生态眼系统在环境监测中的应用

生态眼系统在环境监测中的应用

罗俊

深圳市衡兴安全检测技术有限公司  广东  深圳  515100

摘要：历经40多年的改革开放，中国经济建设取得了巨大成就，中国同样面临着巨大的环境问题。环境监管是环境保护与治理的基础性工作。随着信息技术的不断发展，信息技术在环境监管中的应用日益广泛，环境监测系统则是信息时代环境监管的重要载体，在保障中国生态环境安全中发挥着重要作用。

关键词：生态眼系统；环境监管；环境保护

引言

近年来,国家和各地财政在环境保护事业上的财力和科技力度均逐步加大,各项环保项目的开展促进了可持续发展目标的达成。在环保项目实施中涉及的项目内容相当多,其中,环境监测是重要的项目,进行的环境监测能够为今后的环境保护项目计划编制与落实带来切实的保证,要求所有环境保护单位与人员能够以环境监测的成果为依据,改变传统的环境保护项目模式,实现环境保护任务与可持续发展总体目标的保持一致,彻底解决与缓解中国当前的环境、生态损害问题。

一、系统构成

1.1无人机高光谱视频遥感

高光谱视频成像仪,是中国光电子领域尖端的检测技术与图像科技成果之一,通过高光谱采集理论创新与技术突破,解决了传统的扫描式摄谱仪信息量大、图像持续时间长、对云台稳定性要求较高、根本无法录制动感场面等缺点。通过特殊的光学、电子学、生物计算技术,可完成真实光谱扫描(15fps级别),图像分辨率在二百万像素之上,可同时满足大场景、高空间分辨率、超高光谱分辨率的光谱视频采集要求,而且设备体积小,方便,在军队、工程、农业、环境等领域使用前景良好广泛。

1.2反演模型

反演模型包含了辐射定标、大气校正、几何粗/精修正、图像解译/逆演、地图表达等五个重要部分,以及一系列子模型。专业技术人员按照实际拍摄要求、应用环境进行子模式设置,调参输出反演结果,经人工核实后得出的专题数据。

二、核心能力

2.1流域水质指标分布精细化分析能力

精细化分析技术主要包含了几何学精校正、图像精细化逆演。由于卫星下传至地面接收站的原始数据经常受到地面大气扰动、影像变化等的影响。因此几何学精校正是在粗校正的基础上,通过采用目视判断和手工添加地面标定位置信息(已知准确位置),校正月球照片(下面又称卫片)中由于地面摄像机的几何畸变、拍摄角度误差等而引起的地理范围偏离。而图像精细化逆演技术主要包含了单指标逆演、指标交叉关联性的校正方法。单指标逆演,也就是在前期深入学习形成模式的基础上,通过人工输入同时段范围的一定流域取样点水体数据,经训练调参后输出的含有总氨氮含量、高锰酸盐、总氮、总磷的一定流域水体分布影像。进行流域水质数据相关性分析时,在上述指标体系中人工选取存在相关性的指标数量,并代入指标交叉关系校正模式,以减少因取样化验所产生的异常信息而产生的某些影响。

2.2流域内水体异常区域的快速化分析鉴定能力

高速解析的模式以准智能化、流水化的方法进行分析处理照片。而高速解析的简单校正算法则以粗校准方法进行,在知道卫片影像数据的定位系数之后,再由计算机主动进行。而图像的高速反演模式则与上述不同,以基于水色遥感的高速分析方法进行,通常包括基于赤、绿、蓝三色的FU模式,以及基于短波红外线、近红外、远红光的FAI模式等,可获取自然水域色调的微小差别,采用高阈值分割则可获得如湖库的富营养性物质(水华)、水域非常浑浊、水色反常等可疑范围[7],可提供识别分析发现的特殊地区及部门水质指标(浊度、叶绿素a等)的相对差异。快速方法以海洋水色特征为基础,对地面的自然水域采样化验定标影响较小,模型智能化水平较高,处理速度快,且没有人为干扰,特别有利于无人机光谱成像的现场实时处理,

三、生态环境监测应用

流域环境监测信息系统重点服务于生态环境领域,并具备了流域水体疑似环境污染区域辨识和排除、岸线环境污染鉴定和排除、水源地保护区风险辨识和控制、业务闭环联动、流域地理信息数据库管理与检索等的综合能力。

