無人機技術在環境監測中的應用前景

劉美玲　羅克菊　陳誠　曹楠

摘 要：近幾年環境問題越來越受到重視，同時隨著技術的不斷發展，環境監測部門嘗試將無人機技術應用到環境監測。它在大氣監測、森林防火、水土保持等方面具有更大的監測優點，有利于提高監測效率。本篇文章基于環境監測的角度，探討無人機技術在這一方面的應用，介紹大氣環境質量檢測、森林防火檢測、水土保持監測等方面的應用。希望本文的研究能夠為讀者提供有益參考。

關鍵詞：無人機；環境監測；遙感技術

中圖分類號：P627 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0007-02

我國過去幾十年的大發展是以犧牲環境為代價的發展模式，近幾年的空氣污染、異常天氣問題，就是環境遭到破壞的集中反映。為了響應國家環保的可持續發展戰略，環保部門加強了環境監測工作，通過獲得的監測數據制定更具針對性的環保措施。為了加強環保的力度，采用無人機技術應用到相關環保工作中，以科技促進環境保護。

1 無人機運作概述

所謂無人機技術，是指將傳感、遙測遙控、通訊、GPS定位等技術整合的綜合系統，通過無人機各零部件的配合，執行數據采集、數據傳輸的任務。傳感器是無人機的重要部件，隨著技術的進步和發展，它呈現著大面積、數字化、多光譜的發展趨勢，通過這些改進強化了數據采集精度。

無人機的運轉主要有三大部分，即前期內、外業以及后期內業。其中前期內業主要由遙感監測系統、地面控制系統等組成，以此保障前期外業執行的基礎條件；前期外業，主要是信息數據收集的過程，通過人工或自動控制，在特定范圍內執行數據采集任務，搭配GPS定位技術，確保無人機飛行方向正確；后期內業，主要是根據前期外業的數據，進一步分析和整理采集數據，并基于數據結果作出方案[1]。

采用無人機具有不受空間、地形限制的優勢，比起傳統的人工環境監測，其監測效率和可操作性更強，獲取的信息也相對更準確。無人機的監測面積覆蓋廣，并且機身小巧、便于攜帶。無人機有充電和加油兩種供能方式，根據監測站的條件和需要決定。部分機型的無人機，為其添加3kg的油，其續航時間達到10h。此外，無人機還朝著智能化、自動化的趨勢發展，在未來無人機不僅能夠幫助監測人員采集特殊地形的位置，同時還能根據監測需要，同步分析和整理所需數據。

2 無人機應用存在的不足

首先是設計問題，由于無人機基礎便攜性考慮，通常設計較小的體積，當其飛行到一定高度后，大風以及突發天氣，都會影響其環境監測和飛行效果。但是增大增重無人機，那么其耗能也隨之增加，續航時間也因此變短。

其次是數據傳輸技術，固定在無人機的數碼相機所收集的數據還不夠精確，呈現一些數據誤差，未能滿足特定監測任務。采集數據產生的誤差，會影響繪制圖像的精確性。無人機企業將提高采集數據的準確度和傳輸效率，作為無人機下一階段的發展重點。

最后是數據處理技術，由于無人機是新興事物，對于環境監測功能開發還不夠完善。現階段的無人機主要是將采集數據傳輸到系統中，并根據遙感影像進行數據處理。環境監測人員還需要針對無人機反饋的數據，進行進一步糾偏和修正，如此才能得到較為準確的監測數據[2]。

3 無人機技術在環境監測中的應用

3.1 大氣環境監測的應用

（1）配備可見光相機：目前針對大氣監測的無人機，通常采用“無人機+可見光云臺”的形式，這種組合不僅應用范圍廣，并且取得的檢測效果也最好。相機本身的變焦功能，能夠在有限的飛行范圍內，更大地擴展監測可視范圍。可見光相機的應用場景，大部分被限制在白天或光線充足的夜晚，并且只有拍照和錄制視頻的功能，這種無人機配置不能為監測者提供精準的數據支持。此外，這種無人機容易受到天氣的影響，僅能在污染物可見度高的情況下，監測大氣中的污染物，監測功能較為單一。常規的可見光載荷，只能幫助監測者發揮簡單的監測作用，由于功能較少，因此很少在實際監測任務中應用。

