申邵洪,姜 瑩,陳希熾,向大享,陳 喆,文雄飛

(1.長江科學(xué)院 科研計劃處,武漢 430010; 2.長江科學(xué)院 武漢市智慧流域工程技術(shù)研究中心,武漢 430010;3.長江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所,武漢 430010)

0 引 言

為了推動新階段水利高質(zhì)量的發(fā)展, 水利部正在加快推進智慧水利建設(shè)工作。 在突發(fā)性水污染應(yīng)急處置方面, 需要集成不同時空分辨率的航空、 航天和無人機低空遙測平臺與地面水環(huán)境觀測技術(shù), 搭建高時效、 高精度“天空地一體化”水污染移動立體監(jiān)測平臺, 實現(xiàn)水污染事件智慧化模擬分析[1-3]。

隨著對地觀測技術(shù)的不斷發(fā)展,應(yīng)急監(jiān)測已從傳統(tǒng)單一的地面監(jiān)測發(fā)展到“天空地一體化”監(jiān)測網(wǎng)的新階段,觀測任務(wù)對時效性、準(zhǔn)確性及時空覆蓋有更高的要求[4]。對地觀測傳感器的種類和數(shù)量不斷增多與豐富,但同類或異構(gòu)觀測平臺之間如何高效配合,仍然是一個難題。突發(fā)性水污染事件發(fā)生后,天基、空基、陸基觀測各具優(yōu)勢,污染發(fā)生時、動態(tài)演變過程中和后期等不同階段具有不同的觀測需求,急需建立多傳感器動態(tài)組網(wǎng)方法,實現(xiàn)觀測平臺間的互補觀測和應(yīng)急協(xié)同[5-7],以滿足應(yīng)用需求。

突發(fā)性水污染事件應(yīng)急監(jiān)測任務(wù)對時效性、準(zhǔn)確性以及時空覆蓋有更高的要求。相比于單一傳感器監(jiān)測,多傳感器協(xié)同在時空覆蓋范圍、觀測系統(tǒng)的魯棒性、信息的可靠性和準(zhǔn)確性、資源重復(fù)利用效率等方面具有重要優(yōu)勢[8-9]。多傳感器需要不同層次、不同角度監(jiān)測平臺之間的高效配合,充分發(fā)揮天基、空基、陸基、水基監(jiān)測平臺的優(yōu)勢,根據(jù)突發(fā)性水污染事件的動態(tài)演變,構(gòu)建基于事件時間、空間與需求參數(shù)集的立體監(jiān)測模型,從模型的監(jiān)測實效性能、空間覆蓋性能以及監(jiān)測性能等角度出發(fā),實現(xiàn)高效動態(tài)組網(wǎng)監(jiān)測。

本研究立足于當(dāng)前水資源應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的學(xué)術(shù)前沿,系統(tǒng)研究了面向突發(fā)性水污染事件應(yīng)急監(jiān)測感知網(wǎng)的動態(tài)組網(wǎng)理論與方法,深入開展智慧化模擬分析。

1 多傳感器立體協(xié)同監(jiān)測模型

1.1 多平臺多傳感器立體協(xié)同監(jiān)測模型

假設(shè)需要突發(fā)性水污染應(yīng)急監(jiān)測的事件為E,描述事件的屬性分別為事件時間屬性T、事件空間屬性S和事件需求屬性P。一旦事件發(fā)生,事件即具有時間與空間屬性,時間屬性T表示事件發(fā)生的時間或需要被監(jiān)測到的時間參數(shù),可以為一個瞬時時刻或一個時間間隔;空間屬性S描述事件發(fā)生的位置和空間分布特征;而事件需求屬性P是事件監(jiān)測的一系列需求參數(shù)集合。建立事件模型:

E=E(T,S,P) ;

(1)

T={Ts,Te} ;

(2)

S=(Xi,Yi,i),i=1,2,…,n;

(3)

P={p1,p2,…,pk} 。

(4)

式中:Ts、Te分別為監(jiān)測任務(wù)的時間起點與終點;S為空間參數(shù),表示需要監(jiān)測的空間范圍,是由n個點坐標(biāo)組成的有限邊界區(qū)域;P為需要滿足的k個監(jiān)測需求參數(shù)的集合,包括對事件進行監(jiān)測的平臺需求、傳感器需求、監(jiān)測分辨率需求、氣象需求、成本需求,以及根據(jù)監(jiān)測事件的需求設(shè)置其他參數(shù)等。不同T與S條件下,事件模型的監(jiān)測需求參數(shù)P也會不同。

以河湖突發(fā)性水污染監(jiān)測為例,通常需要衛(wèi)星、無人機、地面、水上平臺的協(xié)同監(jiān)測,多傳感器協(xié)同立體監(jiān)測的平臺可以定義為

α={αi,i=1,2,3,4} 。

(5)

