揚(yáng)州測(cè)試無(wú)人機(jī) 天空地一體化監(jiān)測(cè)為環(huán)境管理續(xù)航
“哎呀，現(xiàn)場(chǎng)看到的排污口和昨晚無(wú)人機(jī)傳回的照片一模一樣。”這是在江蘇省揚(yáng)州市開展無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)試飛任務(wù)后，環(huán)保局的工作人員次日趕赴現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證查看時(shí)所發(fā)出的的感慨。
“這是在高郵湖與邵伯湖兩湖之間的新民灘，采用手拋機(jī)搭載熱紅外相機(jī)在夜間對(duì)高郵助劑廠及周邊環(huán)境進(jìn)行的遙感監(jiān)視，可以看見4處廢水排放口。”揚(yáng)州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站省環(huán)保重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室籌備工作組組長(zhǎng)、工程師孫小平指著電腦屏幕的監(jiān)控界面告訴記者。
為確保南水北調(diào)東線水質(zhì)安全，揚(yáng)州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站提出建立天空地一體化環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)想，獲得了江蘇省環(huán)保廳和環(huán)境保護(hù)部的支持。近日，環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心與揚(yáng)州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站合作開展了無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)試飛任務(wù)，采用多機(jī)型、多載荷的實(shí)驗(yàn)演示，以滿足未來(lái)各種遙感監(jiān)測(cè)的需求。
作為天空地一體化監(jiān)測(cè)的重要組成部分，無(wú)人機(jī)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)究竟能做什么？相比較傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)，它又有哪些優(yōu)勢(shì)和不足？未來(lái)?yè)P(yáng)州將如何建設(shè)天地空一體化監(jiān)測(cè)體系？帶著這些問題，記者采訪了孫小平。
無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)可以做什么？
無(wú)人機(jī)是一個(gè)運(yùn)載傳感器的平臺(tái)，其核心就是搭載的特定的傳感器。可見光傳感器主要針對(duì)引水河道兩岸和水體的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行航拍監(jiān)視；熱紅外傳感器用于監(jiān)視企業(yè)偷排行為；微型合成孔徑雷達(dá)載荷針對(duì)禁漁期湖泊的漁政執(zhí)法；多光譜傳感器針對(duì)生態(tài)環(huán)境遙感。
“我們提出無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)最初是圍繞南水北調(diào)東線水質(zhì)安全這個(gè)中心任務(wù)來(lái)開展的。無(wú)論是衛(wèi)星還是無(wú)人機(jī)，最終目的不是順利上天，而是完成某項(xiàng)監(jiān)測(cè)任務(wù)。這樣就需要搭載能完成任務(wù)的設(shè)備，這個(gè)設(shè)備就叫做任務(wù)載荷。對(duì)于無(wú)人機(jī)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)而言，任務(wù)載荷就是特定的傳感器。無(wú)人機(jī)只是一個(gè)運(yùn)載傳感器的平臺(tái)，其核心就是搭載的設(shè)備，我們習(xí)慣地稱呼這些設(shè)備為‘眼睛’，我要去看什么，要去發(fā)現(xiàn)什么，都需要這些‘眼睛’來(lái)完成。”孫小平告訴記者。
這次演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了4個(gè)應(yīng)用演示項(xiàng)目。從任務(wù)載荷的角度來(lái)說(shuō)，一是可見光傳感器，相當(dāng)于高分辨率的航拍，主要是針對(duì)引水河道兩岸和水體的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行航拍監(jiān)視；二是熱紅外傳感器，用于監(jiān)視企業(yè)偷排行為，為環(huán)境執(zhí)法提供技術(shù)支持和依據(jù)；三是微型合成孔徑雷達(dá)載荷，不受天氣和日光的限制，針對(duì)禁漁期湖泊的漁政執(zhí)法。四是多光譜傳感器，針對(duì)生態(tài)環(huán)境遙感。
