肖昌亮 ， 阮汝泓

（浙江樹人大學，浙江 杭州 310000）

在治理河道方面，相對于傳統(tǒng)的行人、行車或行船測量技術，無人機在水資源保護、水域岸線管理、水污染防治、水環(huán)境治理等方面的應用越來越廣泛，并在侵占河道、違規(guī)捕魚、圍墾湖泊、超標排污、非法采砂、破壞航道、非法捕撈等突出問題上發(fā)揮著重要的作用。無人機技術的應用不僅大量節(jié)省了監(jiān)管的時間成本、人工成本，監(jiān)測效果也更加全面高效。但是就目前無人機在河道監(jiān)測系統(tǒng)的運用情況來看，由于采用手動起飛、采集圖像、事后處理、人工標注的基本流程，其存在監(jiān)測效率較低、自動化程度不高、可推廣性不強等問題。為了促進無人機在河道監(jiān)測領域的進一步應用，提升無人機巡檢的工作效率，本研究對當前鄉(xiāng)村河道治理的眾多問題進行深入的調研與分析，探析基于高效率的河道治理新模式，并結合團隊的數據處理能力和對無人機自動巡檢河道技術的充分了解，提出基于政府、鄉(xiāng)村和無人機巡檢公司三方聯(lián)動治理模式的設計。

1 市場調研現狀

為實地探尋農村河道管護情況，了解地方政府的河道管控政策，以及目前無人機巡檢技術在河道巡檢中的應用情況，項目小組通過桌面研究和實地走訪等形式開展調研活動。首先通過網絡收集各類相關信息，對農村河道管護問題、河道監(jiān)管方式以及無人機巡航技術等進行桌面研究，做到心中有數。然后實地走訪了以“三橋四水”著稱的紹興市柯橋區(qū)及其所轄部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，了解當地的河道情況、地方政府的河道監(jiān)管措施，并通過實地考察、問卷調查、訪談交流等形式，完成本次調研工作，深化了桌面研究結果。最后，通過無人機技術的桌面研究，以及與無人機制造企業(yè)的溝通與合作，探尋可行的無人機河道巡航數字化平臺建設與實施方案。

1.1 河道巡檢方式對比分析

全自動無人機巡檢，通過全自動飛行系統(tǒng)可以實現24 h待命獲取低空數據，對基礎設施執(zhí)行完全自主的監(jiān)測、安全和應急響應任務，提升效率的同時最大限度地降低風險和成本。為監(jiān)控中心提供實時高清視頻，自動識別異常目標，并生成任務監(jiān)測報告。

從表1可以看出，全自動無人機的巡檢速率最高，與人工飛無人機巡檢相比，解決了需要飛手操控的成本問題，同時避免了無人機炸機、失聯(lián)等問題；與巡邏船巡檢相比，巡檢速率更高，無需人為操作，而且可以通過對無人機的遠程操控，離開水域范圍進行河道問題的溯源排查與跟蹤。

表1 三種巡檢方式對比

1.2 鄉(xiāng)村河道現狀

柯橋區(qū)有村級河道600多條，分布廣泛，支流眾多，情況復雜多樣。項目小組對紹興市柯橋區(qū)部分鄉(xiāng)村進行實地走訪調查后，發(fā)現柯橋鄉(xiāng)村的河道情況由大量中小型河流支流及眾多的人工渠道和排溝組成。河道主要存在以下幾方面的問題。

1）防洪能力不足，雨季存在安全隱患。由于不科學的城鎮(zhèn)開發(fā)、鄉(xiāng)村道路建設、經濟作物擴種等因素導致柯橋區(qū)的部分河道變窄。同時，維修經費有限，部分河岸坍塌、河道淤積造成河道行洪標準偏低等問題，使得柯橋區(qū)河道存在一定的防洪安全隱患。