式中i為平臺類別,分別為衛(wèi)星(空基)、飛機或無人機(天基)、地面?zhèn)鞲衅髌脚_(陸基)、監(jiān)測船(水基)。

根據(jù)對河湖水污染事件監(jiān)測任務(wù)的建模,平臺具備如下3個屬性:

(1)監(jiān)測時間屬性Tα,包括平臺αi監(jiān)測時間窗Ti與協(xié)同時間狀態(tài)標(biāo)記MTi,即:

Ti={Tis,Tie} ;

(6)

(7)

式中Tis、Tie分別為平臺αi監(jiān)測時間窗的起點與終點。

如果平臺αi監(jiān)測時間窗口與式(1)中事件的時間重合,則平臺αi可以在事件E的T時間段內(nèi)運行。MTi=0表示不能執(zhí)行監(jiān)測任務(wù),MTi=1表示可以執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)。

(2)監(jiān)測空間屬性Sα,包括平臺αi的監(jiān)測性能Si與協(xié)同時間狀態(tài)標(biāo)記MSi,即:

Si=(Xil,Yil,Zil),i=1,2,…,n,

l=1,2,…,m;

(8)

(9)

式中:Si為由m個點坐標(biāo)組成的有效邊界區(qū)域;Xil、Yil、Zil分別為對應(yīng)的點坐標(biāo)參數(shù);MSi=1表示平臺αi的監(jiān)測范圍與事件E的空間屬性S存在交集,即平臺αi對事件E有監(jiān)測覆蓋,否則MSi=0。

(3)監(jiān)測性能屬性Pα,包括平臺αi監(jiān)測性能Pi與協(xié)同狀態(tài)標(biāo)記MPi,即

Pi={pi1,pi2,…,pik} ;

(10)

MPi=MPi1MPi2…MPij;

(11)

(12)

式中Pij為描述平臺αi監(jiān)測性能的j項參數(shù),包括搭載的傳感器參數(shù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)類型參數(shù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)分辨率參數(shù)等。當(dāng)Pij∈P,即平臺αi具有獲取當(dāng)前事件監(jiān)測第j項需求參數(shù)的能力時,MPij=1,否則為0。

動態(tài)組網(wǎng)監(jiān)測通過空天陸水多源監(jiān)測平臺協(xié)同監(jiān)測,實現(xiàn)對水污染事件E的最大效益化監(jiān)測。

由于各個平臺均可能獲取該平臺對事件的監(jiān)測信息,且各平臺相互之間聯(lián)系并不緊密,因此,監(jiān)測任務(wù)的協(xié)同在現(xiàn)有平臺資源條件下,以滿足監(jiān)測需求為第一準(zhǔn)則,實現(xiàn)對事件的協(xié)同監(jiān)測。根據(jù)事件發(fā)生的時間、空間與需求參數(shù)集合、各平臺的監(jiān)測屬性,以及不同監(jiān)測平臺的約束條件,建立協(xié)同組網(wǎng)監(jiān)測模型的目標(biāo)函數(shù)為:

1.2 多傳感器立體監(jiān)測協(xié)同求解

協(xié)同求解過程如圖1所示,首先構(gòu)建立體監(jiān)測事件模型E=E(T,S,P),將事件E的T、S、P參數(shù)作為協(xié)同任務(wù)的時間集合、空間集合與監(jiān)測需求集合,進行集合求解,獲得協(xié)同平臺對應(yīng)的T、S、P參數(shù)。

圖1 多傳感器協(xié)同水污染立體監(jiān)測求解流程

具體步驟如下:

(1)根據(jù)監(jiān)測需求構(gòu)建事件監(jiān)測模型E(T,S,P),并利用T、S、P參數(shù)求解平臺αi是否可以協(xié)同監(jiān)測的標(biāo)記矩陣Mα,即

(14)

當(dāng)MTiMSiMPi=1(i=1,2,3,4)時,平臺αi進入?yún)f(xié)同監(jiān)測狀態(tài)。

(2)確定協(xié)同監(jiān)測的平臺啟用的優(yōu)先級λα=[λ1,λ2,λ3,λ4],λi∈(0,1),平臺可監(jiān)測時間窗離事件E監(jiān)測時間窗T越近,則優(yōu)先級越大,優(yōu)先啟用。權(quán)值大的平臺對應(yīng)的T、S、P參數(shù)作為下一級權(quán)值低的平臺T、S、P確定的依據(jù)。

(3)選取優(yōu)先級最大即λi=max(λα)的平臺αi,計算該平臺在事件E(T,S,P)建模條件下的Eαi(Ti,Si,Pi),Eαi(Ti,Si,Pi)?E(T,S,P)為平臺αi在協(xié)同任務(wù)中的輸出,將λi從λα中移除。