“機(jī)型需要和任務(wù)載荷進(jìn)行集成搭配，因?yàn)榇舜我囷w4項(xiàng)任務(wù)，所以就采用了4種機(jī)型，分別為滑跑滑翔型、彈射起飛滑橇降落型、手拋傘降型和旋翼直升機(jī)。”孫小平解釋道。4種試飛機(jī)型可分為旋翼與固定翼，前3種是固定翼飛機(jī)，第4種是旋翼飛機(jī)。從動(dòng)力來(lái)看，前兩種機(jī)型是油動(dòng)的，后兩種機(jī)型是電動(dòng)的。
“這次演示實(shí)驗(yàn)主要在江都水源區(qū)和高郵新民灘兩個(gè)地點(diǎn)開展，除了合成孔徑雷達(dá)由于電磁兼容問題未能運(yùn)作外，4種機(jī)型和其他3種任務(wù)載荷都成功達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)演示成果。如固定翼無(wú)人機(jī)搭載高分辨可見光相機(jī)在500米高度按照預(yù)先設(shè)定的航線程控自主巡航，以0.1米的高空間分辨率對(duì)包括抽水站在內(nèi)的芒稻河引水河道區(qū)域進(jìn)行遙感拍攝，發(fā)現(xiàn)了一些風(fēng)險(xiǎn)源，并發(fā)現(xiàn)了至少兩艘船舶的燃油泄漏航跡。新民灘發(fā)現(xiàn)的4處廢水排放口也是手拋機(jī)搭載熱紅外相機(jī)在夜間遙感監(jiān)視時(shí)發(fā)現(xiàn)的。”孫小平告訴記者。
航空遙感監(jiān)測(cè)好在哪里？
傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)往往是“瞎子摸象”，對(duì)樣品的分析能做到很精準(zhǔn)，但對(duì)環(huán)境整體狀況卻未必能準(zhǔn)確描述和掌握，所以需要航空遙感。相對(duì)于衛(wèi)星遙感，無(wú)人機(jī)航空遙感更適合精細(xì)化的遙感監(jiān)測(cè)，適合單體環(huán)境事件和地方層面、局部區(qū)域的遙感監(jiān)測(cè)需求。
針對(duì)目前環(huán)境問題的復(fù)雜性，孫小平認(rèn)為，環(huán)境監(jiān)測(cè)要堅(jiān)持傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)與現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合的發(fā)展方式。
“就環(huán)境監(jiān)測(cè)而言，我們希望環(huán)境問題的演化或者變動(dòng)，都能在我們的監(jiān)視范圍之內(nèi)。傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)是著重于發(fā)現(xiàn)污染成分和環(huán)境因子的變動(dòng)，但是有比較大的局限，一是效率比較低，比如傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)，從規(guī)劃論證監(jiān)測(cè)點(diǎn)，到現(xiàn)場(chǎng)取樣，再到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品處理，做各種指標(biāo)的分析，到最后形成監(jiān)測(cè)報(bào)告，會(huì)有一個(gè)很長(zhǎng)的周期。二是時(shí)空覆蓋不夠。從時(shí)間上來(lái)說(shuō)，正是由于周期較長(zhǎng)，所以難以做到密集頻次的覆蓋。而環(huán)境的變化往往隨機(jī)性很強(qiáng)，難以捕捉到污染問題。從空間上來(lái)說(shuō)，針對(duì)體量比較大的環(huán)境系統(tǒng)，一些環(huán)境指標(biāo)的差異非常巨大，而我們只是取了一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)樣品，這些樣本并不能代表整體環(huán)境狀況。”孫小平告訴記者。
航空遙感如影像科介入檢驗(yàn)
孫小平把傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)形象地比喻成醫(yī)院的檢驗(yàn)科，通過(guò)分析檢驗(yàn)采集的樣品了解其中的污染成分。這種內(nèi)在的污染因子有時(shí)候已經(jīng)表現(xiàn)出外在的病象，可以直觀看到，比如水體富營(yíng)養(yǎng)化的問題，通過(guò)傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)，可以掌握造成富營(yíng)養(yǎng)化的氮、磷、有機(jī)污染等因子。但是更多時(shí)候，人們看到的富營(yíng)養(yǎng)化是水體出現(xiàn)了大量的藻類，甚至暴發(fā)水華，還有大氣的霧霾也屬于這樣的外向“體征”，而且這些暴發(fā)的環(huán)境問題往往是空間廣覆蓋的，這時(shí)候就需要用遙感的手段進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。例如揚(yáng)州監(jiān)測(cè)站就制定了機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)對(duì)湖泊和流域的水體葉綠素進(jìn)行大面積高分辨機(jī)動(dòng)遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)方案，將光譜和空間兩個(gè)維度融合在一起，獲取整個(gè)水體的葉綠素及可溶解有機(jī)物（DOM）等指標(biāo)含量水平的分布狀況，以掌握富營(yíng)養(yǎng)化的整體水平，這就好像是醫(yī)院的影像科，用影像的手段來(lái)表達(dá)外在表象的體征。“傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)往往是‘瞎子摸象’，對(duì)樣品的分析能達(dá)到很精準(zhǔn)的程度，但對(duì)環(huán)境整體狀況卻未必能準(zhǔn)確描述和掌握，所以需要遙感這個(gè)“影像科”的介入。”孫小平比喻道。
