为水生态环境监测安上“鹰眼”

▲水环境高光谱无人机检测设备

虞功亮供图

▲湖北省武汉市青山区北湖污染口排查

■本报记者 韩天琪

一个5升的采水器在两边都是悬崖的澜沧江边上下取水，一百米的高度要拉五六次。这是吃力且低效的方式，但却是中国科学院水生生物研究所副研究员虞功亮团队在监测水质取样时经常遇到的场景。

“能不能有一种简单的采样方式，可以快速高效低成本地监测水环境和水生态数据?”正是出于这种需求，虞功亮联合中国科学院空天信息研究院(筹)高级工程师明星基于高光谱成像技术研发了非接触式水体要素多参数遥测设备。经过不断迭代和性能优化，该设备在水质监测、黑臭水体巡检、污染口排查、湿地生物多样性监控等方面得到广泛应用，助力智慧水务建设和河湖长制智慧增效。

监测设备搭上无人机

国内水生态环境监测长期缺乏高效的数据采集设备，同步多参数采集设备和科研级别的数据采集设备长期依赖进口，自主研发能力薄弱。而这些进口的高级水质监测设备也多采用吸收光谱和荧光光谱技术的接触式点测量模式，在应用中需要人工到达现场才能使用。面对繁重的监测需求，仍然存在测定数据有限、设备维护频繁且费用高昂等诸多不足。

遥感反射率光谱成像技术被应用于卫星遥感监测水质和水环境，一直是研究热点，“实际上这项技术在国内已经比较成熟，但运用在手持设备和无人机上尚属首次。”据虞功亮介绍，在与明星团队合作之初，他们的设想是研发一套弥补采样不便、填补实时监测时间空档、实现数据同步的监测仪器。由于光谱成像技术是比较成熟的技术，“我和明星都认为这个设备研发是一个‘1+1=2’的事情”。

但在研发过程中，还是遇到了一些技术难点，比如如何为设备“瘦身”。

高光谱成像仪最早用来做军事侦察，民用领域中在卫星上的搭载使用比较多，可以对地面进行环境遥感的大范围监测。“以前的仪器可能达上百公斤，小的也要几十公斤，我们现在已经做出一公斤左右轻小型的仪器，这样就可以搭载小型无人机等。”明星告诉《中国科学报》，产品采用先进的光栅分光系统和轻量化设计，嵌入多模型的计算电路和可视化界面，可与无人机、无人船等平台无缝融合。搭载了小型无人机的高光谱成像仪能够更精细地采集地面场景，获取河道、湖泊等水体的精细数据，通过后续模型计算，从而获取指标。

无人机高光谱数据采集方便灵活，可以随时飞出去，实时获取数据。“比如，卫星遥感因飞行轨道限制，获取数据有局限性，同一个水域只有当卫星过境时才会有数据，没有过境的时间就会有数据空白。另外，天气条件不利时也较难获得高质量数据。”虞功亮说，该无人机高光谱数据采集系统刚好可以弥补这样的时间空档，对增大数据量非常有用。

针对水生态环境监测，团队重新梳理了指标需求，更面向实际应用。“真正要做仪器研发时，有光学、电子学、数据光谱等指标要求。在机载条件下，还有一个不容忽视的飞行过程中的震动问题，为了争取好的质量，我们还要做稳向云台，保证获取图像不扭曲、不产生其他扰动，保证后续高质量的数据应用。”明星说道。

经过8年潜心研发之后，该系统在2018年获得了中国科学院院级科研仪器设备研制项目的支持，虞功亮团队和明星团队研制出了具有自主知识产权的“水体要素多参数遥测核心设备”，通过多平台融合搭建，形成“水生态水质遥测无人机系统”“黑臭水体巡查专业无人机系统”“手持式/岸基定点式水质监测系统”等系列专用产品。

