)監(jiān)測(cè)的新興技術(shù)手段。鄭秀亮[3]研究發(fā)現(xiàn)利用無人機(jī)進(jìn)行水樣采集，不受空間地理?xiàng)l件的限制，有效提高了水樣采集的時(shí)效性和代表性，同時(shí)還便于對(duì)流域的突擊檢查，加強(qiáng)對(duì)水域河流水質(zhì)的監(jiān)控，這大大節(jié)約了人力和物力，節(jié)省水域保護(hù)的運(yùn)作成本。呂學(xué)研等[4]利用無人機(jī)多光譜遙感開展社瀆港的污染溯源監(jiān)測(cè)，研究發(fā)現(xiàn)該技術(shù)下的污染源監(jiān)測(cè)更細(xì)致、更全面，有效的展現(xiàn)了污染源的細(xì)節(jié)，為河湖流域的污染治理提供了依據(jù)。董月群等[5]利用高光譜成像技術(shù)的范圍大、快速、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性，提出了一種大面積水體污染狀況監(jiān)測(cè)的無人機(jī)高光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水質(zhì)參數(shù)反演方法，研究發(fā)現(xiàn)各參數(shù)的反演誤差絕對(duì)值在1.01%～35.81%之間，同時(shí)一階導(dǎo)數(shù)對(duì)應(yīng)的線性擬合模型有著最好的反演精度，這與其它監(jiān)測(cè)方法相比，大大提高了反演精度和監(jiān)測(cè)精度，這對(duì)城市河道水質(zhì)分布情況的快速獲取和對(duì)城市水體環(huán)境治理有著重要的指導(dǎo)作用。因此，無人機(jī)技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。本文重點(diǎn)綜述無人機(jī)技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，以期為無人機(jī)技術(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)化發(fā)展提供借鑒指導(dǎo)。

1 基于無人機(jī)技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

水質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，無人機(jī)常作為水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的載體而使用，基于不同的監(jiān)測(cè)目的和實(shí)際環(huán)境情況靈活組建水質(zhì)取樣和水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可大大提高水域取樣和水質(zhì)監(jiān)測(cè)的效率。胡震天等[6]為了提高城市水質(zhì)狀況監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率和動(dòng)態(tài)性，開發(fā)了一種地面建模與地空定標(biāo)相結(jié)合的低空多光譜遙感觀測(cè)方法，研究發(fā)現(xiàn)低空多光譜遙感數(shù)據(jù)與TP、NH4+-N、pH 值和濁度均有較強(qiáng)相關(guān)性（大于70%），同時(shí)低空遙感影像對(duì)不同水質(zhì)水體有明顯的顯示差異。吳永兵[7]以無人機(jī)為載體，搭載飛行、空中拍照、空中攝像、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、空中測(cè)控和水樣采集等各種功能單元組成水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并與地面測(cè)控中心和手持移動(dòng)終端通信連接，構(gòu)建基于無人機(jī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和采樣的一體化系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)不僅能夠優(yōu)化現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局、提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性、靈活性和快速反應(yīng)能力，同時(shí)還能極大提高水樣采集效率、環(huán)境污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)能力和對(duì)突發(fā)水污染的應(yīng)急處理能力。

目前，基于無人機(jī)技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)取樣中發(fā)展瓶頸的優(yōu)化完善研究是基于無人機(jī)技術(shù)水文監(jiān)測(cè)研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。如鈔凡等[8]基于無人機(jī)技術(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中，水域監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收集難的問題，引入WSN 水域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與人工收集法、固定有線監(jiān)測(cè)基站收集法和4G 通信技術(shù)相比，大大提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活機(jī)動(dòng)性，增強(qiáng)了飛行路徑的可優(yōu)化性，同時(shí)在保證檢測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定收集的基礎(chǔ)上還節(jié)約了系統(tǒng)成本。