航空遙感與衛(wèi)星遙感的差別
為什么有了衛(wèi)星遙感，還要開展航空遙感呢？
“衛(wèi)星遙感相較于航空遙感有其局限性，”孫小平解釋道，“一是分辨率的局限性。分辨率主要體現(xiàn)在空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率3個(gè)方面，這3種分辨率都是表征環(huán)境特征時(shí)需要的。但是衛(wèi)星遙感的空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率是相互制約的，很難達(dá)到相同的高精度。其次衛(wèi)星的任務(wù)載荷一般是固定的，難以做到多樣化，由于軌道比較高，難以搭載主動(dòng)式傳感器。”
“衛(wèi)星遙感的局限，正好航空遙感，當(dāng)前主要是無(wú)人機(jī)遙感可以彌補(bǔ)。因?yàn)闊o(wú)人機(jī)飛行的高度從幾百米到數(shù)千米不等，相比較衛(wèi)星幾百到上萬(wàn)公里的軌道高度，大大降低了空間高度，可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)分辨率的統(tǒng)一，并且只要符合無(wú)人機(jī)搭載的重量要求，可以任意搭載任務(wù)載荷，特別是未來(lái)可以更多實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式的遙感方式，如像激光誘導(dǎo)熒光這樣的激光雷達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種水體有機(jī)污染成分的遙感監(jiān)測(cè)。”孫小平告訴記者。“但是航空遙感也有自身的缺陷，比如空間覆蓋不夠。無(wú)人機(jī)遙感更適合精細(xì)化的遙感監(jiān)測(cè)，適合單體環(huán)境事件和地方層面、局部區(qū)域的遙感監(jiān)測(cè)的需求，比如發(fā)生重大的水體污染時(shí)或者發(fā)生環(huán)境災(zāi)難事故時(shí)。”
天空地一體化監(jiān)測(cè)啥模樣？
“天”是利用各種衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)篩查環(huán)境事件，發(fā)現(xiàn)環(huán)境問題存在的可能性。“空”主要是用無(wú)人機(jī)遙感確認(rèn)環(huán)境事件。“地”是在地面采用多種監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的綜合監(jiān)測(cè)。
雖然此次無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)遙感試飛對(duì)揚(yáng)州市開展遙感業(yè)務(wù)是一大促進(jìn)，但是孫小平認(rèn)為構(gòu)建新的監(jiān)測(cè)體系并非一片坦途。
“一是認(rèn)識(shí)問題，很多監(jiān)測(cè)人員由于知識(shí)和現(xiàn)實(shí)工作的局限，還沒有意識(shí)到遙感監(jiān)測(cè)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的不足，沒有意識(shí)到環(huán)境監(jiān)測(cè)由于管理需求，需要向遙感監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。二是人才和投入的問題，現(xiàn)在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遙感專業(yè)人才稀缺，同時(shí)建立新的監(jiān)測(cè)體系需要很大投入。雖然揚(yáng)州市監(jiān)測(cè)站已經(jīng)率先引進(jìn)了兩名遙感人才，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。三是遙感監(jiān)測(cè)需要建立規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。”
未來(lái)重點(diǎn)是低空遙感和基地遙感
