無人機技術在環境監測中的應用分析

蕭浩鵬 彭海宇 黃華 劉麗娟

摘 要：無人機技術以其靈敏機動、經濟成本低、分辨率高、不受場地約束等諸多優點。通過搭載高清分辨率相機、紅外載荷、多光譜及高光譜成像儀、環境監測傳感器等機載設備，無人機廣泛應用于各種監測場景，目前已普遍使用在地表水環境、大氣環境、生態環境的監測工作之中。該文重點分析無人機技術在環境監測中的應用研究進展，并探討其應用前景。

關鍵詞：無人機? 環境監測? 大氣環境? 地表水環境 生態環境

中圖分類號：X87? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Due to the advantages of agility， low cost， high resolution and free from site constraints， by carrying airborne equipment such as high-resolution camera， infrared load， multispectral，hyperspectral imager and environmental monitoring sensor，UAV has been widely used in monitoring of surface water， atmospheric and ecological environment. This paper mainly analyzes the application of UAV technology in environmental monitoring and discusses its application prospect.

Key Words：UAV; Environment monitoring; Atmospheric environment;Surface water;Ecological environment

建設生態文明、推進綠色發展，關乎人民福祉和民族未來。生態環境保護工作需要以環境監測作為基礎，獲取詳實、準確的環境監測數據作為決策支撐。隨著科學技術水平的不斷提高，無人機技術以其靈敏機動、經濟成本低、分辨率高、不受場地約束等諸多優點，在環境監測領域的應用也日趨普遍。

1 無人機技術應用情況

無人機是通過無線電遙控設備或機載計算機程控系統進行操控的不載人飛行器。無人機結構簡單、使用成本低，不但能完成有人駕駛飛機執行的任務，更適用于有人飛機不宜執行的任務，如危險區域的地質災害調查、空中救援指揮和環境遙感監測。

無人機按用途進行分類，可以分為民用無人機、警用無人機和軍用無人機;按飛行平臺構型分類，可以分為固定翼無人機、旋翼無人機、無人飛艇、傘翼無人機、撲翼無人機等。在無人機剛興起時，無人機普遍運用于航拍娛樂;現如今，無人機運用非常廣泛，主要運用的行業有城市建設管理、農業植保和農藥噴灑、交通監視、地質保護、氣象監測、電力水力、搶險救災、視頻拍攝、生態環境和環保監測、服務等行業等。

無人機可搭載高清分辨率相機、紅外載荷、多光譜及高光譜成像儀、環境監測傳感器等機載設備、廣泛應用于各種監測場景。在惡劣、危險和人類無法到達的環境條件中，無人機能替代我們到達我們無法到達的環境，第一時間對現場進行全面監測，通過搭載的相機設備等記錄現場環境的情況。然后通過運用計算機對航拍影像進行建模處理，大規模提取圖片影像中的數據進行快速處理，提取有效數據。

2 基于無人機技術的環境監測應用

2.1 無人機在大氣環境監測中的應用

無人機在大氣環境監測方面的應用主要有3個方向。

2.1.1 無人機+可見光相機

目前，運用比較廣泛的是在無人機上搭載可見光相機對大氣環境進行監測[1]，即搭建可見光云臺進行大氣環境監測。其缺點在于：只能通過可見光相機拍攝照片以及拍攝視頻來完成監測，目前還沒擁有足夠準確的監測數據作為支撐，同時還很容易受到天氣、光照以及相機本身等各方面因素的影響，所以只有在對污染濃度大且可見性污染源，比如：秸稈焚燒進行監控時，才會應用到可見光相機。

2.1.2 無人機+紅外成像儀

在無人機上搭載紅外成像儀，可以在白天或者晚上順利進行監測。紅外成像儀的特點是可以不接觸被測物體就能測量其溫度，且是在一定范圍的溫度分布，反應速度快，測量精度基本不受距離的影響等。因此，無人機通過紅外成像儀可以發現夜間生產的企業是否有偷排的情況。但紅外成像儀容易受環境的影響，不同種類的企業的熱分布形式有所不同，其排放溫度與排放量沒有關聯性，監測結論需要經過較長時間的相關模型比對和監測才能得出[2]。

2.1.3 無人機+氣體傳感器

最后一個方向是在無人機上搭載氣體傳感器。氣體傳感器是指多種因子的高精度氣體傳感器。無人機搭載上相應因子的高精度氣體傳感器在指定區域內進行大范圍的巡視，尋找該污染因子進行監測。在技術的不斷發展進步下，氣體傳感器的精度達到了可以接受的范圍，尤其是運用了光離子化檢測器方法的氣體傳感器，其檢出限、精度甚至可以達到ppb的級別，在一定程度上滿足了大氣污染物濃度的要求。

目前，考慮到環境監測執法的時效性需求，已有相關技術通過構建無人機監測平臺來進行實事應急監測，開發基于無人機監測平臺的大氣污染應急監測和溯源系統[3];并有相關企業探索將無人機+氣體傳感器獲得的大量實測數據實現可視化處理，充分挖掘數據隱含的空間關聯，揭示大氣污染物的遷移轉化規律，從而科學直觀地判讀并分析大氣污染情況，為后續一系列的治理措施提供支撐依據。

