一個(gè)5升的采水器在兩邊都是懸崖的瀾滄江邊上下取水，一百米的高度要拉五六次。這是吃力且低效的方式，但卻是中國科學(xué)院水生生物研究所副研究員虞功亮團(tuán)隊(duì)在監(jiān)測水質(zhì)取樣時(shí)經(jīng)常遇到的場景。

“能不能有一種簡單的采樣方式，可以快速低成本地監(jiān)測水環(huán)境和水生態(tài)數(shù)據(jù)？”正是出于這種需求，虞功亮聯(lián)合中國科學(xué)院空天信息研究院（籌）工程師明星基于高光譜成像技術(shù)研發(fā)了非接觸式水體要素多參數(shù)遙測設(shè)備。經(jīng)過不斷迭代和性能優(yōu)化，該設(shè)備在水質(zhì)監(jiān)測、黑臭水體巡檢、污染口排查、濕地生物多樣性監(jiān)控等方面得到廣泛應(yīng)用，助力智慧水務(wù)建設(shè)和河湖長制智慧增效。

監(jiān)測設(shè)備搭上無人機(jī)

國內(nèi)水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測長期缺乏的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，同步多參數(shù)采集設(shè)備和科研級(jí)別的數(shù)據(jù)采集設(shè)備長期依賴進(jìn)口，自主研發(fā)能力薄弱。而這些進(jìn)口的水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備也多采用吸收光譜和熒光光譜技術(shù)的接觸式點(diǎn)測量模式，在應(yīng)用中需要人工到達(dá)現(xiàn)場才能使用。面對繁重的監(jiān)測需求，仍然存在測定數(shù)據(jù)有限、設(shè)備維護(hù)頻繁且費(fèi)用高昂等諸多不足。

遙感反射率光譜成像技術(shù)被應(yīng)用于衛(wèi)星遙感監(jiān)測水質(zhì)和水環(huán)境，一直是研究熱點(diǎn)，“實(shí)際上這項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)比較成熟，但運(yùn)用在手持設(shè)備和無人機(jī)上尚屬。”據(jù)虞功亮介紹，在與明星團(tuán)隊(duì)合作之初，他們的設(shè)想是研發(fā)一套彌補(bǔ)采樣不便、填補(bǔ)實(shí)時(shí)監(jiān)測時(shí)間空檔、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步的監(jiān)測儀器。由于光譜成像技術(shù)是比較成熟的技術(shù)，“我和明星都認(rèn)為這個(gè)設(shè)備研發(fā)是一個(gè)‘1+1=2’的事情”。

針對水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，團(tuán)隊(duì)重新梳理了指標(biāo)需求，更面向?qū)嶋H應(yīng)用。“真正要做儀器研發(fā)時(shí)，有光學(xué)、電子學(xué)、數(shù)據(jù)光譜等指標(biāo)要求。在機(jī)載條件下，還有一個(gè)不容忽視的飛行過程中的震動(dòng)問題，為了爭取好的質(zhì)量，我們還要做穩(wěn)向云臺(tái)，保證獲取圖像不扭曲、不產(chǎn)生其他擾動(dòng)，保證后續(xù)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)應(yīng)用。”明星說道。

經(jīng)過8年潛心研發(fā)之后，該系統(tǒng)在2018年獲得了中國科學(xué)院院級(jí)科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目的支持，虞功亮團(tuán)隊(duì)和明星團(tuán)隊(duì)研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“水體要素多參數(shù)遙測核心設(shè)備”，通過多平臺(tái)融合搭建，形成“水生態(tài)水質(zhì)遙測無人機(jī)系統(tǒng)”“黑臭水體巡查專業(yè)無人機(jī)系統(tǒng)”“手持式/岸基定點(diǎn)式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)”等系列產(chǎn)品。