（2）紅外成像功能：將紅外成像功能安裝在無人機，能夠解決可見光無人機無法在夜間或光線不充足的監控問題，擺脫了監測時間的束縛。通過熱成像儀的熱分布可視化功能，能夠幫助工作人員進行測溫等操作，特別是在夜間，熱源干擾項較少的情況下，針對排污企業進行監測，能夠更準確地發現污染源頭，并依靠無人機小巧的特點進行偷拍，以此掌握排污企業違規排污的證據[3]。

紅外成像功能在實際應用階段，受到的熱源干擾因素較多，部分無人機企業在構件模型時，忽視了安裝紅外成像模塊的問題，在大氣監測過程中沒能很好地聯系排放溫度與排放量，無人機采集、反饋的數據構建計算模型困難，還需要工作人員進一步處理和分析熱成像數據。

（3）配備氣體傳感器：采用“無人機+氣體傳感器”的組合，在此無人機安裝多種因子的氣體監測傳感器，實現在測區最大范圍巡航。這種無人機配置測出的數據精度、準確度較高，更好地運用到大氣監測中。

（4）數據可視化：大氣監測主要集中在人員密集的區域，因此有執法的時效性，部分企業在極短的時間內違規排放廢氣，單靠傳統監測方式，容易出現取證困難的問題。利用無人機傳感器，能夠采集到排放廢氣的各項數據，工作人員再將數據整理成Excel表格，由此得出監測的企業是否存在違規排放的問題。采用數據可視化的解決方案，能夠工作人員實時顯示監測數據，并揭示氣體污染物遷移規律，為大氣監測工作提供充足的數據支持，節省處理數據的時間和人力成本。

3.2 森林防火監測的應用

針對森林防火監測，主要在無人機上配備前視紅外線儀器、分辨率高的相機、攝像設備。搭載這些部件在設置的森林防火區域巡視，定期或不定期安排無人機執行飛行任務，然后拍攝特定區域的森林圖像，并通過數據傳輸設備上傳至林業監控中心，以便工作人員發現森林一段時間內的變化，發現其中可能發生火災的隱患，及時安排護林員進行防火處理。借助機身上前視紅外線儀器，能夠發現拍照或攝像期間的溫度情況，將監測數據與歷史數據相對比，工作人員獲知當時森林處理何種狀態。在森林發生火災時，傳統的人工監測方式由于煙霧太大，同時基于安全性的考慮，可安排無人機靠近監測，并通過實時傳輸數據系統，將火情反饋給林業部門監控中心。如此制定出更行之有效的防火策略，安排消防人員及時采取有效措施，防止火勢蔓延。

比起人工巡視的效率和時間限制，無人機在巡視時間上有更大的優勢，在確保供能（充電、燃油）的前提下，能夠安排多架無人機進行24小時巡視，實時將監測數據反饋給地面工作人員，在火災初期就采取有效的撲救措施。此外，無人機因其體積小的特點，可以靈活地調整飛行路線，根據監測需要前往指定區域拍照或攝像，根據反饋的影像分析和發現可能存在的森林火災隱患。將無人機應用到火災補救指揮中，根據無人機反饋的信息，迅速高效組織和部署補救工作，并借助通訊設備通知在現場的消防人員，并根據影像資料規劃出安全的火場撤離路線，確保滅火、補救工作有序安全進行。

盡管盡管無人機在森林防火中有諸多優點，但是還有一些缺陷需要改善，如提高無人機的抗風能力以及監測圖像精度。對于年齡較大的護林員來說，無人機的操作相對復雜，因此在操作界面以及操作方式上，應進行簡易化處理，使之上手難度降低。在人、車無法到達的偏遠地區，部署一定數量的無人機，這樣才能及時發現森林火情，實時掌握林火態勢，以及獲取采取滅火、補救措施的所需信息。

