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北京北信科遠儀器有限責任公司
主營產品： 搖擺式脫色搖床,實驗室電子分析天平,一體涂層測厚儀 |
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2019-11-1 閱讀(1105)
一個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，但卻是中國科學院水生生物研究所副研究員虞功亮團隊在監(jiān)測水質取樣時經常遇到的場景。
“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)數據？”正是出于這種需求，虞功亮聯合中國科學院空天信息研究院（籌）工程師明星基于高光譜成像技術研發(fā)了非接觸式水體要素多參數遙測設備。經過不斷迭代和性能優(yōu)化，該設備在水質監(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用，助力智慧水務建設和河湖長制智慧增效。
監(jiān)測設備搭上無人機
國內水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測長期缺乏的數據采集設備，同步多參數采集設備和科研級別的數據采集設備長期依賴進口，自主研發(fā)能力薄弱。而這些進口的水質監(jiān)測設備也多采用吸收光譜和熒光光譜技術的接觸式點測量模式，在應用中需要人工到達現場才能使用。面對繁重的監(jiān)測需求，仍然存在測定數據有限、設備維護頻繁且費用高昂等諸多不足。
遙感反射率光譜成像技術被應用于衛(wèi)星遙感監(jiān)測水質和水環(huán)境，一直是研究熱點，“實際上這項技術在國內已經比較成熟，但運用在手持設備和無人機上尚屬。”據虞功亮介紹，在與明星團隊合作之初，他們的設想是研發(fā)一套彌補采樣不便、填補實時監(jiān)測時間空檔、實現數據同步的監(jiān)測儀器。由于光譜成像技術是比較成熟的技術，“我和明星都認為這個設備研發(fā)是一個‘1+1=2’的事情”。
針對水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，團隊重新梳理了指標需求，更面向實際應用。“真正要做儀器研發(fā)時，有光學、電子學、數據光譜等指標要求。在機載條件下，還有一個不容忽視的飛行過程中的震動問題，為了爭取好的質量，我們還要做穩(wěn)向云臺，保證獲取圖像不扭曲、不產生其他擾動，保證后續(xù)高質量的數據應用。”明星說道。
經過8年潛心研發(fā)之后，該系統在2018年獲得了中國科學院院級科研儀器設備研制項目的支持，虞功亮團隊和明星團隊研制出了具有自主知識產權的“水體要素多參數遙測核心設備”，通過多平臺融合搭建，形成“水生態(tài)水質遙測無人機系統”“黑臭水體巡查專業(yè)無人機系統”“手持式/岸基定點式水質監(jiān)測系統”等系列產品。
北京恒瑞鑫達科技有限公司，成立于2009年8月，成立至今已經和國內多家教育機構，全國各地多家企業(yè)有過長期的合作關系，專注于新型材料試驗機的研究，長期聘請清華大學精密儀器系的專家為技術顧問，并成立新型材料檢測儀器研發(fā)中心。
北京恒瑞鑫達科技有限公司是集專業(yè)設計、開發(fā)、生產與銷售于一體的高新技術股份制企業(yè)，專注于新型材料試驗機的研制、材料檢測技術的提高及材料試驗方法的創(chuàng)新，是國內的材料試驗檢測儀器的生產企業(yè)。恒瑞鑫達以精美的產品、的技術、精良的品質、精心的服務贏得了廣大用戶和*，產品全國，擁有一大批國內外科研院所及企業(yè)用戶，是國內試驗機行業(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難點，比如如何為設備“瘦身”。
高光譜成像儀早用來做軍事偵察，民用領域中在衛(wèi)星上的搭載使用比較多，可以對地面進行環(huán)境遙感的大范圍監(jiān)測。“以前的儀器可能達上百公斤，小的也要幾十公斤，我們現在已經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等。”明星告訴《中國科學報》，產品采用*的光柵分光系統和輕量化設計，嵌入多模型的計算電路和可視化界面，可與無人機、無人船等平臺無縫融合。搭載了小型無人機的高光譜成像儀能夠更精細地采集地面場景，獲取河道、湖泊等水體的精細數據，通過后續(xù)模型計算，從而獲取指標。
