2021-01-05水环境立体感知与智能决策关键技术研究及应用.pdf

水环境立体感知与智能决策关键技术研究及应用 一、项目概况 党的十九大报告提出“坚持人与自然和谐共生”和“绿 水青山就是金山银山”的理念，生态文明建设上升到新的高 度。近年来，随着水利部《加快推进卫星遥感水利业务应用 的通知》、生态环境部《生态环境监测规划纲要（2021-2035）》 等文件的先后发布，将遥感技术作为生态环境监测的重要手 段。如何发挥遥感技术优势，逐步构建天空地一体化的生态 状况监测网络，是亟待解决的重要问题。 本项目由广东省科学院广州地理研究所联合中国科学 院地理科学与资源研究所、武汉大学、广东华南水电高新技 术开发有限公司、广州市水务局等单位共同完成，依托多个 国家及地方科研项目，历时 6 年（2015 年 1 月至 2020 年 12 月），总投入研发经费超过 1000 万元，从关键技术、设备研 制、系统平台到示范应用进行了系统性研究，从水环境数据 采集、分析模拟到辅助决策构建了一体化解决方案，促进了 水环境监管模式的升级，并为环境应急事件与政府重大决策 提供有力支撑。 二、研究内容 1、复杂环境下的水体智能提取与污染状态识别 1 针对珠三角城市群河流污染时空变化大，以及传统水环 境监管取样困难、覆盖不全面等问题，研究了珠三角城市群 复杂地表环境下的污染水体精准提取方法，构建了城市黑臭 水体关键参数遥感定量反演模型与黑臭水体遥感识别与评 价指标体系，实现基于卫星遥感与无人机遥感的污染水体监 管创新模式，对城市黑臭水体立体感知与监测，形成城市黑 臭水体“一张图”，为城市黑臭水体监管提供了全面、高效 的解决方案。 2、空地一体、云边协同的水环境实时智能感知技术 研制了自主起降、自动充换电、自主作业的智能化无人 机基站，以及无人机载 AI 实时识别模块及边缘计算智能识 别终端等设备，研发了地面站点视频与机载动态视频的三维 地理信息实时融合方法，构建了面向河湖流域“乱占、乱采、 乱堆、乱建”等问题的无人机遥感实时智能识别模型，实现 了水环境健康状况空地一体的联动感知，构建了一种高频次、 无人化的河湖巡检创新模式。 3、感潮河网区污染溯源分析与多情景水质模拟 针对感潮河网区的断面水质变化成因复杂等问题，本项 目研究了感潮河段潮汐与水质模拟预测方法，构建了上游来 水与不同支流对断面水质污染贡献度定量解析模型，分析模 拟关键断面的内外源污染负荷，实现了感潮河网关键断面的 污染精准溯源与水质达标模拟预测，有效提升了断面水质达 2 标治理工作水平。 4、水环境时空大数据辅助决策平台研发及推广应用 面向河长制的推行、以及充分发挥数据要素生产力以提 升智慧决策支持力等需求，研究了多源水环境大数据集成与 融合技术，研发“河长通”系列产品，包括天空地一体化河 湖巡检 APP 系统、河湖流域水环境监管与辅助决策系统等， 在全国 50 余家水务管理单位推广应用，解决河长人工巡河 效率低、缺少辅助决策支撑等问题，有效提升了河湖流域巡 查工作效率与监管水平。 三、创新点 1、针对水环境遥感监测实时性的难题，提出了空地一 体、云边协同的智能感知方法，研发了无人值守的智能化无 人机停机场、机载 AI 实时识别模块以及基于边缘计算的水 体微小污染物识别技术，构建了空天地水联动感知模式，实 现了水环境健康状况的实时感知。通过关键技术及软硬件产 品的研发，获授权专利 22 件，其中发明专利 9 件；获软件 著作权 10 件；发表论文 8 篇，其中 SCI 收录 6 篇、EI 及中 文核心 2 篇；获广东省高新技术产品认定 8 件。 2、针对黑臭水体分布散乱、环境复杂、光谱信号弱等 难题，提出了一种基于城市水体指数与分形几何算法的水体 提取方法，集成无人机多光谱、高光谱等遥感数据，构建了 3 基于遥感的黑臭水体评价指标体系，联合语义分割和生物光 学模型，实现了黑臭水体的遥感精准识别。发表论文 16 篇， 其中 SCI 收录 13 篇、EI 收录 2 篇，中文核心 1 篇；获授权 发明专利 8 件；获软件著作权 6 件；出版论著 3 部；获广东 省高新技术产品认定 2 件。 3、针对复杂河网的污染溯源难题，提出了基于水动力 学的感潮河段潮汐与水质模拟预测方法，构建了不同河段、 支流的水环境污染贡献度定量解析模型，实现了感潮河网关 键断面的水污染溯源分析。通过模型方法和关键技术的研究， 获软件著作权 6 件；发表论文 5 篇；获广东省高新技术产品 认定 2 件。 4、以自主研发的无人机智能基站为载体，以遥感识别 分析算法为核心，集成多型号无人机、多功能传感器和机载 AI 计算模块，构建空地一体、云边协同的高频次、全自动、 立体化水环境监测创新模式。项目制定并发布国家及地方团 体标准 14 项，产品先后在全国 50 多个水务政府部门和企业 得到了广泛应用，经济效益超过 3 亿元。 四、成果效益 项目获授权专利 30 件，其中发明专利 11 件，实用新型 专利 19 件；出版《黑臭水体遥感监测技术及应用》等论著 3 部；在《Geoscientific Model Development》、《Science of 4 Total Environment》、《Journal of Hydrology》、《科学通 报》、《测绘通报》等期刊发表论文 31 篇，其中 SCI 收录 24 篇；获软件著作权 51 件；制定国家及地方团体标准 14 项； 获广东省高新技术产品认定 12 项。 项目成果首次应用于广东省各级水务管理单位，并先后 在全国 50 多个地方政府部门和企业得到了广泛应用，据不 完全统计，通过产品销售和技术服务，产生直接经济效益 30267.52 万元；通过项目成果的推广应用，提高了水务管理 部门工作效率和决策水平，降低了水环境监管成本，促进了 生态环境改善与宜居城市建设进程。综上，项目创造了良好 的社会经济效益，具有重要的示范和推广价值。 5