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北京北信科遠(yuǎn)儀器有限責(zé)任公司
主營(yíng)產(chǎn)品： 搖擺式脫色搖床,實(shí)驗(yàn)室電子分析天平,一體涂層測(cè)厚儀 |
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2019-11-1 閱讀(855)
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(guó)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(cè)水質(zhì)取樣時(shí)經(jīng)常遇到的場(chǎng)景,。
“能不能有一種簡(jiǎn)單的采樣方式,，可以快速低成本地監(jiān)測(cè)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(guó)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(cè)設(shè)備,。經(jīng)過(guò)不斷迭代和性能優(yōu)化，該設(shè)備在水質(zhì)監(jiān)測(cè),、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(zhǎng)制智慧增效,。
監(jiān)測(cè)設(shè)備搭上無(wú)人機(jī)
國(guó)內(nèi)水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(cè)量模式，在應(yīng)用中需要人工到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)才能使用,。面對(duì)繁重的監(jiān)測(cè)需求,，仍然存在測(cè)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(cè)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(guó)內(nèi)已經(jīng)比較成熟,，但運(yùn)用在手持設(shè)備和無(wú)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(cè)時(shí)間空檔,、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步的監(jiān)測(cè)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(duì)水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，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(guò)程中的震動(dòng)問(wèn)題,，為了爭(zhēng)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(shuō)道,。
經(jīng)過(guò)8年潛心研發(fā)之后，該系統(tǒng)在2018年獲得了中國(guó)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(cè)核心設(shè)備”,，通過(guò)多平臺(tái)融合搭建，形成“水生態(tài)水質(zhì)遙測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)”“黑臭水體巡查專業(yè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)”“手持式/岸基定點(diǎn)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(guó)內(nèi)多家教育機(jī)構(gòu),，全國(guó)各地多家企業(yè)有過(guò)長(zhǎng)期的合作關(guān)系,，專注于新型材料試驗(yàn)機(jī)的研究，長(zhǎng)期聘請(qǐng)清華大學(xué)精密儀器系的專家為技術(shù)顧問(wèn),，并成立新型材料檢測(cè)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(kāi)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(cè)技術(shù)的提高及材料試驗(yàn)方法的創(chuàng)新，是國(guó)內(nèi)的材料試驗(yàn)檢測(cè)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(guó)，擁有一大批國(guó)內(nèi)外科研院所及企業(yè)用戶,，是國(guó)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(guò)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(lái)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(duì)地面進(jìn)行環(huán)境遙感的大范圍監(jiān)測(cè),。“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(wú)人機(jī)等,。”明星告訴《中國(guó)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(wú)人機(jī)、無(wú)人船等平臺(tái)無(wú)縫融合,。搭載了小型無(wú)人機(jī)的高光譜成像儀能夠更精細(xì)地采集地面場(chǎng)景，獲取河道、湖泊等水體的精細(xì)數(shù)據(jù),，通過(guò)后續(xù)模型計(jì)算，從而獲取指標(biāo),。
無(wú)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(guò)境時(shí)才會(huì)有數(shù)據(jù),，沒(méi)有過(guò)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(shuō)，該無(wú)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(duì)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(kāi)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(cè)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(cè)的設(shè)備，該套設(shè)備具有測(cè)量面廣,、多參數(shù)同步測(cè)量,、數(shù)據(jù)影像合一、非接觸式遙測(cè),、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(cè)過(guò)程中，常使用的方法是布點(diǎn)監(jiān)測(cè),。”虞功亮說(shuō),，這種布點(diǎn)監(jiān)測(cè)往往以點(diǎn)代面，數(shù)據(jù)的代表性和說(shuō)服力都不強(qiáng),。但該設(shè)備在監(jiān)測(cè)過(guò)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(shì),。隨著今后軟件系統(tǒng)的不斷完善,，這種優(yōu)勢(shì)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(shì)，與自動(dòng)監(jiān)測(cè)站形成監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(wèn)題。”但據(jù)飛行現(xiàn)場(chǎng)的同事說(shuō),，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(cè)都是用影像或現(xiàn)場(chǎng)查看的方式,，拿一個(gè)探頭去測(cè)，測(cè)完以后再做標(biāo)記,。”虞功亮說(shuō),，這種方式很難查出夜間偷排和隱藏的排污口。現(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(duì)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(cè)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(cè)方法和環(huán)保執(zhí)法的新手段。”虞功亮說(shuō),。
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(cè)出了隱形排污口,，并先后在長(zhǎng)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(cè)試和應(yīng)用,。
把監(jiān)測(cè)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(duì)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(jiǎn)便性,。”李健建議,，該設(shè)備未來(lái)還要加強(qiáng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，能夠結(jié)合湖長(zhǎng)制,、河長(zhǎng)制和水環(huán)境管理的軟件,，做一個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(chóng)害防治等,。我們的無(wú)人機(jī)飛過(guò)去,，一個(gè)區(qū)域內(nèi)的病蟲(chóng)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(cè)數(shù)據(jù),。”
虞功亮的終目標(biāo)，是把該監(jiān)測(cè)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(lái),，也許我們?cè)谫?gòu)買(mǎi)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(chǎng)景中,。