無人機高光譜數據采集方便靈活，可以隨時飛出去，實時獲取數據。“比如，衛(wèi)星遙感因飛行軌道限制，獲取數據有局限性，同一個水域只有當衛(wèi)星過境時才會有數據，沒有過境的時間就會有數據空白。另外，天氣條件不利時也較難獲得高質量數據。”虞功亮說，該無人機高光譜數據采集系統剛好可以彌補這樣的時間空檔，對增大數據量非常有用。
在后期數據分析上，虞功亮團隊在掌握高光譜成像技術的基礎上，自主研發(fā)了“開放式多模型融合算法”，實現了水體葉綠素a、藻藍素、懸浮物、總氮、總磷、透明度、COD、氨氮、溶解有機物、植被覆蓋度、污染口、黑臭水體等水質水生態(tài)多參數的同步提取和高精度測量。
“鷹眼”發(fā)現隱形排污口
據虞功亮介紹，相比于之前應用于水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的設備，該套設備具有測量面廣、多參數同步測量、數據影像合一、非接觸式遙測、數據結果可視化等優(yōu)點。
“在傳統的水生態(tài)監(jiān)測過程中，常使用的方法是布點監(jiān)測。”虞功亮說，這種布點監(jiān)測往往以點代面，數據的代表性和說服力都不強。但該設備在監(jiān)測過程中可以得到一個面的數據。
除此之外，海量數據的迅速處理也是其一大優(yōu)勢。隨著今后軟件系統的不斷完善，這種優(yōu)勢會更加明顯。此外，還可以利用其靈活、便利性較強的優(yōu)勢，與自動監(jiān)測站形成監(jiān)測的“點面結合”。
2017年，一家從事水污染治理的上市公司采用該設備在福建省泉州市的一個3公里河段上進行前期水質監(jiān)測調查，這套設備發(fā)揮了意想不到的作用。
在數據處理中，虞功亮按照規(guī)定的技術流程，完成了水質結果的可視化制圖，用彩虹色標注水體各種水質濃度，顏色越深紅的地方表示污染越嚴重。這次監(jiān)測結果發(fā)現，污染嚴重的點是斷斷續(xù)續(xù)的。“剛拿到還原數據時，我懷疑是不是我們的數據處理結果出現了問題。”但據飛行現場的同事說，數據圖上顏色深的點正是排污口。
這個發(fā)現一下提醒了虞功亮，可以用這套設備排查出隱形的排污口。
“以前的排污口監(jiān)測都是用影像或現場查看的方式，拿一個探頭去測，測完以后再做標記。”虞功亮說，這種方式很難查出夜間偷排和隱藏的排污口?，F在可以利用該套高光譜成像設備和技術做排污口的排查，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。尤其是在河流的污染巡查和水質檢測方面，具有快速、方便、能夠判斷污染程度的優(yōu)點。
“這應該成為一種新的技術監(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)北湖已經利用該設備監(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用。
把監(jiān)測儀做到手機上
據產品用戶、湖北工業(yè)大學教授李健評價，這套設備的使用效果不錯。“設備對同一時間同一區(qū)域水污染濃度之間的變化和時間維度上的變化都比較敏感。”
“總體還是很實用的，建議進一步提升該產品的續(xù)航能力和在自動巡航方面的操作簡便性。”李健建議，該設備未來還要加強系統開發(fā)，能夠結合湖長制、河長制和水環(huán)境管理的軟件，做一個環(huán)境監(jiān)測的動態(tài)響應系統。
虞功亮表示，根據用戶的反饋情況，產品目前還在進一步優(yōu)化迭代當中。他計劃將該產品的應用場景不斷延伸。“不僅用于治污，也可以應用于林業(yè)、農業(yè)病蟲害防治等。我們的無人機飛過去，一個區(qū)域內的病蟲害分布情況、土壤等情況都可以了如指掌，可以向生態(tài)環(huán)境其他領域提供各種各樣的監(jiān)測數據。”
虞功亮的終目標，是把該監(jiān)測設備安裝到我們的普通手機上。
“如果可以在普通手機上加一個高光譜的攝像頭，這個產品的應用范圍將得到更大拓展。”未來，也許我們在購買水果時，用手機自帶的高光譜攝像頭掃描一下水果，就可以用即時數據分析出水果好不好吃。虞功亮表示，隨著技術的不斷升級和產品的不斷迭代，該項技術會應用于更多的生態(tài)環(huán)境和經濟社會場景中。