(4)將剩余任務(wù)E(T,S,P)-Eαi(Ti,Si,Pi)賦予步驟(3)中剩余平臺里權(quán)值最大的平臺αi,計算該平臺在事件E(T,S,P)-Eαi(Ti,Si,Pi)條件下的輸出Eαi(Ti,Si,Pi)。

(5)重復(fù)步驟(3)、步驟(4),直至任務(wù)事件E(T,S,P)完全被執(zhí)行或4類平臺全部調(diào)用完畢。

1.3 協(xié)同類型與模型效益評價

根據(jù)事件監(jiān)測任務(wù)的建模,平臺之間的監(jiān)測協(xié)同可分為時間協(xié)同、空間協(xié)同、監(jiān)測性能協(xié)同。

定義1(時間協(xié)同):對于監(jiān)測事件E,參與協(xié)同的平臺?αi∈α、?αj∈α,滿足Ti?T、Tj?T且Ti≠Tj,則平臺為時間協(xié)同監(jiān)測。

定義2(空間協(xié)同):當(dāng)平臺αi、αj接收到的空間參數(shù)滿足Si?S、Sj?S且Si≠Sj,平臺αi、αj為空間協(xié)同監(jiān)測。

定義3(監(jiān)測性能協(xié)同):當(dāng)平臺αi、αj滿足Pi?P、Pj?P且Pi≠Pj,平臺αi、αj為監(jiān)測性能協(xié)同。

2 多傳感器動態(tài)組網(wǎng)立體監(jiān)測模擬分析

2.1 丹江口水庫基本情況

丹江口水庫位于漢江中上游, 地處湖北、 河南和陜西三省交界處。 丹江口庫區(qū)地理位置處于32°36′N—33°48′N、110°59′E—111°49′E之間,水庫橫跨豫鄂兩省,控制流域9.5萬km2。丹江口水庫一期工程于1973年建成,設(shè)計蓄水位157 m,防洪限制水位149 m;2014年二期大壩加高工程調(diào)水后,正常蓄水位從157 m抬高到170 m,庫容從174.5億m3增加到290.5億m3,新增淹沒區(qū)面積達307.7 km2。

2.2 多平臺多傳感器水污染立體監(jiān)測網(wǎng)

丹江口庫區(qū)水污染立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由天基、空基、陸基和水基監(jiān)測平臺構(gòu)成,其中:①天基平臺包括高分辨率和高光譜衛(wèi)星;②空基平臺包括無人機;③陸基平臺包括水質(zhì)監(jiān)測實驗室;④水基平臺包括應(yīng)急水質(zhì)監(jiān)測船和水質(zhì)自動監(jiān)測站等。各平臺的監(jiān)測參數(shù)及其特點如表1所示。

表1 水污染立體監(jiān)測網(wǎng)各平臺參數(shù)及特點

2.3 應(yīng)急監(jiān)測條件下的多傳感器立體協(xié)同監(jiān)測分析

2.3.1 多傳感器立體協(xié)同監(jiān)測構(gòu)建

以丹江口庫區(qū)某支流突發(fā)水污染事件為例,如圖2所示,采用多傳感器立體協(xié)同監(jiān)測獲取水污染事件發(fā)生地點、污染范圍、水質(zhì)污染總體狀況、事故點上下游河段的基礎(chǔ)地理條件。

圖2 庫區(qū)某支流假設(shè)水污染突發(fā)區(qū)域

在水污染事件應(yīng)急監(jiān)測過程中,按照污染事件發(fā)生時、動態(tài)演變過程中以及事件后期3個階段,分別構(gòu)建觀測事件,采用式(1)建立事件模型E(T,S,P),開展多傳感器動態(tài)組網(wǎng)和協(xié)同觀測分析。

2.3.1.1 水污染事件發(fā)生時

監(jiān)測需求:獲取突發(fā)水污染區(qū)域1 km范圍內(nèi)且事件發(fā)生后72 h內(nèi)空間分辨率優(yōu)于20 cm的航空影像,及時獲取污染物類型信息和實時、精準(zhǔn)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

根據(jù)監(jiān)測需求,分別構(gòu)建E1和E2事件,開展多傳感器協(xié)同觀測分析。即E1=E1{T=[T0,T0+72 h],S=(事故發(fā)生點半徑1 km),P={p1=空間分辨率優(yōu)于20 cm多光譜真彩色影像}},其中T0為事件發(fā)生時間。

將觀測事件參數(shù)按照式(14)開展協(xié)同求解,獲得協(xié)同觀測平臺的標(biāo)記矩陣為

E2=E2{T=[T>T0],S=(事故發(fā)生點半徑50 m),

P={p1=污染物類型,p2=精準(zhǔn)水質(zhì)參數(shù)}}。

按照式(14)開展協(xié)同求解,獲得協(xié)同觀測平臺的標(biāo)記矩陣為

2.3.1.2 事件演變過程中

監(jiān)測需求:即獲取事件發(fā)生區(qū)域5 km范圍內(nèi)30 d內(nèi)空間分辨率優(yōu)于2 m的多光譜真彩色影像,獲取事件發(fā)生區(qū)域5 km范圍內(nèi)實時精準(zhǔn)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和水位、流量以及空間分辨率優(yōu)于5 m的水下地形數(shù)據(jù)。