在后期数据分析上，虞功亮团队在掌握高光谱成像技术的基础上，自主研发了“开放式多模型融合算法”，实现了水体叶绿素a、藻蓝素、悬浮物、总氮、总磷、透明度、COD、氨氮、溶解有机物、植被覆盖度、污染口、黑臭水体等水质水生态多参数的同步提取和高精度测量。

“鹰眼”发现隐形排污口

据虞功亮介绍，相比于之前应用于水生态环境监测的设备，该套设备具有测量面广、多参数同步测量、数据影像合一、非接触式遥测、数据结果可视化等优点。

“在传统的水生态监测过程中，最常使用的方法是布点监测。”虞功亮说，这种布点监测往往以点代面，数据的代表性和说服力都不强。但该设备在监测过程中可以得到一个面的数据。

除此之外，海量数据的迅速处理也是其一大优势。随着今后软件系统的不断完善，这种优势会更加明显。此外，还可以利用其灵活、便利性较强的优势，与自动监测站形成监测的“点面结合”。

2017年，一家从事水污染治理的上市公司采用该设备在福建省泉州市的一个3公里河段上进行前期水质监测调查，这套设备发挥了意想不到的作用。

在数据处理中，虞功亮按照规定的技术流程，完成了水质结果的可视化制图，用彩虹色标注水体各种水质浓度，颜色越深红的地方表示污染越严重。这次监测结果发现，污染严重的点是断断续续的。“刚拿到还原数据时，我怀疑是不是我们的数据处理结果出现了问题。”但据飞行现场的同事说，数据图上颜色深的点正是排污口。

这个发现一下提醒了虞功亮，可以用这套设备排查出隐形的排污口。

“以前的排污口监测都是用影像或现场查看的方式，拿一个探头去测，测完以后再做标记。”虞功亮说，这种方式很难查出夜间偷排和隐藏的排污口。现在可以利用该套高光谱成像设备和技术做排污口的排查，对于隐藏在水下和草丛中的排污口也能识别。采用可视化深度揭示污染物和黑臭水体空间分布与污染程度等信息，为环保执法提供直接证据。尤其是在河流的污染巡查和水质检测方面，具有快速、方便、能够判断污染程度的优点。

“这应该成为一种新的技术监测方法和环保执法的新手段。”虞功亮说。

目前，武汉市洪山区巡司河南湖连通渠和武汉市青山区北湖已经利用该设备监测出了隐形排污口，并先后在长江、黄河、淮河、海河、澜沧江、珠江、闽江等流域中的一些湖泊河流以及城市水体中得到广泛测试和应用。

把监测仪做到手机上

据产品用户、湖北工业大学教授李健评价，这套设备的使用效果不错。“设备对同一时间同一区域水污染浓度之间的变化和时间维度上的变化都比较敏感。”

“总体还是很实用的，建议进一步提升该产品的续航能力和在自动巡航方面的操作简便性。”李健建议，该设备未来还要加强系统开发，最好能够结合湖长制、河长制和水环境管理的软件，做一个环境监测的动态响应系统。

虞功亮表示，根据用户的反馈情况，产品目前还在进一步优化迭代当中。他计划将该产品的应用场景不断延伸。“不仅用于治污，也可以应用于林业、农业病虫害防治等。我们的无人机飞过去，一个区域内的病虫害分布情况、土壤等情况都可以了如指掌，可以向生态环境其他领域提供各种各样的监测数据。”

虞功亮的最终目标，是把该监测设备安装到我们的普通手机上。

“如果可以在普通手机上加一个高光谱的摄像头，这个产品的应用范围将得到更大拓展。”未来，也许我们在购买水果时，用手机自带的高光谱摄像头扫描一下水果，就可以用即时数据分析出水果好不好吃。虞功亮表示，随着技术的不断升级和产品的不断迭代，该项技术会应用于更多的生态环境和经济社会场景中。

《中国科学报》 (2019-06-18 第7版 生态环境)