淺談低空無人機在水土保持監測中的應用

【摘要】隨著無人機遙感技術的不斷發展，低空無人機在水土保持監測中發揮著越來越重要的作用。本文從國內外低空無人機應用發展現狀出發，圍繞低空無人機在水土保持監測中的應用優勢、低空無人機在水土保持監測中存在的問題、低空無人機在水土保持監測中的發展方向等問題進行闡述和探討，以期為利用低空無人機進行水土保持監測提供一定的參考。

【關鍵詞】低空無人機；水土保持監測

1、國內外低空無人機應用發展現狀

無人機是利用無線電遙控設備和自備程序控制裝置操縱的不載人飛機。由飛機機體、飛控系統、數據鏈系統、發射回收系統、電源系統5部分組成。目前無人機按照平臺構型來分類主要分為固定旋翼無人機、直升機、多旋翼無人機3大類。固定翼無人機續航時間長、載荷大，但是需要長距離跑道，不適合復雜地形，主要用于水利地質勘測、水政巡查等方面。直升機續航時間中，結構復雜，維護成本高，不適用復雜地形，主要用于應急搶險救災、水利地質勘測等方面。多旋翼無人機續航時間較短，但是結構簡單，無需機場起降，成本較低，適合在復雜地形進行航拍，可以輕易獲取相對清晰的影像，因而應用最為廣泛。無人機研究從19世紀開始，在全球各大領域得到了廣泛應用。19世紀中葉，美國農業部建立了以遙感等技術為基礎的農情監測系統，監測農業生產的全過程，幫助農民制定計劃與安排田間管理，監測全球作物長勢、預測產量，為國際農產品市場提供服務。1953年，日本政府鼓勵發展無人直升機協助農業作業，利用RMax無人機對稻田進行農藥噴灑，取得了良好的經濟效益。1912年，加拿大開始將飛機作為噴灑農藥的輔助工具。

我國無人機發展較晚，但經過40多年的發展，在各行各業推廣應用日趨廣泛。王志良等在新建重慶至萬州鐵路水土保持監測中采用了低空無人機技術，對重點區段進行低空無人機監測，并對該技術應用于線性生產建設項目水土保持監測進行了探索，取得了良好的監測結果。泰安市水土保持生態環境監測站利用天巡AS1200型低空無人機對國電泰安熱電廠實施了水土保持監測，通過無人機搭載自動駕駛儀、GPS接收機、高分辨率專用數碼相機等專業設備結合地面控制系統，對國電泰安項目及周邊約30平方公里的面積進行了低空航測，獲取了分辨率為20厘米的清晰影像，對項目區內地表擾動情況、棄土堆放情況、水土保持工程、林草、臨時措施實施情況等進行全方位拍攝。江蘇省水土保持生態環境監測總站使用無人機航拍技術開展泰州引江河第二期工程水土保持監測，通過此次航拍技術應用，成功掌握了泰州引江河第二期工程建設期間擾動地表范圍、棄土區的分布、棄土（石、渣）量及水土保持措施現狀等監測要素，準確監測了各要素量質的變化情況。

2、低空無人機在水土保持監測中存在的問題

低空無人機在水土保持監測工作中應用廣泛，取得了不錯的成績，但仍存在部分問題，制約著該項技術的應用：

（1）抗干擾能力弱

低空無人機由于載重量較小，懼怕惡劣天氣，遇到大風、大雪、大雨、沙塵暴等氣象條件無法正常完成任務，此外，低空無人機受地形影響較大，遇高山或峽谷無線電信號受到干擾，指令無法傳到，容易造成墜機，同時飛機易受復雜地形的不穩定氣流影響，增加操控難度。

（2）續航時間短

目前，市場上的低空無人機多采用鋰電池為主要動力，續航能力一般在20分鐘～30分鐘，除去起飛、降落時間以及預留的安全電量，實際飛行時間只有十幾分鐘，若遇占地面積較大點狀工程或長度較長的線性項目，需根據實際情況多次飛行，增加了工作量。

（3）控制距離短

目前，低空無人機主要靠無線電信號控制，其安全飛行距離一般在2km左右，最大不會超過5km，且無線電信號容易受大山或建筑物阻擋，無法隔山或建筑物飛行，給實際水土保持監測工作帶來諸多不便。

3、低空無人機在水土保持監測中的應用方向

隨著低空無人機遙感技術的飛速發展，低空無人機在水土保持監測中的應用將更加廣泛。傳統的水土保持監測以地面觀測和調查巡查為主，需要對整個項目區進行實地踏勘，對大面積或大型工程監測時，外業工作量大，一些偏遠地區監測設備及人員很難到達，獲取數據十分困難。目前土壤侵蝕量和植被蓋度的監測還是采用地面觀測，采用低空無人機監測國內外還只是處于探索階段，鑒于低空無人機監測的發展趨勢，今后該項技術必然會成為主要監測手段。

（1）土壤侵蝕量調查

土壤侵蝕影響因子較多，其發展過程較為復雜，傳統的監測工作只能小范圍的調查土壤侵蝕量，不具備代表性，采用無人機低空飛行器作為遙感平臺，利用數字攝影技術，對監測區域進行多次長周期的觀測，獲取高分辨率、大比例尺的影像資料，通過計算機軟件對影像資料進行處理，得出土壤侵蝕主要因子的數量和質量，根據通用土壤侵蝕方程（USLE）計算出土壤侵蝕模數和侵蝕量，從而對區域土壤侵蝕變化得出監測結論。

（2）植被蓋度監測

對林草植被覆蓋度監測，傳統的監測方法是采用樣方法，樣方法存在很多局限性，而采用無人機監測，既省時、省力還具有較高的準確性。以低空無人機作為飛行平臺，搭載高清冠層測量相機，對監測區域開展多批次長周期低空飛行，充分發揮低空無人機靈活、便捷、高時效特點，獲取地面影像資料，用計算機專用軟件，根據植被和土壤的自身光譜特征，通過比對像元各波段反射率，對植被像元和土壤像元進行區分，從而計算出植被蓋度。通過對多次拍攝的影像資料得出的植被蓋度進行前后對比分析，即可得到植被蓋度的動態變化。

參考文獻：

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[2]王志良，付貴增，韋立偉等.無人機低空遙感技術在線狀工程水土保持監測中的應用探討-以新建重慶至萬州鐵路為例.中國水土保持科學，2015，13（4）：109-113.