無人機遙感技術及其在環境保護領域中的應用

駱開謀 葉露

摘要 從傳感器、遙感數據處理、數據傳輸等方面對無人機遙感（UAVRS）技術進行了綜述，并對其在環境保護領域中的應用進行了闡述。

關鍵詞 無人機遙感；環境保護；應用

中圖分類號 S127 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）02-0211-02

Abstract The unmanned aerial vehicle remote sensing （UAVRS） was reviewed from the aspects of sensors， the data processing of remote sensing and data transmission. And its applications in the field of environmental protection were expounded.

Key words UAVRS；Environmental protection；Application

近年來，我國經濟高速發展，但與此同時也伴隨著嚴重的環境污染問題。據統計，過去的幾十年間，我國因為環境污染和生態退化造成巨大的經濟損失，而且出現了各種各樣的環境問題，危害著人類的生存，主要表現在生態系統全面退化、水土嚴重流失、瀕危物種增加、天然濕地大量消失等各種突發性環境污染事件。

針對目前我國經濟發展中出現的生態環境問題，應當秉持“預防為主，防治結合”的原則。環境監測對數據的實時性要求很高，傳統的地面環境監測手段在監測的時空連續性、監測范圍、監測周期等方面都無法滿足當前生態環境保護的需求[1]。無人機技術作為一種信號采集的新方式，成為航空、航天遙感的有力補充，是對常規生態環境監測與評估的重要補充手段。筆者從傳感器、遙感數據處理和數據傳輸等方面對無人機遙感（UAVRS）技術進行了綜述，并對其在環境保護領域中的應用進行了闡述。

1 UAVRS技術

UAVRS是將遙感技術與無人機技術相結合，并輔以通信技術和GPS差分定位技術，實現了自動化、智能化、專用化快速獲取國土資源、自然環境、地震災區等空間遙感信息，且完成遙感數據處理、建模和應用分析。因為UAVRS技術在靈活、快速、經濟方面占優勢，所以成為世界各國目前的熱門研究課題之一[1]。

1.1 傳感器

傳感器是UAVRS發展的重要基礎設備之一，直接關系到遙感數據的質量與精度。隨著UAVRS在環境領域的逐步深入，隨著計算機技術的迅猛發展，面向環境保護與監測的傳感器在像素提升、探測精度、數字化等方面得到了長足發展，成為UAVRS在環境保護與監測領域應用的強大助推力。

近年來，互補型金屬氧化物半導體（CMOS）和電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器技術得到了快速發展。目前，高分辨率的數碼相機已成為UAVRS主流的信息采集器件。例如，中國科學院遙感應用研究所創立的北京國遙萬維技術公司開發的“Quikeye”系列無人機，搭配了Cannon 5D Mark Ⅱ、Cannon EOS 5D、Cannon EOS 300D等相機，影像分辨率最高達到2 100萬像素，信息采集精度為0.1～0.4 m；張園等[2]進行森林調查時所用相機為索尼DSC-T90卡片機，分辨率為1 210萬像素；中國測繪科學研究院研發的UAVRS-Ⅱ 型低空無人遙感監測系統搭載了像元數大于3 008×2 000的高分辨率面陣CCD數碼相機，實現了大比例尺航測的面積覆蓋等[3]。

在傳感器方面，近年來不斷向大面陣、多光譜、數字化方向發展，進一步提高了數據采集的精度。 2006年，中國科學院上海技術物理研究所賈建軍等[4]從UAVRS的有效負荷特點出發，組建出一套像元數為4 096×4 096、像元大小為9 μm×9 μm、視場角寬為42°、分辨率為0.10～0.20 m，重量2 kg的大面陣CCD相機。2008年，中國科學院成都光電技術研究所錢義先等[5]設計出像素8 100萬，在獲取彩色、紅外、全色的高精度航片的同時使視場角達到60°的彩色大面陣CCD數字航測相機。目前，最先進的產品為美國微軟公司的UltraCamXp WA，該產品具有19 600萬像素，連拍間隔為1.35 s，可以實現大比例尺的測圖[6]。

近年來，在環境監測方面研制出一些小型化、輕型化的專門面向大氣環境和水環境監測的儀器成為熱門話題。UVA航空遙感質量的提升與傳感器技術的發展密切相關，開發出設計成本合理、通用性強、體積小、重量輕的觀測傳感器是今后的奮斗目標。

1.2 遙感數據處理

與傳統的航天航空影像相比，UAVRS影像數據的處理存在以下問題：①采樣周期短；②分辨率高；③相幅小，圖像數量多，重疊不規則；④傾斜角過大，伴隨著傾斜方向不規律。

針對UAVRS圖像的特殊性，其處理與一般的遙感圖像處理有所不同。在環境監測的應用中，對數據的實時性要求很高，所以應做好影像的自動識別和快速拼接，以滿足在環境監測中對工作的技術要求。

