浅析无人机在水环境监测工作中的应用

谢鑫苗 周 繁 张 燕 蔡 越

（1 江苏省南京环境监测中心 江苏南京 210013 2 江苏省苏力环境科技有限责任公司 江苏南京 210000）

引言

水环境监测是生态环境保护工作的重要一环，为客观评价水环境质量状况，环境管理及决策的实施提供依据。生态环境部印发《“十四五”生态环境监测规划》中要求建立完善现代化生态环境监测体系，强化“监测先行、监测灵敏、监测准确”，以更高标准保证监测数据“真、准、全、快、新”，面对更高要求，水环境监测对先进技术的需求越发迫切。然而，目前水环境监测工作存在劳动强度大、监测区域受限、数据收集慢、周期长、成本高等问题。无人机技术作为智能化、信息化的新技术，应用于水环境监测工作中，作为常规水环境监测及评估的积极补充，能够有效解决河流、湖库等水环境监测问题，[1]进一步提高水环境监测质量与水平，同时更好的服务环境管理与监督。笔者根据水环境监测工作现状，阐述无人机系统组成及应用现状，并从地表水的水质监测、水生态的管理与调查、水环境预警应急及溯源监测三个方面对无人机技术在水环境监测中的应用及优势进行了分析。

1 水环境监测工作现状

当下水环境监测工作主要基于两种方式，一种是人工完成水样采集工作，通过便携式仪器和实验室分析测定水质，以相关数据信息为基础，掌握河流及湖泊是环境特征。采用便携式仪器对水质现场监测，另一种是水质自动监测系统，该系统由监控中心和若干个监测子站组成。[2]人工采样劳动强度大，不仅无法快速直观了解上下游其周边区域情况，监测现场环境复杂，水流较为湍急等情况下，人工采样存在安全隐患，此外人工采样过程中使用的船只多数以柴油作燃料，船只行驶可能引发柴油泄漏等现象，将会对水环境造成二次污染，进而使水环境监测工作的准确性受到影响。[3]实验室分析水质数据收集进度较慢，监测周期长，而且不能水质参数实时监控，无法反应水环境动态变化。水环境自动监测系统虽能弥补上述不足，但系统的建立需要铺设光缆及建立监测子站等施工要求，存在成本高，监测范围有限、易对监测区域造成破坏等缺点。[2]可见,在水环境监测现代化建设进程中,还需要不断加强先进技术应用,确保监测过程更加安全、高效。

2 无人机系统组成及应用

2.1 无人机系统组成

无人机系统主要由无人机平台、飞行控制系统及机载遥感设备系统等部分组成。无人机平台作为监测的载体，主要有无人直升机、无人固定翼及无人飞艇三种平台。飞行控制系统主要负责飞行控制与管理，作为无人机的核心系统对其飞行性能至关重要，它一般分为机上和地面两部分，机上部分包括稳定姿态控制、飞行轨迹与导航控制、自主飞行控制等；地面部分包括实时影像的接收与显示及获取的影像数据处理终端等飞行过程的监控与显示、飞行定位、起降等操作指令系统等。机载遥感设备控制系统是由数字相机、单轴稳定平台、遥感设备控制系统等组成，[4]同时还可根据应用领域需要，搭载诸如二氧化硫、臭氧等环境类或湿度、温度等气象类指标仪器。

2.2 无人机系统的主要应用

无人机因其作业成本低、灵活机动、快速高效等优越性能广泛应用于军事、应急搜救、农林环保、交通及航拍等多个领域。

（1）无人机在军事领域的应用

无人机能够灵活执行各类战术战略任务，侦察机、诱饵机、攻击机等都出现了无人作战的影子，早在20世纪50 时年代，美国研制了其历史上第一架实用型无人侦查机，通过携带红外或者昼间照相机进行军事信息的收集。军用无人机技术逐渐成为当前军事力量竞相角逐的热点之一，未来在隐蔽侦察监视、重点攻击、诱敌及对敌干扰等方面，无人机或成为无可替代的首选作战装备。[5]

（2）在应急救援领域的应用

全球已许多国家将无人机纳入应急救援体系。无人机在应急救援中主要发挥现场监测与指挥调度、通信中继与搜索救援以及物资投放与受灾评估。以色列早在1996 年就使用无人机进行火情监测。面对自然或人为灾害，当救援人员不能第一时间抵达现场时，无人机可以及时提供现场灾情情况资料，为救援部署的及时展开争取时间。[6]