2）河道附近印染企業(yè)需要實時監(jiān)督?？聵騾^(qū)城鄉(xiāng)河道附近印染企業(yè)較多，存在小型分散的工業(yè)廢水無序排入河道的問題。為防止不良企業(yè)對廢水偷排偷放，印染排污是河橋河道巡查的重要工作。

3）垃圾亂堆亂放，水體污染及生態(tài)退化現象依然存在[1]。在農村一些地方，生活污水無序排入河道，連同河道周邊的棄置垃圾，使得農業(yè)污染不斷加重，河流污染物總量增多?？聵騾^(qū)屬于平原地區(qū)，其地勢低洼平坦，水體流動性差，許多河道污染物突出，存在富營養(yǎng)化狀況。因污染物的持續(xù)增加和水體流動性差，而水體自凈能力又有限等原因，柯橋區(qū)部分水域水體污染及生態(tài)退化現象依然存在。局部水域自然環(huán)境遭到毀壞，沿河居民的生產生活用水來源無法得到保障，人居生活環(huán)保質量低下。在浙江省“五水共治”的背景下，城鎮(zhèn)河道雖然得到了有效治理，但農村河道缺乏高效的治理手段和管護措施，功能衰退和環(huán)境惡化的狀況較嚴重，亟待開展綜合整治。

1.3 鄉(xiāng)村地區(qū)治理現狀

1）河道綜合治理規(guī)劃不夠。從走訪調研情況來看，許多鄉(xiāng)村河流缺乏系統(tǒng)的綜合治理規(guī)劃。一些現有的水利工程計劃和城鄉(xiāng)河道綜合治理計劃，雖然包含一些鄉(xiāng)村地區(qū)河流綜合治理的規(guī)劃，但對水環(huán)境、生態(tài)建設綜合治理缺乏具體的目標導向和實用的綜合治理措施，治理效果不明顯。

2）資金投入有限。河道治理需要從源頭抓起，需要從源頭解決污染源、對現有污染問題進行處理，并做好河道的日常監(jiān)管工作。但由于治理資金的投入有限，村莊河道水質整改落后。

3）河道管護機制不健全。農村河道管護主體在基層，但由于農村相鄰河道地域面積廣，村落分布零散，大多數地方管護機制不健全，鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利管理人員少，力量薄弱，管理經費不足，且河道治理涉及部門較多，互相之間的溝通不便，導致工作落實不到位，對于企業(yè)排污、生活垃圾棄置等問題不能監(jiān)管到位，無法根治河道環(huán)境問題。

2 三方聯(lián)動的需求分析

2.1 政府生態(tài)環(huán)境建設規(guī)劃與監(jiān)管的需求

隨著我國經濟社會的快速發(fā)展和社會主義新農村建設的不斷深入，廣大農民的生產和生活水平不斷提高，對鄉(xiāng)村河流治理的需求也越來越強烈。國家“十四五”規(guī)劃綱要要求“十四五”時期生態(tài)文明建設實現新進步。鄉(xiāng)村振興是實現農業(yè)農村現代化的重要手段，滿足產業(yè)興旺、生態(tài)宜居、鄉(xiāng)風文明、治理有效、生活富裕的發(fā)展總目標[2]，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的環(huán)法規(guī)〔2021〕107號文件指出，“面對新形勢新任務，全國生態(tài)環(huán)境部門應當提升用最嚴格制度最嚴密法治保護生態(tài)環(huán)境的意識和能力，推動生態(tài)環(huán)境領域依法行政，深入推進依法治污?！贬槍r村地域面積廣、農村人口分布零散、河道監(jiān)管資金有限、河道監(jiān)控能力薄弱等問題，需要通過新技術、新機制、新模式以提升農村河道的污染防治與監(jiān)管能力。鄉(xiāng)村振興要堅持人人盡責、人人享有，按照抓重點、補短板、強弱項的要求，圍繞農民群眾最關心、最直接、最現實的利益問題，把鄉(xiāng)村建設成為幸福美麗新家園[3]。