3.1流域水体疑似环境污染区域辨识与排除

流域内污染范围的确定还需要面上水体分布数据,由于环保检测研究行业的常规生化检测方式为点状检测,数据分析结果无法确认污染范围。该服务重点是根据生态眼卫片反演技术力量,通过解析高分一、二、六号等运载火箭所收集的全流域内多光谱卫星图片,从而获取重要水体的部分统计信息,通过反演分析技术力量获取氨氮废水、高锰酸盐、总磷、总氮等重要水体指标分布图像,从而获取岸线周围的水体指数高值区。同时针对疑似污染地区位置信息和图像进行无人机航拍,实现了二次发现和快速确定。

3.2岸线生态破坏识别和排查

流域面积内生态保护单位要全面了解岸线的使用状况,并及时发现岸线损害事故。该应用系统主要目标是根据自然眼卫片的反演技术力量,对高分一、二、六号和高景一号卫星(商业卫星,现在新增珠海一号、吉林一号、北京二号等卫星)收集的流域卫片通过地物分类解释,根据岸线使用计划和环境红线计划判断岸线污染事故(如违建、种菜、废弃物堆放等)。针对疑似岸线破坏物的位置和影像进行无人机航拍,以实现二次取证和快速鉴定确认。通过人工核实后,信息系统以工单类型派发环境有关部门信息,各环保部门在取证、执法检查、整治后将实际情况回馈给信息系统。

3.3饮用水源地保护区风险辨识与监测

水源地保护的核心内容就是管控经营风险,但前提是掌控范围内的主要经营风险来源。依托生态眼卫片反演技术和地物分析能力,通过使用高分一、二、六号卫星,高景号卫星等的卫星照片分析集中式饮用水水源地区域,并梳理一、二类自然保护区中的水里经营风险(如水生植被、藻类、港口、海运、水中油站等)和岸上风险(如排口、化学品制造、废物堆填等),并按照自然保护区等级分类梳理建立水区经营风险档案,并同步更新自然保护区的地理资料信息库。发现可疑违法迹象后立即告警,将告警信息内容在各服务单位客户端显示,并发送至服务管理人员。

四、生物多样性监控和保护应用

4.1自然保护区内野生动物栖息地的监护能力

（1）自然保护区内生态环境监测。通过定时运用卫片反演技术和地物分析技术评估自然保护区水体与环境,并准确确定异常范围(湖面大片死鱼、海藻出现、植物大片枯死等)和人们危害状况(排污、废弃物倾倒、土地开发活动等)。

（2）自然保护区人员活动监测。运用部署的录像监测、运营商/微信服务的手机位置信息系统,查明自然保护区人员活动线索,锁住犯罪分子,提交执行线索。（3）自然保护区食物丰盛程度监测。在自然保护区内定时(如季度)运用eDNA技术手段普查渔业资源类型与丰盛程度,并及时对环境异常现象实施报警。

五、结语

国家对环保要求也不断提升。新时代,全球生态环境监测的目标主要是说得清楚现象,说得准问题,说得明污染的原因、机制和改善。新型的生态眼监测技术,可为大气环境、河流进行高速、即时、无死角的巡检业务,使用无人机拍摄高光谱影像,根据地面站点监测数据和人工取样化验监测数据,并运用人工智能反演模式获取流域地区水体、生物气质分布,进而进行区域快速普查与评价、水质监控、大气环境监测等。该科技在河流水体异常调查、大气环境全面普查、生态调查等中起到了关键性作用。

参考文献:

［1］王锦锦，李真，朱玉玲．高光谱影像在海洋环境监测中的应用［J］．卫星应用，2019(8):36－40．

［2］杨贵军，万鹏，于海洋，等．无人机多光谱影像辐射一致性自动校正［J］．农业工程学报，2015，31(9):147－153．

［3］贾银江，徐哲男，苏中滨，等．基于优化SIFT算法的无人机遥感作物影像拼接［J］．农业工程学报，2017，33(10):123－129．

［4］彭令，梅军军，王娜，等．工矿业城市区域水质参数高光谱定量反演［J］．光谱学与光谱分析，2019，39(9):2922－2928．