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測水環境和水生態數據？”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化，該設備在水質監測、黑臭水體巡檢、污染口排查、濕地生物多樣性監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。

監測設備搭上無人機

國內水生態環境監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，自主研發能力薄弱。而這些進口的水質監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星遙感監測水質和水環境，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，他們的設想是研發一套彌補采樣不便、填補實時監測時間空檔、實現數據同步的監測儀器。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是一個‘1+1=2’的事情”。

針對水生態環境監測，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，我們還要做穩向云臺，保證獲取圖像不扭曲、不產生其他擾動，保證后續高質量的數據應用。”明星說道。

經過8年潛心研發之后，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“水生態水質遙測無人機系統”“黑臭水體巡查專業無人機系統”“手持式/岸基定點式水質監測系統”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中心。
    北京恒瑞鑫達科技有限公司是集專業設計、開發、生產與銷售于一體的高新技術股份制企業，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新，是國內的材料試驗檢測儀器的生產企業。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用戶，是國內試驗機行業發展速度快的企業之一。

但在研發過程中，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，民用領域中在衛星上的搭載使用比較多，可以對地面進行環境遙感的大范圍監測。“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多參數的同步提取和高精度測量。

“鷹眼”發現隱形排污口

據虞功亮介紹，相比于之前應用于水生態環境監測的設備，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點。

“在傳統的水生態監測過程中，常使用的方法是布點監測。”虞功亮說，這種布點監測往往以點代面，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勢。隨著今后軟件系統的不斷完善，這種優勢會更加明顯。此外，還可以利用其靈活、便利性較強的優勢，與自動監測站形成監測的“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測調查，這套設備發揮了意想不到的作用。

在數據處理中，虞功亮按照規定的技術流程，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。這次監測結果發現，污染嚴重的點是斷斷續續的。“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。現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，為環保執法提供直接證據。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點。

“這應該成為一種新的技術監測方法和環保執法的新手段。”虞功亮說。

目前，武漢市洪山區巡司河南湖連通渠和武漢市青山區北湖已經利用該設備監測出了隱形排污口，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。

把監測儀做到手機上

據產品用戶、湖北工業大學教授李健評價，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，能夠結合湖長制、河長制和水環境管理的軟件，做一個環境監測的動態響應系統。

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、農業病蟲害防治等。我們的無人機飛過去，一個區域內的病蟲害分布情況、土壤等情況都可以了如指掌，可以向生態環境其他領域提供各種各樣的監測數據。”

虞功亮的終目標，是把該監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環境和經濟社會場景中。