目前，無人機遙感影像處理可以分為2類：地面準實時處理和機上實時處理。地面準實時處理是指通過固定或者移動的數據接收站，對無人機傳輸過來的遙感影像數據進行加工與處理；機上實時處理是將GPS、北斗定位技術、慣性導航技術、激光測距技術集成到無人機機載的激光掃描系統中，實時為遙感影像提供位置信息，從而更好地發揮無人機遙感技術的優勢[7]。

1.3 數據傳輸

無人機遙感數據的傳輸包括以下2個方面：①當前飛行器的狀態和遙感設備的狀態，實時地將飛機的高度、速度、航向等信息反饋給操控員；②無人機遙感設備獲取的遙感影像、視頻等遙感信息[3]。相對而言，遙感影像的傳輸比設備狀態信息的傳輸復雜得多，因為遙感影像數據量大，如果外界環境惡劣，很容易造成碼率的跳動，這將會給帶寬不寬的無線信道帶來挑戰。針對這個問題，學者們相繼推出了多種壓縮數據的方法。例如，田金文等[8]將運動序列的圖像轉化為靜態圖像，再以類EBCOT算法將拼接圖片壓縮，結果表明該方法的運行時間優于H-264等壓縮標準。

2 UAVRS技術在環境保護領域中的應用

目前，UAVRS技術在環境保護領域中的應用主要表現在以下4個方面：①自然、人為災害的監測。救援人員往往無法第一時間到達現場，利用UAVRS技術能夠實現在無傷亡的情況下獲取災情，然后及時展開救援部署。②重大建設項目環保驗收。有些工程沿線交通不便，難以展開人工調查，利用UAVRS技術能夠提高工作效率和精度。③環境污染的監測（水體污染、大氣污染、土壤污染）。傳統的環境污染監測對人力、物力、財力的消耗較大，數據不集中，不能直觀反映污染的分布和格局。然而，UAVRS技術很好地彌補了傳統監測方法的不足，能夠及時全方位掌握污染信息，如污染源分布、污染種類等。④生態環境。例如，對森林資源進行調查；對一些山區或者高原地區進行生態環境與災害監測；對公路路域的土地利用類型、植被覆蓋、土壤侵蝕等進行監測。其中，關于水體污染的監測，內陸水體環境復雜、水域面積相對小且污染類型多樣，對數據精度要求較高，在這方面應用較少。目前，主要利用UAVRS技術從宏觀上觀測水質，而在海洋上的應用較為成熟，監測指標主要涵蓋水溫、赤潮、海上溢油、水深、藻華等。

對于大氣污染的監測，UAVRS技術的應用仍處于初級階段，目前主要的應用是大氣環境指標的監測，如O3、NO2、溫度、濕度、粒子濃度等。

3 展望

UAVRS技術具有傳統遙感所不具備的優勢，將會在各種有關環境、生態保護的應用中保持強勢增長與快速拓展。需求量的不斷增加、使用頻率的不斷加大對于完善無人機遙感在環境保護中的應用體系和服務具有重要意義。

在技術研發方面，應該從各方面出發，不斷加強其優勢，朝小型化、自主化、智能化、模塊化、集成化發展，為環保部門以及其他需要使用無人機遙感的用戶提供更快、更好的服務。

參考文獻

[1] 王靖.淺談無人機遙感的發展與應用[J/OL].城市建設理論研究（電子版），2011（33）[2016-10-09]. http：//www.doc88.com/p-7397701019628.html.

[2] 張園，陶萍，梁世祥，等.無人機遙感在森林資源調查中的應用[J].西南林業大學學報，2011，31（3）：49-53.

[3] 孫杰，林宗堅，崔紅霞.無人機低空遙感監測系統[J].遙感信息，2003（1）：49-51.

[4] 賈建軍，舒嶸，王斌永.無人機大面陣CCD相機遙感系統[J].光電工程，2006，33（8）：90-93.

[5] 錢義先，高曉東，梁偉，等.多光譜大面陣彩色CCD數字航測相機設計[J].光子學報，2008，37（12）：2473-2477.

[6] 謝濤，劉銳，胡秋紅，等.基于無人機遙感技術的環境監測研究進展[J].環境科技，2013，26（4）：55-60.

[7] 李德仁，李明.無人機遙感系統的研究進展與應用前景[J].武漢大學學報（信息科學版），2014，39（5）：505-513.

[8] 田金文，謝清鵬，譚毅華，等.無人機序列圖像壓縮方法研究[J].華中科技大學學報（自然科學版），2005，33（12）：76-78.