無人機遙感技術在環境監測的應用研究

魏 杰，戎 征，邢 昱，劉麗娜

（河南省環境監測中心，鄭州 450003）

長期以來，我國經濟保持迅猛發展，與此同時環境污染問題卻日趨嚴重。有數據表明，由于過去我國長期采取粗放型發展模式，工業發展造成的環境污染問題層出不窮，不僅造成了高額的經濟損失，也危害了人類的健康與安全，這些問題主要體現在生態系統自我修復能力的減弱、水土流失現象嚴重、珍稀瀕危物種加速滅絕和水資源日益匱乏。面對我國經濟發展中出現的各種生態環境問題，我國提出了以“防患于未然，防治結合”的環境保護原則。在這一原則指導下，環境監測工作變得尤其重要，如何實時有效地對環境進行監測是當前急需解決的問題。由于環境監測的特殊性，其對數據的實效性有著很高的要求，傳統的環境監測技術在監測空間上的連續性、監測范圍上的大小、監測時間上的長短等方面都不能滿足目前生態環境保護的要求。無人機遙感技術是目前比較流行的信號收集手段，它主要應用于航空、航天遙感領域，對常規的環境監測起著重要的輔助作用。

1 傳統環境監測技術的局限性

1.1 監測區域局限性

目前，人工調查的方法進行環境監測已經完全不能滿足社會的需求，這種方法受區域限制較大，一般只用于小范圍的環境監測，其結果受人為因素較大，其監測的準確度無法達環境監測標準，無法實時、有效、準確地對環境進行動態監測。當其應用于大范圍的環境監測時，其間經常會出現因為人員不足而導致分配失衡的現象，而對于一些高危環境，如高寒、高熱、高壓等區域的監測，是完全無法依靠人力來收集相關數據的。

1.2 數據采集方法的局限性

由于環境監測方面缺少充足的經費，現階段，環境監測內容不夠全面，缺乏時效性，不能與環境污染的腳步相一致。目前，數據采集儀器基本采用人工操作模式，數據采集效率低下、準確度低且對于實時變化的環境不能進行有效的監測并記錄。總的來說，環境監測手段的落后仍然是環境監測中最大的難題，環境監測中的數據采集技術更新已經到了急需解決的地步。

基于這些原因，無人機遙感技術作為科技時代的新興產物，具有智能化、數字化、自動化的特點，可以快速取得環境監測的各種數據信息，逐漸應用于環境監測。該技術具有成本低、實時性等特點，目前是國內外研究的熱點。

2 無人機遙感技術優點

無人機遙感技術是指通過無人機為搭載平臺，搭載數碼相機、攝錄機等數字遙感設備來進行空中拍攝和記錄，并通過遙感技術對影像處理數據進行同步傳輸，以達到對監測對象進行實時監控的目的，并可以同步完成遙感數據的處理、數據建模和數據分析。

2.1 能夠確保高效、安全的作業

無人機遙感技術不受地形、空間、時間等多方面因素的影響，比傳統的監測手段更加高效、靈活、安全。無人機可以在第一時間取得一手數據信息，在搭載了高精度成像設備后，能夠在垂直狀態和傾斜狀態下獲取高質量的影像信息，并實現視頻信息的實時傳遞，在監控終端可以實時觀察監測情況，并進行實時指揮，對現場可以精確到0.1 m的辨識度，監測效果更直接，而且沒有監控死角。

2.2 操作簡單明確，實用性較高

無人機遙感技術的智能化水平非常高，因此可按照系統中預先設定的路線，通過連續性的校對和不斷的調整來進行精準飛行和目標監測，也可以通過視頻系統以手柄遙控的方式來人為操控無人機。

2.3 運行成本較低

無人機因其機型小、消耗低、使用和維護簡單、監控范圍廣、運行成本低、能大量節省人工監測時間等優點，可以連續飛行長達16 h，一次飛行一百多個監測點，監測工作效率和準確率都非常高。