北京恒瑞鑫達(dá)科技有限公司，成立于2009年8月，成立至今已經(jīng)和國內(nèi)多家教育機(jī)構(gòu)，全國各地多家企業(yè)有過長期的合作關(guān)系，專注于新型材料試驗(yàn)機(jī)的研究，長期聘請清華大學(xué)精密儀器系的專家為技術(shù)顧問，并成立新型材料檢測儀器研發(fā)中心。
    北京恒瑞鑫達(dá)科技有限公司是集專業(yè)設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)與銷售于一體的高新技術(shù)股份制企業(yè)，專注于新型材料試驗(yàn)機(jī)的研制、材料檢測技術(shù)的提高及材料試驗(yàn)方法的創(chuàng)新，是國內(nèi)的材料試驗(yàn)檢測儀器的生產(chǎn)企業(yè)。恒瑞鑫達(dá)以精美的產(chǎn)品、的技術(shù)、精良的品質(zhì)、精心的服務(wù)贏得了廣大用戶和*，產(chǎn)品全國，擁有一大批國內(nèi)外科研院所及企業(yè)用戶，是國內(nèi)試驗(yàn)機(jī)行業(yè)發(fā)展速度快的企業(yè)之一。

但在研發(fā)過程中，還是遇到了一些技術(shù)難點(diǎn)，比如如何為設(shè)備“瘦身”。

高光譜成像儀早用來做軍事偵察，民用領(lǐng)域中在衛(wèi)星上的搭載使用比較多，可以對地面進(jìn)行環(huán)境遙感的大范圍監(jiān)測。“以前的儀器可能達(dá)上百公斤，小的也要幾十公斤，我們現(xiàn)在已經(jīng)做出一公斤左右輕小型的儀器，這樣就可以搭載小型無人機(jī)等。”明星告訴《中國科學(xué)報(bào)》，產(chǎn)品采用*的光柵分光系統(tǒng)和輕量化設(shè)計(jì)，嵌入多模型的計(jì)算電路和可視化界面，可與無人機(jī)、無人船等平臺(tái)無縫融合。搭載了小型無人機(jī)的高光譜成像儀能夠更精細(xì)地采集地面場景，獲取河道、湖泊等水體的精細(xì)數(shù)據(jù)，通過后續(xù)模型計(jì)算，從而獲取指標(biāo)。

無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)采集方便靈活，可以隨時(shí)飛出去，實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。“比如，衛(wèi)星遙感因飛行軌道限制，獲取數(shù)據(jù)有局限性，同一個(gè)水域只有當(dāng)衛(wèi)星過境時(shí)才會(huì)有數(shù)據(jù)，沒有過境的時(shí)間就會(huì)有數(shù)據(jù)空白。另外，天氣條件不利時(shí)也較難獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)。”虞功亮說，該無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)剛好可以彌補(bǔ)這樣的時(shí)間空檔，對增大數(shù)據(jù)量非常有用。

在后期數(shù)據(jù)分析上，虞功亮團(tuán)隊(duì)在掌握高光譜成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了“開放式多模型融合算法”，實(shí)現(xiàn)了水體葉綠素a、藻藍(lán)素、懸浮物、總氮、總磷、透明度、COD、氨氮、溶解有機(jī)物、植被覆蓋度、污染口、黑臭水體等水質(zhì)水生態(tài)多參數(shù)的同步提取和高精度測量。

“鷹眼”發(fā)現(xiàn)隱形排污口

據(jù)虞功亮介紹，相比于之前應(yīng)用于水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的設(shè)備，該套設(shè)備具有測量面廣、多參數(shù)同步測量、數(shù)據(jù)影像合一、非接觸式遙測、數(shù)據(jù)結(jié)果可視化等優(yōu)點(diǎn)。

“在傳統(tǒng)的水生態(tài)監(jiān)測過程中，常使用的方法是布點(diǎn)監(jiān)測。”虞功亮說，這種布點(diǎn)監(jiān)測往往以點(diǎn)代面，數(shù)據(jù)的代表性和說服力都不強(qiáng)。但該設(shè)備在監(jiān)測過程中可以得到一個(gè)面的數(shù)據(jù)。

除此之外，海量數(shù)據(jù)的迅速處理也是其一大優(yōu)勢。隨著今后軟件系統(tǒng)的不斷完善，這種優(yōu)勢會(huì)更加明顯。此外，還可以利用其靈活、便利性較強(qiáng)的優(yōu)勢，與自動(dòng)監(jiān)測站形成監(jiān)測的“點(diǎn)面結(jié)合”。