根據(jù)監(jiān)測需求,分別構(gòu)建E1、E2和E3事件,開展多傳感器協(xié)同觀測分析。即

E1=E1{T=[T>T0+30 d] ,

S=(事故發(fā)生點半徑5 km) ,

P={p1=空間分辨率優(yōu)于2 m多光譜真彩色影像}}。

獲得協(xié)同觀測平臺的標(biāo)記矩陣為

E2=E2{T>T0,S=(事故發(fā)生點半徑5 km),P={p1=水質(zhì)參數(shù),p2=水位、流量等水文參數(shù)}}。

獲得協(xié)同觀測平臺的標(biāo)記矩陣為

E3=E3{T=[T0+2 d],S=(事故發(fā)生點半徑5 km),P={p1=空間分辨率優(yōu)于5 m的水下地形}}。

獲得協(xié)同觀測平臺的標(biāo)記矩陣為

2.3.1.3 水污染事件后期

監(jiān)測需求:獲取事故發(fā)生點半徑500 m內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(常規(guī)7參數(shù):COD、氨氮、總磷、總氮、色度、濁度、懸浮物)。

根據(jù)監(jiān)測需求,構(gòu)建E1事件,開展多傳感器協(xié)同觀測分析。即

E1=E1{T=T0,S=(事故發(fā)生點半徑500 m),

P={p1=常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測7參數(shù)}}

獲得協(xié)同觀測平臺的標(biāo)記矩陣為

2.3.1.4 水污染事件全過程多傳感器協(xié)同組網(wǎng)分析

對突發(fā)性水污染事件發(fā)生時、動態(tài)演變過程中以及事件后期3個階段觀測事件的構(gòu)建與協(xié)同觀測平臺求解,需要多平臺協(xié)同組網(wǎng),涉及衛(wèi)星(空基)、飛機或無人機(天基)、地面?zhèn)鞲衅髌脚_(陸基)、監(jiān)測船(水基)。動態(tài)演變過程中,衛(wèi)星與飛機、無人機均為可用狀態(tài),綜合考慮協(xié)同監(jiān)測任務(wù)中監(jiān)測性能、時效性、空間覆蓋性能、監(jiān)測費用等多項因素,采用協(xié)同組網(wǎng)監(jiān)測模型的目標(biāo)函數(shù)(式(13))進行優(yōu)化分析、求解,獲得時空-觀測性能協(xié)同模式為

即無人機(天基)、地面?zhèn)鞲衅髌脚_(陸基)、監(jiān)測船(水基)3個平臺開展協(xié)同監(jiān)測效益最高,各平臺監(jiān)測效益如表2所示。

表2 多傳感器時空協(xié)同觀測性能效益分析

由表2可知,無人機空間覆蓋性能可實現(xiàn)完全覆蓋,且時效性達0.31,觀測性能達1.90,能滿足丹江口支流突發(fā)水污染事件發(fā)生時觀測性能需求;地面?zhèn)鞲衅骺臻g覆蓋性能為0.35,時效性能0.25,觀測性能2.05,能滿足水污染演變過程局部的水位、水量觀測需求;監(jiān)測船空間覆蓋性能0.26,時效性能0.39,觀測性能2.10,能滿足污染后期精準(zhǔn)水質(zhì)監(jiān)測、水下地形的觀測性能需求。

3 結(jié) 論

面向突發(fā)性水污染事件,構(gòu)建了“天空地一體化”水污染立體移動監(jiān)測平臺,并基于多傳感器立體協(xié)同監(jiān)測模型,深入開展了天基、空基、陸基和水基等不同平臺傳感器協(xié)同組網(wǎng)監(jiān)測研究。選擇丹江口水庫庫區(qū)某支流為試驗區(qū)域,在突發(fā)水污染事件的情況下,面向事件發(fā)生時、演變過程中和事件后期多個階段,根據(jù)不同階段監(jiān)測需求的變化,構(gòu)建多傳感器協(xié)同觀測事件,深入開展多傳感器協(xié)同觀測分析。結(jié)果表明多傳感器立體監(jiān)測網(wǎng)能夠協(xié)同、高效獲取水污染應(yīng)急處置所需的監(jiān)測數(shù)據(jù),能夠動態(tài)、準(zhǔn)確開展水污染模擬分析,可以準(zhǔn)確、及時支撐突發(fā)性水污染事件的應(yīng)急處置工作。