3 無人機遙感技術在環境監測中的應用

3.1 在水土保持方面的應用

目前，無人機在水土保持方面主要通過搭載多光譜成像儀等設備，獲取多光譜圖像的實時數據信息，從宏觀角度來進行水環境狀況的監測。對于水域面積比較小、污染類型比較復雜、精度要求比較高的內陸水體，無人機遙感技術還無法達到監測要求。目前，無人機遙感技術主要針對水質的富營養化、透明度、排污孔污染狀況等情況進行監測，對地表水環境狀況進行直觀監測。我國的無人機遙感技術首次應用于環境監測領域的是遼寧省，其通過無人機遙感技術對遼河治理情況進行航拍和監測，得到分辨率為0.1 m的實景圖像數據，通過對圖像進行評估來掌握遼河治理的實際情況。研究表明，該技術主要應用于物種豐富程度、河流邊坡、栽種植被以及植株成活情況等方面。例如，孫洋等人將無人機遙感技術應用于水土保持的監控，對朝陽市的水土保持工作進行效果評估，從根本彌補了傳統監測技術中準確率低、安全性低等缺點，使得水土保持的環境監測朝著實效性、低成本、自動化方向發展[1]。

3.2 大氣環境監測方面

地面監測是目前大氣環境監測的主要手段，而對于一些排煙類的大氣污染物還沒有很好的浮空采樣監測方法。無人機可以很好地彌補這一方面的缺陷，可以人工控制其在空中位置的停留并進行監測，這樣極大地降低了大氣環境中高空污染物的檢測難度。在大氣環境監測方面，目前我國的無人機遙感技術可以實時監測環境溫度、環境濕度、粒子濃度、二氧化氮和臭氧等指標。例如，楊海軍等人以化學工業區為研究對象，利用無人機遙感技術對污染氣體中的NO、CO、SO2等進行監測[2]。在對我國大氣環境進行實時監測的同時，無人機可以通過搭載采樣器的方式，采集大氣樣本。其返回實驗室后，人們可以進行進一步的檢測分析。無人機遙感技術所具有的視野、高度、連續性是傳統的人工取樣方式所無法達到的。

3.3 生態環境監測方面

在生態環境監測方面，無人機遙感技術可以通過搭載光譜類設備或數碼相機設備來獲取影像數據信息，通過與地面控制系統的聯動來處理和拼接數據信息，分析宏觀環境指標，主要用于森林、災害、生態環境等多個領域的監測工作。例如，張增等人利用無人機遙感技術獲得火災圖像，然后對森林火災的火場區域進行有效的分割、對火災特點的進行正確的識別，使得森林火災的監測力度高達87%[3]；李衛正等人采取人工目視法，以無人機遙感技術為輔助監測工具，有效地獲取植物病蟲害位置，提高了生態環境檢測的精準度[4]；冷偉鋒等人以利用無人機遙感技術獲得的圖像信加以分類，分析得出該地區引起病蟲害的致病菌為條形柄銹菌[5]。

3.4 環境應急監測方面

在發生突發事件后，尤其是比較嚴重的環境污染事故，現場的情況非常危險，也有可能遇到交通不便或相關人員無法進入污染區域的情況。無人機遙感技術一方面可以保障相關人員的人身安全，另一方面也能夠大大降低應急工作難度，提高應急工作效率。在這種情況下，無人機遙感技術可以迅速到達指定地點，通過搭載影像設備，懸浮在事故區域上空，全方位地觀察事故現場的實際情況，如污染物擴散、周邊環境布局、事故發展程度等情況，為應急事件的處理和決策提供準確有效的數據信息。比如，在2010年大連新港的輸油管線爆炸事故中，爆炸引起大量原油流入海域，造成了50 km2海域的污染。傳統技術是無法對事故進行快速的監測和控制的，因此環保部門及時調配無人機進行監測，在環境比較惡劣的情況下，完成低空飛行作業，迅速提供了準確的原油污染監測數據，為應急處理人員提供了至關重要的技術支持。

4 結語

無人機遙感技術因其安全性高、成本較低、實用性強、高效精準、機動靈活等諸多優點，在環境監測方面的應用前景非常廣闊。目前，我國無人機遙感技術在環境監測領域的應用還處于起步階段，隨著技術不斷進步和完善，無人機遙感技術將在大氣環境、水環境、生態環境和應急事件等方面發揮更加重要的作用。