李雙等[9]針對(duì)飛行控制程序與水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)安全性無法得到充分保障這一裝備開發(fā)和使用中的潛在威脅，研究設(shè)計(jì)了一種水質(zhì)監(jiān)測(cè)無人機(jī)的加密控制方案，即對(duì)原來明文數(shù)據(jù)進(jìn)行某種算法處理，使其只能在輸入相應(yīng)的密鑰之后才能顯示出原容，這提升了水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的保密性與無人機(jī)飛行控制的安全性。與此同時(shí)，李雙等[10]組建了包括無人機(jī)、水質(zhì)檢測(cè)裝置和地面控制裝置的移動(dòng)監(jiān)測(cè)單元、并進(jìn)一步建設(shè)了基于移動(dòng)監(jiān)測(cè)單元和監(jiān)測(cè)總站的報(bào)警平臺(tái)，研究發(fā)現(xiàn)這克服了傳統(tǒng)無人機(jī)技術(shù)僅適用于單點(diǎn)、單次水質(zhì)檢測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)水質(zhì)檢測(cè)平臺(tái)與地面控制系統(tǒng)、地面報(bào)警系統(tǒng)互聯(lián)互通的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)水域的全天候監(jiān)測(cè)與同步報(bào)警，同時(shí)提高了數(shù)據(jù)傳輸安全性和環(huán)境監(jiān)管效率。

此外，基于5G 通信的無人機(jī)通信鏈路研究是基于無人機(jī)技術(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究的重要研究方向。5G 技術(shù)具有全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，帶寬可達(dá)到10Gbps 以上、毫秒級(jí)時(shí)延、超高密度連接，有著超高的傳輸性能，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建的絕佳通信鏈路選擇[11]。中國(guó)信息通信研究院[12]研究發(fā)現(xiàn)在5G 與無人機(jī)組合使用時(shí)，通過對(duì)具備垂直波束調(diào)整能力的大規(guī)模天線使用、低頻上行載波的引入和上行時(shí)隙配比增加等手段，可使得無人機(jī)在150m-500m 高度上的上行速率達(dá)到50Mbps，5G+無人機(jī)可很好的適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

2 基于無人機(jī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的影像處理技術(shù)研究

無人機(jī)與多光譜成像技術(shù)（遙感技術(shù)）相結(jié)合而產(chǎn)生的無人機(jī)多光譜影像技術(shù)是水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的主要信息采集手段，可為水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供大范圍的覆蓋和可視化表達(dá)，具有時(shí)效高、時(shí)空分辨率強(qiáng)和機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[13]。然而無人機(jī)多光譜影像技術(shù)使用后的光譜圖像的成型表達(dá)和圖像數(shù)據(jù)與水質(zhì)之間的反演關(guān)系卻是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，對(duì)無人機(jī)多光譜影像的拼接和對(duì)水質(zhì)的反演研究是無人機(jī)技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容。無人機(jī)技術(shù)的多光譜影像拼接研究在水質(zhì)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中，無人機(jī)航帶的地面覆蓋范圍狹窄、航帶重疊率低、航帶的亮度差異和無人機(jī)自帶POS 系統(tǒng)定位精度低等問題是無人機(jī)技術(shù)多光譜影像需要拼接和拼接困難的主要原因[13]。因此，無人機(jī)光譜影像的拼接成為無人機(jī)多光譜影像處理的首要環(huán)節(jié)，是無人機(jī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究的重要內(nèi)容。

易俐娜等[13]針對(duì)圖像處理中難以實(shí)現(xiàn)影像幾何和光譜匹配的問題，研發(fā)了一種基于曲面樣條函數(shù)和相位相關(guān)的無人機(jī)高光譜影像拼接方法，研究發(fā)現(xiàn)該方法不僅提高了拼接影像的地理坐標(biāo)精度，還在消除拼接縫的基礎(chǔ)上最大限度的保證了光譜的保真性，并通過引入2 冪子圖像解決了影像在重疊度低的情況下配準(zhǔn)算法失效的問題，然而，如何進(jìn)一步提升光譜精穩(wěn)性和提高拼接速度仍是今后研究的重要課題。同時(shí)，反演模型的建立和遴選是無人機(jī)多光譜影像水質(zhì)反演研究的另一主要內(nèi)容。算法的效率對(duì)反演模型的構(gòu)建有著重要影響，因此，算法的優(yōu)化研究是反演模型建立和遴選研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。反演模型的選擇是無人機(jī)技術(shù)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究的重要內(nèi)容。

