＊杨慧慧 赵东南 周宾 苏智 贾滨洋*

（1.东南大学能源与环境学院 江苏 210096 2.成都市环境应急指挥保障中心 四川 610066）

随着社会的发展，流域环境保护越来越重要。近年来流域突发性污染事故频发，给社会发展和环境保护带来不少难题，发展流域应急监测技术逐渐受到重视。生态环境监测规划纲要（2020-2035年）指出：监测手段从传统手工监测向天地一体、自动智能、科学精细、集成联动的方向发展。相比传统手工作业，探索智能设备在突发流域环境事故中实现大范围、快速、有效监测尤为重要。本文在梳理各类智能环保设备的基础上，探讨无人机遥感技术在流域环境应急监测中的应用现状，以期为突发流域污染事件的环境应急监测提供参考。

1.智能环保设备概况

(1)遥感无人机

传统水体监测通常采用点监测的方式来考察整个流域，难以真实反映整体流域状况。随着无人机技术的发展，利用无人机搭载各类设备实行流域应急监测已成现实：搭载相机对水域进行摄像可观测大范围流域环境；搭载多光谱成像仪，生成的多光谱图像可快速寻找污染源与漂浮垃圾，实现水体透明度、油污及悬浮物等监测[1]。

(2)无人船

无人船有着无人化、自动化与智能化的优势，使水质采样点与监测范围迅速增加，大大增加了监测数据量，提高了工作效率，同时避免人员涉水测量，保障了人员安全。无人船搭载水底扫描仪，可实现水下精准测绘及排污暗管勘探；搭载高清摄像机，可远程监控水面情况；搭载水质监测设备可进行水质实时监测，配合探测设备追踪污染源[2]。

(3)水面清污机器人

水上清污机器人是结合机械工程、无线通讯和人工智能等技术的智能设备，能对流域漂浮污染物快速回收处理。其中，智能溢油清污机器人能对水面油污开展高效回收处理，但其存在船体大、造价高等问题，当前正致力于小型化智能溢油回收船的研发[3]。

(4)管道爬行机器人

管道机器人是一种搭载多类传感器，开展管道巡查作业的智能装备[4]，其体积较小，可代替人工进入狭小管道，通过拍摄视频图像实时查看管道内部情况。管道机器人的灵活性更高，易于发现隐蔽的排污暗管，实现地下暗管高效、彻底的排查。

(5)移动监测机器人

移动监测机器人由前端采集设备和后台服务系统组成。前端采集设备采集现场各监测指标，后台服务系统接收并处理数据。由于流域分布区域广、位置偏远，仅仅依靠人工巡

查监管难度很大。移动监测机器人可对流域进行实时自动监测，弥补传统有线监控管理难度大、电源提供困难、信号传输受限等劣势[5]。

2.流域环境应急处理现状

(1)全国流域环境应急处理现状

我国流域应急监测处于发展阶段，主要采用检测管法或实验分析法检测污染物。检测管法快速、方便，但仅分析常规项目，且多用于污染物定性，定量精度不高。实验室分析方法采用专用仪器，测量精度较高，但需在现场采样后运回实验室分析，不能及时反映现场情况。国内部分环境监测单位配备了便携式快速测定仪器用以应急监测。这些仪器比常规方法快速，具有一定的精确度。但便携式仪器尚未形成标准，在使用过程中缺乏规范性[6]。

流域监测断面存在断面布置数量不足、布置不均的问题。监测站点多设在人口稠密的河段上，在距城市较远的水域监测站点布设稀少，不利于污染物溯源。应急人员多沿河寻找疑似污染源，采集水样完成水质分析后才能最终确定污染源[7]。这种溯源方式耗时较长，不利于污染的快速治理。

(2)成都流域环境应急处理现状

成都市环境监测单位采用自动监测与人工监测相结合的方式开展应急监测，建成高精度综合分析实验室，配备移动式环境监测车及便携式水质监测设备，现有设备具备快速鉴别常规污染物的能力。但由于流域突发污染事件的复杂性和不确定性，现有设备在现场快速测定方面还存在明显缺陷，针对突发性事故仅满足常规指标监测。

此外，成都市在部分流域建有水质环境监测站，开展定期监测，能获得精准的水质数据。但现有站点仅能实现点尺度的监测，不能掌握流域面尺度的信息，也无法对突发性污染事件进行实时监控。

3.应用分析

传统的流域水质监测涵盖区域有限，难以反映整体状况。遥感技术可对大范围水域进行监测，无人机机动灵活、拍摄视野广，将无人机与遥感技术相结合，可弥补传统监测方法的不足。

(1)遥感水质监测方法

基于无人机遥感技术的流域水质监测流程如图1所示。具体操作步骤为：

图1 遥感水质监测流程

①规划无人机的飞行高度、航线后，进行流域水样采集和遥感影像获取：利用无人机搭载取样装备采集不同点位的水样；利用无人机搭载相机等光学遥感设备采集流域的遥感影像。

②根据监测需求，采用实验室方法检测水样相关参数。

③对遥感影像进行大气校正、辐射定标、正射纠正等预处理[8]，确定反演计算的最佳波段，计算得到光谱反射率。

④对获取的光谱数据与水质实测数据做相关性分析，选择合适的方法构建污染物浓度反演模型。

⑤根据反演模型对监测区域进行遥感监测，获取水质信息。

(2)河面日常巡查

由于流域范围广、面积大，要实现流域全范围的监测费时费力。无人机搭载摄像单元可进行排放口抓拍、河面全景覆盖，从宏观层面观测水质情况。通过影像分析技术可识别水面有色污染、垃圾漂浮物等。在突发污染事故后，无人机可快速到达指定位置，搭载取样设备或水质传感器就地检测污染物，为污染治理提供有力帮助。