3.3 在水土保持監測的應用

（1）監測內容：水土保持檢測，主要利用無人機在測區內對地形地貌、土壤情況、水土流失等情況進行調查，對于水土問題嚴重的區域還需要拍照以及定位坐標。通過這些調查工作了解水土流失問題的嚴重性。在水土治理區域，還可利用無人機檢測該區域的土方量、水土流失量等參數，并觀察水土保持工程的建設情況和效果。對于林草植被需要進行持續監測，針對攔渣、土地防治、防洪疏導工程進行調查，確保采取的水土保持措施有效性，若是相應措施未能發揮應有作用，工作人員可以通過無人機反饋的信息，對其質量進行綜合評估。

（2）遙測數據分析：利用無人機采集的遙感監測信息數據，對遙感結果進行簡單處理后，將平面布置圖、土地使用現況圖相疊加，以監測區作為其中邊界線。根據水土保持項目各施工節點和水土保持監測頻率，進行更加全面的二次遙測，并使用GIS軟件對遙測數據進行解譯，從中發現測區的臨時堆土、區域擾動面積的位置和數量，將其與植物水土措施的位置、數量整合。將這些數據輸入到數據庫中，根據不同時段、不同測區的數據進行比對分析。將遙測數據建立DEM模型，用以檢測開挖土方量、填充土方量，然后再計算土方量。計算結果與歷史數據進行對比，由此得知水土保持工程期的土方量變化。水土流失量同樣可以用DEM模型計算，由此得到坡度分級信息，比對現有土壤侵蝕標準，估計監測范圍的整體水土流失量。在水土工程完成后，再使用無人機進行全面的監測，確保該工程效果符合工程設計。

（3）無人機水土保持監測的應用趨勢：受限于無人機較小的體積和飛行高度，以及水土流失區域過于復雜的地形地貌，容易在執行監測任務時受到天氣的影響。針對這一問題，工作采用增加無人機荷載的方式提高抗風能力，但是這樣的配置又會降低其續航時間。因此在較短的監測時間內，要求工作人員快速處理監測數據，將其與高新科技結合，配合RS、GIS軟件以及遙測技術，通過無人機獲取監測信息，利用GIS軟件進行數據分析處理。通過這樣的軟、硬件改造，將監測無人機改造成集監測、數據分析和處理功能于一身的數據信息平臺。借助GIS軟件的模擬功能，建立反映水土保持狀態的數據庫，方便監測工作人員瀏覽、分析。

（4）在水環境監測的應用：在水環境監測中，水上無人機主要有以下應用。第一，進行安全采樣。通過無人機的運用，相關工作人員無需乘船到不同采樣點進行采樣，身在岸邊就能對無人機進行操作，使采樣的工作得以完成。第二，克服不利地形。通過無人機進行采樣，不但能使工作的效率得到提升，更加方便的進行部署，還能使工作的準備時間大大縮短，克服水上地形的不利干擾因素，讓工作設備的路徑保持直線，且性價比也更高，應用無人機大幅降低了水環境監測開支。

4 結語

綜合上述，本文主要介紹了大氣、森林防火以及水土保持監測幾個環境監測領域。借助無人機的機動性優勢，幫助工作人員在地形地貌復雜的地區，更進一步地靠近監測目標，獲取實時監測數據。在應用過程中，無人機有抗風能力差、續航時間短的缺陷，在電池、材料學沒有大突破的前提下，其技術改進是通過提高其數據處理速度的方式，減少無人機的續航時間。

參考文獻

[1]向杰，陳建平，李詩，等.無人機遙感技術在北京首云鐵礦儲量動態監測中的應用[J].國土資源遙感，2018，30（03）：224-229.

[2]劉方正，杜金鴻，周越，等.無人機和地面相結合的自然保護地生物多樣性監測技術與實踐[J].生物多樣性，2018，26（08）：905-917.

[3]段德聲，鐘非非.無人機傾斜攝影測量技術在區域土地利用動態監管中的應用[J].建材與裝飾，2018（38）：239-240.