（3）在农林环保领域的应用

在农林方面，无人机不但应用于喷洒农药、播种等作业，在监测病虫灾害等工作中作用显著，提高农林作业效率。[7]在环保方面，无人机广泛应用于环境监测，环境应急与监察监管、项目验收等工作。针对环境污染监测，传统监测费时费力的同时不能直观反映污染分布等问题，无人机技术成为传统监测方法的重要弥补手段，更加全面了解污染源分布、污染种类等信息。[6]彭艳等将无人机携带大气污染物监测装置，通过无人机监测不同高度、不同时间上的PM2.5 等污染物浓度，并与大气自动监测数据进行比对，分析大气污染物垂直分布及扩散规律。[8]

（4）在交通领域的应用

在交通领域，上海、北京等城市利用无人机进行道路巡查巡视，协助交通进行道路疏通同时监测交通违法行为。[9]毕景佩等人研究城市轨道交通控制保护区无人机巡护方法，从而解决无人机飞行状态巡护采集图像中的特征缝隙和重叠等问题，提高巡护效果。[10]吕兴远探索无人机应用于水上非接触执法工作，完善电子巡航工作机制，通过无人机搭载高空喊话设备，对过往船舶及相关人员进行高空喊话，宣传相关工作要求，投递物资等，推动水上交通监督执法体系智能化、后台化、标准化，提升水上交通非接触执法监管效率。[11]

（5）航拍领域

无人机航拍因其特有的拍摄视角及清晰的拍摄效果，带来全新的视觉感受。相比有人驾驶飞机的拍摄，无人机捕捉环境景观具有更好的成效效益、更强的控制性和便利性。在新闻实时转播中，无人机航拍不仅节省成本，也为记者提供了更安全有效的报道方式。[12][13]在土地管理过程中，利用无人机航拍监测区域实时影像，并与前时影像数据进行对比，从而及时发现疑似违法用地逾期，实现土地动态监测与管理。[14]

3 无人机在水环境监测中的应用及优势

无人机监测是天空地一体化生态环境监测中的重要部分，作为环保领域的新技术，无人机已逐步在水环境中得到应用，主要包括对地表水的水质监测、水生态的管理与调查、水环境预警应急及溯源监测等工作。

3.1 地表水水质监测

传统水质监测现场采样需要人工乘船至野外湖心等点位采样，存在安全隐患同时消耗大量人力财力物力且用时较长，通过给无人机挂载采样器，将其飞至指定地点上方采集水样。采样人员岸边操作，确保安全的同时也可以避免在鸟类自然保护区、疫区等特殊环境下采样对周边造成的干扰。马轮基[15]等使用无人机遥感监测武汉市东湖的部分水域，得到研究水域的水色差异情况图并分析对应湖区水质。常婧婕[16]等用无人机搭载的高光谱成像设备对八里湖水域进行水体光谱数据的采集，对叶绿素、悬浮物、总磷、总氮等多参数进行监测。

3.2 水生态调查及管理

无人机可以完成高难度的水环境现场勘查等任务，为环境管理工作提供依据。使用传统方法对现场进行水资源调查踏勘受野外复杂环境限制时，使用无人机航拍高清图传及实时图像代替人力勘查，能更加快速确定河段水情、流向、植被等周边环境。侍昊[17]等利用无人机搭载多光谱相机，通过影像特征变换结合面向对象分类的方法监测城市黑臭水体，获得较高分类精度的城市水环境信息，为黑臭水体的监管提供技术支撑。王祥[18]等利用无人机监测辽宁红沿河核电站温排水，得到较高精度的监测结果。该方法有效弥补现有监测技术手段的不足，为核电站温排水的监测管理提供依据。洪运富[19]等利用无人机搭载相关设备对水源地周边进行污染源调查发现多处无人员及隐藏排污口，为水源地管理提供高效服务。