(3)监测有机物

流域水体有机物种类繁多、成分复杂，实际工作中采用COD、BOD等指标间接反映有机物含量受有机物污染水体的反射率低于干净水体，有机物浓度的增大会导致水体在近红外及可见光波段的吸收性能增强，高浓度有机物污染的水体呈蓝黑色或深蓝色[9]。通过无人机搭载多光谱遥感成像仪获取高分辨率、高覆盖率的多光谱图像，通过预先建立有机物与水色反演模型，可实现监测区域有机物的无人机遥感监测。

(4)监测水面油污

水面油污的遥感监测可通过可见光遥感、红外遥感或紫外遥感等方式来实现[10]。在300～400nm波段，油污反射率较弱；在630～680nm波段，油污与清洁水体的反差最大，可以利用这两个可见光波段进行油污监测。在常温下，热红外影像中干净水体呈白色，排油区呈黑色，可以依据遥感图像中灰阶的不同来计算油污含量。厚度小于5mm的油膜对紫外光有较好的亮度反差，其反射率为干净水体的2.2～2.8倍，因此也可以选择紫外波段监测水面油膜。

(5)监测悬浮固体

悬浮固体会影响水体的光学性质。在近红外及可见光范围，水体反射率随悬浮物浓度的增加而增大。580～680nm是监测悬浮固体的最佳波段，在此波段下不同浓度的悬浮物质会出现相应的峰值[11]。利用高光谱图像建立的水体悬浮物浓度与浊度的空间分布图，可实现水质参数的可视化。

(6)监测水体富营养化

对水体富营养化的监测可通过监测叶绿素a的含量实现，其反射率在蓝光波段具有波谷，在绿光和近红外波段具有波峰[12]。目前已构建多种反演模型，但受季节变化和悬浮物、有色有机物的干扰，模型精度不高、适用性不强。Blix[13]开发了一种模型自动选择算法，选取3种匹配数据集模拟复杂的水体条件，通过4种特征分级方法和3种机器学习回归模型估算了光学复杂水域的叶绿素a浓度。

(7)监测水体热污染

目前主要通过热红外遥感来监测水体热污染，热污染排放过程中水体温度升高的地方在遥感影像中为白色或灰白色。由于水体热容量大，水体温度空间变化小，使得模型反演精度不高。为提升监测精度，机器学习理论逐渐得到应用。毛克彪等[14]结合辐射传输模型与深度动态神经网络成功反演水体温度。杨昆等[15]提出一种综合利用支持向量机、主成分分析法及反向传播人工神经网络的组合预测模型，实现了滇池水温的预测。

4.存在问题及展望

无人机遥感在流域环境应急监测中具有明显优势，但我国在流域环境监测的应用仍处于起步阶段，一些方法和理论尚未成熟，其不足主要体现在：

（1）机载传感器精度及无人机搭载负荷的能力亟待提升。受无人机负荷的限制，高精度的大型传感器难以搭载，机载传感器的精度及分辨率较低，影响监测数据的准确性，难以保证长期、连续和高精度监测。

（2）遥感水质监测种类较少。现阶段对油污、悬浮物和温度等参数的反演已日趋成熟，但对有机物及其他非光敏性污染物的光谱特性研究不够深入，难以对其进行有效监测。

（3）所建立的水质反演模型应用范围受限。水质遥感监测通常只适用于特定的流域和时段，建立的反演模型不具有普适性。流域水体组分复杂，遥感监测会受水体组分、有色物质等因素的干扰，监测效果不佳。

（4）无人机遥感监测不能完全取代常规的地面监测。内陆水体具有较强的区域性和季节性特点，现有反演算法缺乏理论基础，有较强的时空局限性，仍需地面监测数据对遥感数据进行验证和补充。

基于上述不足，未来应从如下几个方面来开展研究：

（1）针对无人机搭载负荷受限的问题，加强无人机载荷的轻型化与小型化研究，开发高精度的无人机专用监测仪器，提升测量精度。

（2）运用光谱微分技术、人工智能与大数据技术等新型技术，建立不受时空限制的水质参数反演算法，加大模型的适用范围。

（3）加强水质监测指标光谱特性的研究。深入研究水质各参数的光学特性与遥感监测光谱数据之间的理论关系，了解水体不同组分的光谱特征及相互影响规律，扩大污染物的监测种类，丰富水质参数的光谱特征数据库。

（4）利用无人机实现不同监测设备的协同工作构建空地协同的流域环境监测系统，实现多源水质监测信息数据联动，将传统监测与遥感监测相结合，提升水质监测效果。

5.结论

无人机水质遥感技术视域广、主动灵活，能弥补传统流域应急监测的不足。通过无人机搭载设备对监测区域进行航拍，对获取光谱进行反演分析，可开展流域有机物、油污、悬浮固体、富营养化与热污染的有效监测。

但无人机遥感技术在我国流域监测中的应用仍处于起步阶段，受限于无人机负载及流域水体的复杂性，水质遥感监测仍存在棘手的问题。相信随着无人机与遥感技术的成熟，无人机遥感技术必将在流域应急监测方面发挥巨大优势，为现有监测方法提供有益补充。