2.2 無人機在水環境監測中的應用

在水環境監測中，目前比較常用的是用無人機開展巡河工作[4]。運用無人機巡河，可以對河道是否有漂浮物以及河岸的保潔情況進行全方位的拍攝記錄，也可以收集河流水質、污染源及排污口等信息。

無人機在水環境監測工作中的應用前景非常廣闊[5]，在實際應用時有以下明顯的優勢。

一是提高效率，節約成本。運用無人機進行地表水環境監測時，可以克服地形和地勢困難，幾乎直線到達監測區域，有效地節約了整個采樣工作的時間以及人力、物力成本。相關研究證明了無人機監測識別飲用水水源風險可行性，對于取水口及其風險監測技術體系建設具有一定參考價值[6]。

二是提高質量，安全便捷。運用無人機可以準確采集河流湍急、河沿岸淤泥沉積等惡劣環境中的水樣，提高水樣的準確性、代表性和可比性。同時，監測采樣人員無需親身赴險，只需要在監測點的岸邊操控無人機就可以完成水樣采集工作，非常便捷，風險較小。

三是直觀全面，準確度高。通過開展野外同步水質光譜數據采集實驗，獲取各等級水質樣本數據將無人機高光譜技術應用到城市中小河流的水環境監測中，滿足城市中小河流的水質監測需求[7]。

2.3 無人機在生態環境監測中的應用

在生態環境監測中，無人機可以充分發揮直觀、全面、分辨率高、采集和分析處理速度快、成本低的遙感監測優勢，快速完成拍攝任務，生成高分辨率的遙感圖像，直接辨認污染來源、分析部分可見污染物的情況，構成分布圖，同時使用高性能處理方式，對數據進行預處理和深度處理，生成可用的分析數據，為生態環境保護工作提供數據支撐。

無人機技術在生態環境監測上的應用場景包括：一是森林資源調查研究，無人機遙感設施利用相機進行傳輸影像，獲得數據再結合GIS和GPS系統分析;二是生態環境和災害監測研究，通過空間遙感技術與GIS技術結合，定量分析景觀斑塊、格局和土地利用空間格局的變化;三是陸域生態環境監測調查，利用無人機遙感技術，對土地利用類型、植被覆蓋和土地侵蝕等生態環境要素進行定位，充分展示了陸域生態環境的變化情況。

3 無人機技術在環境監測的應用前景

無人機具有低成本、低損耗、可重復使用且危險小等諸多優勢，在環境監測領域推廣應用[8]，可以為環境監測提供有力幫助，切實提高環境監測質量，從而讓環境監測工作更有價值和意義。

在利用無人機開展環境監測過程中，仍需著力解決一些技術和標準規范層面的問題。

一是研發小型、輕型的環境監測設備，解決無人機荷載以及空間限制等因素的影響。

二是研發無人機數據信息的分析處理系統，有助于深化無人機技術在環境監測領域中的應用。

三是無人機飛行高度受限，電池續航能力還有待提高，且在水域上空發生故障時難以回收，因此，需要加強監測現場環境的實地調查與研判，合理有效規劃無人機飛行航線，提高無人機操作的安全性。

四是針對無人機獲取的環境監測指標數據，沒有相關的標準、規范，其數據只能作為參考，怎樣和地面監測指標統一進行集中處理，實現空地一體化數據綜合使用，是作為無人機應用技術開發的一個研究方向。

4 結語

綜上所述，無人機技術在監測水環境、大氣環境、生態環境中正發揮著越來越重要的作用。但由于無人機技術與生態環境保護行業的結合是最近幾年才興起的，其自身仍存在不少問題。在突破上述技術難題后，無人機技術在環境監測領域的未來一定會有更廣闊的發展前景。

參考文獻

[1] 單旭然.從“藍天行動”看無人機在大氣環境監測中的應用[J].城市建設理論研究：電子版，2018（24）：181.

[2] 李琪.無人機在大氣環境監測中的應用[J].中國環保產業，2018（2）：54-57.

[3] 魏順成. 基于無人機的大氣污染應急監測與溯源[D].杭州：浙江工業大學，2020.

[4] 王凱.無人機在水環境監測工作中的應用分析[J].造紙裝備及材料，2020，49（4）：66-67.

[5] 劉美玲，羅克菊，汪晶，等.淺談無人機在水環境監測工作的應用前景[J].資源節約與環保，2018，205（12）：61.

[6] 楊欣.基于無人機監測的上海市取水口風險評估技術案例研究[D].上海：華東師范大學，2020.

[7] 李瀾. 基于無人機高光譜遙感的城市中小河流水質等級判別研究[D].北京：中國科學院大學（中國科學院上海技術物理研究所），2021.

[8] 姚婉玲.基于無人機遙感技術的環境監測研究進展[J].環境與發展，2017，29（5）：154，156.