3.3 水环境预警应急及溯源监测

环境应急监测需要及时全面了解污染源分布、范围等信息，否则将延误污染事故处置时机，当应急现场断面情况不明时，采用无人机进行应急监测能够克服现场不利条件，快速高效获得现场相关信息。2016 年汛期岳阳华容发生溃堤，应急监测小组利用无人机航拍洪泛区获取精确水文资料，为现场应急等工作提供科学依据。[20]针对湖库蓝藻水花预警监控，段洪涛[21]等利用卫星、无人机、自动浮标等技术,构建天空地一体化监控系统，发挥无人机应急监测优势，补充突发情况是一些水域没有影像或水质超标无数据的缺陷，多种手段协同作用，更好的满足湖库水环境监测需求。吕学研[22]等将无人机搭载多光谱仪应用于社渎港污染溯源监测中，并建立总氮、总磷等指标的无人机多光谱遥感反演模型，分析河道周边潜在污染源和河流水质的空间变化特征。江苏省南京环境监测中心对某河流开展溯源调查时，采用无人机对该河流环境现状进行航拍监测，无人机巡查发现沿线共分布有15 个排口，并对排口进行采样监测。通过无人机获取现场的高清影像，有助于对河流的水环境现状进行全面评价，为该河流溯源监测提供基础信息。

图1 无人机航测某河流实景图

无人机技术可在短时间内完成大范围的飞行巡查、监测等任务，工作人员根据无人机搭载的装置，掌握相应水质、现场周边环境等信息，在宏观层面上，观测河流周边环境及水质状况，当面对突然环境事件时，无人机能够实时跟踪监测，为现场灾害评估、处理措施的部署提供依据。虽然目前水环境监测中无人机的技术应用仍处于初级阶段，但通过实践，无人机的应用优势不可小觑，其优势主要在于三个方面：

（1）灵活机动，提高水环境监测工作效率及安全性能。无人机本身机动性很高，通过地面人员遥控，可直接到达人工无法直达的一些监测难度大的区域进行相关数据采集，在特殊情况下，保障监测任务安全高效的完成。

（2）成果多元化，精度高，提高水环境监测工作水平。无人机通过携带数码相机、多光谱仪等光学元件或搭载水质采样器等设备用于水质监测，宏观快速的获得目标水域周边环境、地形地貌等各类相关信息，还可通过软件等分析手段解析无人机采集的数据信息，多元化的结果为现场水环境监测提供及时准确的技术支撑。

（3）降低水环境监测环节成本，避免二次污染。无人机携带及组装方便，代替租借船只及人工驾驶至指定位置开展水质现场监测工作，一定程度上，降低水环境监测环节的成本支出，也避免船只在行驶期间所产生的污染物会对水环境造成二次污染。

结语

无人机技术在水环境监测中逐步得到广泛应用，相较于传统的水环境监测，无人机技术在水环境监测应用过程中充分发挥了其灵活机动，成果多元化、精度高等优势，有效弥补传统水环境监测的不足，进一步提高水环境监测工作的精度及效率。

作为新型监测手段，无人机技术在水环境监测中的应用仍存在一些待解决的问题：

（1）目前缺乏具体的针对无人机采样监测等的技术规范与标准，现有的相关规范主要是针对入河（海）排污口排查整治无人机遥感航测及解译的内容，但无人机监测涉及水环境、大气环境等多个要素，现有规范还不能满足各要素的需求。

（2）我国低空空域管理严格，空域申请审批程序繁琐，一定程度上削减了无人机的灵活性。

（3）无人机应用场景多样，但尚存一些技术短板。如电池电力不足，续航时间普遍只有几十分钟。在人群密集的城市内河或河道周边树木密集处，无人机的避障功能尚不完善，且易出现信号丢失的问题。

（4）缺乏专业的无人机监测队伍。无论是无人机的现场操作还是获取影像的后期处理都需要专业人员进行相关工作，然而目前没有系统的专业人员培训机制，[9]也没有形成专业的无人机监测队伍且各地装备参差不齐，一定程度影响无人机监测任务的有效开展。通过不断推动无人机技术创新，研发高性能电池，提高续航时间，同时提升其在强风等恶劣环境中的耐受性，拓宽无人机适用的野外监测环境；加强无人机专业人才的培养，建设具有地方特色的无人机监测队伍。[23]将无人机技术与其他手段有机结合，实现不同手段和信息的协同和互补，为水环境监测提供更为及时且全面的数据及信息，促进水环境监测的信息化与现代化的发展。