2017年，一家從事水污染治理的上市公司采用該設(shè)備在福建省泉州市的一個(gè)3公里河段上進(jìn)行前期水質(zhì)監(jiān)測調(diào)查，這套設(shè)備發(fā)揮了意想不到的作用。

在數(shù)據(jù)處理中，虞功亮按照規(guī)定的技術(shù)流程，完成了水質(zhì)結(jié)果的可視化制圖，用彩虹色標(biāo)注水體各種水質(zhì)濃度，顏色越深紅的地方表示污染越嚴(yán)重。這次監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，污染嚴(yán)重的點(diǎn)是斷斷續(xù)續(xù)的。“剛拿到還原數(shù)據(jù)時(shí)，我懷疑是不是我們的數(shù)據(jù)處理結(jié)果出現(xiàn)了問題。”但據(jù)飛行現(xiàn)場的同事說，數(shù)據(jù)圖上顏色深的點(diǎn)正是排污口。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)一下提醒了虞功亮，可以用這套設(shè)備排查出隱形的排污口。

“以前的排污口監(jiān)測都是用影像或現(xiàn)場查看的方式，拿一個(gè)探頭去測，測完以后再做標(biāo)記。”虞功亮說，這種方式很難查出夜間偷排和隱藏的排污口?，F(xiàn)在可以利用該套高光譜成像設(shè)備和技術(shù)做排污口的排查，對于隱藏在水下和草叢中的排污口也能識(shí)別。采用可視化深度揭示污染物和黑臭水體空間分布與污染程度等信息，為環(huán)保執(zhí)法提供直接證據(jù)。尤其是在河流的污染巡查和水質(zhì)檢測方面，具有快速、方便、能夠判斷污染程度的優(yōu)點(diǎn)。

“這應(yīng)該成為一種新的技術(shù)監(jiān)測方法和環(huán)保執(zhí)法的新手段。”虞功亮說。

目前，武漢市洪山區(qū)巡司河南湖連通渠和武漢市青山區(qū)北湖已經(jīng)利用該設(shè)備監(jiān)測出了隱形排污口，并先后在長江、黃河、淮河、海河、瀾滄江、珠江、閩江等流域中的一些湖泊河流以及城市水體中得到廣泛測試和應(yīng)用。

把監(jiān)測儀做到手機(jī)上

據(jù)產(chǎn)品用戶、湖北工業(yè)大學(xué)教授李健評(píng)價(jià)，這套設(shè)備的使用效果不錯(cuò)。“設(shè)備對同一時(shí)間同一區(qū)域水污染濃度之間的變化和時(shí)間維度上的變化都比較敏感。”

“總體還是很實(shí)用的，建議進(jìn)一步提升該產(chǎn)品的續(xù)航能力和在自動(dòng)巡航方面的操作簡便性。”李健建議，該設(shè)備未來還要加強(qiáng)系統(tǒng)開發(fā)，能夠結(jié)合湖長制、河長制和水環(huán)境管理的軟件，做一個(gè)環(huán)境監(jiān)測的動(dòng)態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)。

虞功亮表示，根據(jù)用戶的反饋情況，產(chǎn)品目前還在進(jìn)一步優(yōu)化迭代當(dāng)中。他計(jì)劃將該產(chǎn)品的應(yīng)用場景不斷延伸。“不僅用于治污，也可以應(yīng)用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)病蟲害防治等。我們的無人機(jī)飛過去，一個(gè)區(qū)域內(nèi)的病蟲害分布情況、土壤等情況都可以了如指掌，可以向生態(tài)環(huán)境其他領(lǐng)域提供各種各樣的監(jiān)測數(shù)據(jù)。”

虞功亮的終目標(biāo)，是把該監(jiān)測設(shè)備安裝到我們的普通手機(jī)上。

“如果可以在普通手機(jī)上加一個(gè)高光譜的攝像頭，這個(gè)產(chǎn)品的應(yīng)用范圍將得到更大拓展。”未來，也許我們在購買水果時(shí)，用手機(jī)自帶的高光譜攝像頭掃描一下水果，就可以用即時(shí)數(shù)據(jù)分析出水果好不好吃。虞功亮表示，隨著技術(shù)的不斷升級(jí)和產(chǎn)品的不斷迭代，該項(xiàng)技術(shù)會(huì)應(yīng)用于更多的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)場景中。