孫駟陽[14]研究發(fā)現(xiàn)與其它機(jī)器學(xué)習(xí)算法相比，極端隨機(jī)樹（ETR）算法最適合基于無人機(jī)高分辨率高光譜數(shù)據(jù)的總氮、總磷和COD 反演模型，決定系數(shù)r2高于99%，即使經(jīng)過RFE 降維后，極端隨機(jī)樹（ETR）也可保持原有模型的高質(zhì)量效果，決定系數(shù)r2依然高于99%；反演精度驗(yàn)證結(jié)果顯示，無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)下的總氮、總磷、氨氮和COD 的反演值與實(shí)際值的相對(duì)誤差均小于0.5。

黃昕晰等[15]針對(duì)MPP 算法存在的運(yùn)算量過大和過擬合的問題，提出OPT-MPP 算法，并構(gòu)建懸浮物濃度（SS）和濁度（TU）的OPT-MPP 算法反演模型，研究發(fā)現(xiàn)最佳SS 反演模型和最佳TU 反演模型的決定系數(shù)R2分別達(dá)到0.787 和0.8043，綜合誤差分別達(dá)到0.13 和0.15，這對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域水質(zhì)參數(shù)空間分布信息的反演有著良好的效果。

黃華等[16]基于城市河流水質(zhì)指數(shù)（CWQI 值）和偏最小二乘回歸（partial least squares regress，PLSR）建立了高光譜數(shù)據(jù)與河流水質(zhì)指數(shù)的反演模型，研究發(fā)現(xiàn)水體不同波段的光譜反射率與CWQI 值存在一定的相關(guān)性，可用于區(qū)分不同CWQI 值水平的水體，同時(shí)模型優(yōu)化分析結(jié)果表明，光譜分辨率為50 nm、提取主成分?jǐn)?shù)為8 時(shí)的水體CWQI 值反演模型效果最優(yōu)，驗(yàn)證集均方根誤差和平均相對(duì)誤差分別為0.768、18.1%，因此將該反演模型與無人機(jī)高光譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合，可較好地反映河流水質(zhì)的空間差異。

唐夢(mèng)奇[17]為提高水質(zhì)采樣的便捷性和效率，以六旋翼無人機(jī)為載體，設(shè)計(jì)了一款水質(zhì)采樣系統(tǒng)，其通過自適應(yīng)控制算法設(shè)計(jì)，克服了采樣過程中無人機(jī)因水流動(dòng)力而引起的不穩(wěn)定問題，通過實(shí)用發(fā)現(xiàn)此模糊PID 算法的無人機(jī)可適用于無人機(jī)的定點(diǎn)懸停及內(nèi)河、夾江水域水質(zhì)采樣，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

李鑫等[18]在分析支持向量機(jī)模型建立的原理和方法的基礎(chǔ)上，選取了具有較寬收斂域的徑向基核函數(shù)，利用雙線性格網(wǎng)法進(jìn)行核函數(shù)的參數(shù)優(yōu)化，獲得用于藍(lán)藻分類的支持向量機(jī)模型，經(jīng)驗(yàn)證該模型對(duì)水體與藍(lán)藻的分類有著較好的精度要求。

結(jié)語

無人機(jī)技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中有著較高的應(yīng)用潛力，但其研究尚需在以下方面進(jìn)行努力：加強(qiáng)無人機(jī)技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)取樣中發(fā)展瓶頸的優(yōu)化完善研究，著重對(duì)基于無人機(jī)技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的薄弱環(huán)節(jié)開展研究，同時(shí)開展無人機(jī)技術(shù)與5G 的系統(tǒng)構(gòu)建，這有利于無人機(jī)技術(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)體系的成熟完善。

同時(shí)著重進(jìn)行無人機(jī)機(jī)載圖像的拼接和對(duì)水質(zhì)參數(shù)的反演模型研究，集中于拼接技術(shù)研究和算法的優(yōu)化，這對(duì)提高無人機(jī)技術(shù)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的精度和速率有著重要意義。