2.2 鄉(xiāng)村管護機制與成本的需求

一方面，鄉(xiāng)村河流沒有科學的管理制度，使得鄉(xiāng)村河流逐漸遭到沖刷、阻塞，甚至河道水體遭到嚴重污染。包括沿河的工業(yè)企業(yè)隨意設有排污口，生產廢水未經管理直接進入河道，非法捕撈活動時有出現，但不能有效發(fā)現和遏制。同時鄉(xiāng)村的河道數量眾多，分布廣泛，支流道窄且密集，治理難度高、需求大，往往需要大量人力、物力的投入。同時，治理河道是一個漫長且持續(xù)的過程，長期的人力、物力投入將消耗大量經費，鄉(xiāng)村河道治理工作開展亟需一種低成本而高效的治理方式。因此，部分鄉(xiāng)村河道的管理層會陷入“心有余而力不足”的境地。另一方面，河道治理與政府的鏈接會涉及水利、環(huán)保、規(guī)劃、園林、市政、建管等多個部門。因此，項目組將在實地調研后，幫助鄉(xiāng)村引進無人機巡檢技術，使用全自動無人機的巡檢方式，代替耗費時間和經費的人力巡查或船只巡檢。全自動化無人機能夠對指定河段進行實時監(jiān)測，發(fā)現河道存在的問題，平臺同時將數據整合給政府各個部門，并幫助鄉(xiāng)村與政府形成鏈接且開展河道治理工作。

2.3 無人機全自動巡航企業(yè)的需求

無人機全自動巡航企業(yè)致力于無人機巡航系統(tǒng)的開發(fā)。相關企業(yè)擁有成熟的全自動飛行無人機巡查技術。為了提升河道巡查的效率與質量，經過多方考量，選用經濟實惠的無人機河道巡查系統(tǒng)，驗證其河道巡查效果。進行了無人機河道巡查實驗，通過地面站、圖像處理技術、無人機等設備與技術，實現實時獲取河道信息，及時展現河道的污染情況，監(jiān)測中心從而可制定合理的水污染治理措施[4]。但由于無人機目前受到國家可飛行范圍要求和某些特殊地理環(huán)境的限制，同時，可采集的信息變量要素和數據質量還有很大的提升空間，因此還需深入研究更適合河道巡查的無人機巡查系統(tǒng)，不斷完善無人機巡查系統(tǒng)，為環(huán)境治理工作提供更加先進的技術[5]。

3 設計實現的路徑

本設計致力于通過無人機巡航系統(tǒng)實現鄉(xiāng)村河道的數字化管護與治理效果的實時監(jiān)測等功能。

1）先從政府獲取河道相關數據，再以村為單位對河道進行實地考察觀測，將得到的各項數據整理分類，打造概念模型和河道地圖數據模型，然后制作無人機巡檢方案，并將方案提供給無人機全自動巡檢公司。待無人機巡檢結束后，將無人機巡檢數據、政府數據、實地考察數據整合歸納，最后將整合后的數據通過平臺提交給政府并協(xié)助政府治理河道。

2）本設計充分體現了團隊的實踐能力、數據處理能力以及對于無人機自動巡檢河道技術的研究能力，并與已有成熟無人機檢測技術的公司合作，為企業(yè)和政府提供有效數據，一同合作展開對河道的治理。

3）本設計從柯橋區(qū)錢清街道的河道治理防控需求出發(fā)，旨在改善柯橋區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域的水環(huán)境。未來將擴大范圍，對紹興各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水域逐步開展可行性調研以及數據采集與分析工作。同時，本研究所建立的無人機檢測系統(tǒng)數字平臺，也可以幫助政府機關實時看到各項目的相關數據和治理任務進展[6]。