雖然有困難，雖然新事物需要一個(gè)被接受的過(guò)程，但是揚(yáng)州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站已經(jīng)開始積極謀劃天空地一體化環(huán)境監(jiān)測(cè)體系的構(gòu)建。“重點(diǎn)是低空遙感和地基遙感，目前已經(jīng)形成了天空地一體化監(jiān)測(cè)的框架方案，我們分別從水環(huán)境監(jiān)測(cè)、大氣監(jiān)測(cè)、生態(tài)監(jiān)測(cè)和環(huán)境執(zhí)法4方面制定方案。‘天’是利用各種衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)篩查環(huán)境事件，發(fā)現(xiàn)環(huán)境問題存在的可能性。‘空’主要是用無(wú)人機(jī)遙感確認(rèn)環(huán)境事件。‘地’是在地面采用多種監(jiān)測(cè)手段，除了準(zhǔn)備新建立的地基車載遙感、船載原位探測(cè)及在線光譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外，還充分利用現(xiàn)有手段，比如水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站和傳統(tǒng)取樣監(jiān)測(cè)等手段，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的綜合監(jiān)測(cè)。”
孫小平以大氣監(jiān)測(cè)為例向記者描述了大氣質(zhì)量天空地一體化監(jiān)測(cè)模式：在“天”上利用衛(wèi)星對(duì)大氣質(zhì)量（二氧化硫、氮氧化物、大氣透明度等指標(biāo)）進(jìn)行宏觀監(jiān)測(cè)，掌握大范圍區(qū)域內(nèi)大氣污染的空間分布狀況。在“空”中針對(duì)重點(diǎn)大氣污染區(qū)域利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行精細(xì)化監(jiān)測(cè)，比如機(jī)載紅外光譜探測(cè)系統(tǒng)對(duì)VOC（易揮發(fā)有機(jī)物質(zhì)）的監(jiān)測(cè)，以機(jī)載差分吸收探測(cè)系統(tǒng)對(duì)主要污染成分的柱濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)以獲得其空間分布和輸送轉(zhuǎn)移路徑等。在“地”面上主要利用車載差分吸收被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)特定的大氣污染成分進(jìn)行全方位的走航式探測(cè)。比如對(duì)大氣中二氧化硫、氮氧化物等多種污染成分同時(shí)進(jìn)行流動(dòng)監(jiān)測(cè)，掌握區(qū)域內(nèi)主要大氣污染物的時(shí)空分布情況。未來(lái)還可采用紫外和紅外雙波段可調(diào)諧激光雷達(dá)，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的VOC無(wú)組織排放進(jìn)行全覆蓋監(jiān)測(cè)，采用臭氧和散射雷達(dá)分別對(duì)臭氧和顆粒物進(jìn)行流動(dòng)監(jiān)測(cè)等。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)有的大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)對(duì)PM10、PM2.5、SO2、CO2、CO、O3等進(jìn)行全天時(shí)固定監(jiān)測(cè)。這樣的綜合監(jiān)測(cè)體系對(duì)大氣污染防治將發(fā)揮重要的技術(shù)支持作用。
建立遙感大數(shù)據(jù)是未來(lái)發(fā)展愿景
對(duì)于天空地一體化監(jiān)測(cè)的發(fā)展前景，孫小平談了自己的認(rèn)識(shí)。
遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)該注入更多的地方元素，未來(lái)天空地一體化監(jiān)測(cè)如果全面推開，將可形成數(shù)字化環(huán)保的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，當(dāng)某地出現(xiàn)環(huán)境問題時(shí)，環(huán)境保護(hù)部和地方環(huán)境管理部門就可以對(duì)大數(shù)據(jù)加以分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)境演進(jìn)、變化規(guī)律。
另外，要想打贏環(huán)保攻堅(jiān)戰(zhàn)，首先要打贏環(huán)保信息戰(zhàn)。這種信息戰(zhàn)不僅有賴于傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)，未來(lái)可能更多要依賴于遙感大數(shù)據(jù)。目前，環(huán)境監(jiān)測(cè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)時(shí)期，建立新型的環(huán)境監(jiān)測(cè)綜合體系，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)平臺(tái)和系統(tǒng)比如自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、實(shí)驗(yàn)室分析等應(yīng)納入其中，使環(huán)境管理者可以從整個(gè)體系獲取更多、更全面、更有價(jià)值的大數(shù)據(jù)信息，為科學(xué)管理提供更有力的支撐。
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