4）本設計將當地政府、鄉(xiāng)村以及無人機巡檢公司三方緊密聯(lián)系起來，搭建一個聯(lián)系三方的合作平臺，為當地政府生態(tài)環(huán)境建設規(guī)劃與監(jiān)管、鄉(xiāng)村河道養(yǎng)護提供一套系統(tǒng)的解決方法，可以提升農村河道巡檢的效率，降低巡檢人力成本，提高政府的監(jiān)管和治理效率。與無人機巡航系統(tǒng)技術企業(yè)的合作，幫助企業(yè)獲得一手的河道基礎資料，并為建立更符合地方特色的無人機河道巡檢系統(tǒng)提供參考。在實現對河道的治理和對環(huán)境保護的同時，達到了多方共贏[7]。

5）本設計以團隊為核心，實現政府、鄉(xiāng)村、無人機巡檢公司三方聯(lián)動的路徑。三方聯(lián)動治理模式設計圖如圖1所示，具體說明如下。

圖1 三方聯(lián)動治理模式設計圖

第一步：團隊同政府合作，獲取有關河流域長、所屬流域、斷面?zhèn)€數、河流總長、河岸線高度、水域面積、水域容積、水域功能、使用情況、污染程度等相關數據。

第二步：以村為單位開展子項目，運用各種AI識別技術、光譜儀、紅外檢測器等手段對目標村落進行實地考察，收集水域數據。

第三步：團隊利用政府提供的原始數據進行數據篩選和數據處理，打造概念模型和河道地圖數據模型，得出有效數據，并結合實地考察數據，根據考察結果確定紅外范圍，將村級分布圖像與河道圖像拼接為一個圖像，劃定無人機巡檢路線與單次行駛的起點和紅外感應范圍，以此提供巡檢方案。

第四步：將巡檢方案通過平臺提供給擁有成熟無人機自動巡檢技術的公司，根據巡檢路線與紅外感應范圍對河流進行定向巡檢。

第五步：對前期團隊實地考察獲得的各項數據和無人機公司檢測到的各項數據進行整合分析，將最終發(fā)現的問題通過平臺提交給政府，協(xié)助政府相關部門進行河道治理。

第六步：同時團隊將會對已經治理完成的項目進行定期考察，不斷根據環(huán)境變化完善巡檢方案，運用無人機對河流漂浮物、非法用火、非法捕魚等情況進行定期巡檢。

第七步：團隊會為多水域地區(qū)的鄉(xiāng)村提供建設特色服務的想法，打造宜居宜旅的美麗鄉(xiāng)村。團隊將拍攝并記錄環(huán)境治理前后的變化和治理過程，將拍攝內容剪輯后放到各大平臺從而達到宣傳目的，以此推動當地文旅產業(yè)的發(fā)展。

第八步：團隊與無人機巡檢公司開展了密切的技術合作，結合實地考察獲得的數據和云端控制系統(tǒng)獲得的數據在平臺建立數據庫，不斷根據環(huán)境的變化完善數據庫，從而降低后續(xù)治理和后期維護的成本[8]。

4 結語

無人機作為一種新型的遙感技術設備，它在遙感控制領域的應用有很多，而且隨著遙感技術的發(fā)展與成熟，其應用成本也變得越來越低。如果將其用于河流環(huán)境監(jiān)測，不但可以獲得高質量的高清影像和圖像，而且還可以通過對違法污染的區(qū)域進行逐個排查，獲得相應的地理信息，再通過GIS進行信息化管理。從而為河道管理部門的決策提供了科學的參考，并進一步優(yōu)化了監(jiān)督管理工作的效率與質量[9]。同時，隨著全自動無人機技術的發(fā)展與成熟，全自動無人機也將逐漸代替低效、耗費人力的普通無人機，占據河道監(jiān)測的市場，為無人機全自動治理提供方向。

政府具備較強的動員組織能力、執(zhí)法處理能力以及充足的現金，同時還有擁有眾多同治理息息相關的地理數據[10]；無人機制造企業(yè)則具備先進的遙感技術，個性化的遙感探測因子設計；數字化平臺方案公司則可以在兩者中間發(fā)揮需求與技術融合的功能。政府、無人機制造企業(yè)和數字化平臺方案公司三方聯(lián)動的環(huán)境治理模式正在成為市場主流。