無人機遙感在水環(huán)境生態(tài)恢復(fù)的應(yīng)用探析

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搞 要 目前，對于水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要靠人工采集、船只搜集。在實際操作過程當中會造成數(shù)據(jù)搜集上的一些誤差，另一方面，船只會排出廢氣和污染物。而高分辨率、高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展，突破了傳統(tǒng)方式的水環(huán)境監(jiān)測手段，無人機遙感技術(shù)的誕生，滿足了現(xiàn)階段精細化和動態(tài)化監(jiān)測需要，在對生態(tài)恢復(fù)的監(jiān)測上發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 無人機水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測與恢復(fù)

1.1 水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測存在問題

近年來，經(jīng)濟的發(fā)展導(dǎo)致環(huán)境更加惡化，很多地區(qū)環(huán)境生態(tài)環(huán)境受到嚴重破壞，加之缺乏必要的信息化管理手段，也給環(huán)境監(jiān)測帶來較大影響。依靠傳統(tǒng)遙感方式的環(huán)境監(jiān)測手段無法滿足現(xiàn)階段精細化和動態(tài)化監(jiān)測需要，能夠解決上述問題的關(guān)鍵措施的無人機遙感技術(shù)因此應(yīng)運而生。

水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測，主要是利用水體高分辨率影像、光譜效應(yīng)、熱紅外等進行差異化，從遙感影像的色調(diào)、灰度、結(jié)構(gòu)、紋理、光譜曲線、溫度特征等方面進行識別。傳統(tǒng)遙感監(jiān)測存在高分數(shù)據(jù)成像周期較長、易受天氣因素影響等問題，對于治理效果的監(jiān)管存在一定滯后性。而水域因為有流速，屬于易變的監(jiān)測物，對監(jiān)測時效性要求也較高。

1.2 無人機監(jiān)測的優(yōu)勢

無人機遙感作為一種低空遙感，需要多項技術(shù)協(xié)調(diào)配合工作，通過搭建無人機飛行器作為遙感平臺，掛載紅外光、可見光相機等設(shè)備作為任務(wù)載荷，依托遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)作為成果輸出端口，實現(xiàn)一整套連續(xù)的遙感過程。優(yōu)勢有以下幾點：

第一，運行維護成本低。與衛(wèi)星和有人機等其他遙感方式相比，無人機的運行和維護成本相對較低，工作人員運用地面站程序即可實現(xiàn)對無人機的遠程遙控，并通過無人機搭載的任務(wù)載荷完成對目標區(qū)域的作業(yè)操作，節(jié)約人力勞動和時間成本。

第二，安全性高。無人機可在天氣環(huán)境較惡劣的河湖實施作業(yè)來進行采集數(shù)據(jù)。尤其是在山洪災(zāi)害中期和后期對河流水面的監(jiān)測，無人機可代替人員到達現(xiàn)場，造成不必要的人員傷亡，保證人身安全。

第三，實時性好。無人機通過測控與信息傳輸系統(tǒng)能夠?qū)崟r傳輸航拍影像，靈活度高，適用于河湖水環(huán)境的日常監(jiān)測，為河湖的生態(tài)監(jiān)測與恢復(fù)制定工作方案提供有力依據(jù)。

第四，精度高。無人機飛行高度通常為50～1000m，滿足航空攝影中的近景測量標準，精度較衛(wèi)星遙感有大幅度的提升，測量精度為亞米級，其范圍為0.1～0.5m。

第五，云層條件影響小。無人機遙感通過控制飛行高度，可以有效地避免云層對航拍效果的影響，同時，掛載的數(shù)碼相機可以調(diào)節(jié)光圈、快門和感光度，并運用相關(guān)軟件對顏色、反差、亮度進行調(diào)整和消霧處理。隨著研發(fā)技術(shù)的不斷深入，無人機的抗風抗雨性得到很大程度的提升，可以滿足在惡劣天氣環(huán)境下執(zhí)行飛行任務(wù)。

1.3 遙感載荷

無人機執(zhí)行遙感測量任務(wù)時，還需要搭載傳感器載荷，有些無人機可攜帶多種載荷。根據(jù)不同的任務(wù)，有不同的載荷可以選擇，可選擇的載荷種類包括光電攝像機、紅外攝像機、激光雷達、合成孔徑雷達、高光譜傳感器等。

在水資源生態(tài)監(jiān)測與恢復(fù)領(lǐng)域，使用視場較寬的傳感器，可以一次拍攝范圍更大的相片或影像，對于湖泊這種面積較廣的地物，拍攝一幅面積較大的圖像，能尋找更多的同名點，以便于后期圖像的拼接工作。

紅外傳感器也稱為前視紅外傳感器，利用紅外或熱輻射成像，紅外載荷在水資源生態(tài)監(jiān)測與恢復(fù)領(lǐng)域可用于水體溫度變化的監(jiān)測。

人機機載激光雷達系統(tǒng)集激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)、（GPS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（IMU）等技術(shù)于一體，是一種主動式航空遙感設(shè)備。激光雷達傳感器可以直接以點云的形式獲得三維信息，通過測量從物體發(fā)出的激光脈沖和返回的激光脈沖之間的時間幀來測量到物體的距離，結(jié)果生成3D點云。目前，無人機激光雷達載荷主要有微型激光雷達、多脈沖激光雷達、全波形激光雷達、多光譜激光雷達、凝視成像激光雷達、多源傳感器融合激光雷達等。

高光譜數(shù)據(jù)依據(jù)地物的光譜曲線，可以對某些具有特殊光譜吸收特征的物質(zhì)進行探測，進而進行精準的目標物類型區(qū)分。無人機高光譜預(yù)測技術(shù)進展成為研究大時空尺度水域富營養(yǎng)化現(xiàn)象的重點和方向，利用無人機搭載高光譜傳感器，對水體水質(zhì)情況監(jiān)測。

合成孔徑雷達(SAR)是一種高分辨率成像雷達，可在能見度極低的氣象條件下得到類似光學照相的高分辨雷達圖像，其特點是分辨率高，能全天候工作，能有效地識別偽裝和穿透掩蓋物。對于一些需要高頻監(jiān)測的水環(huán)境生態(tài)，利用SAR可以忽略天氣原因?qū)z測工作的限制，但是在水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測于恢復(fù)領(lǐng)域，利用無人機搭載SAR傳感器進行數(shù)據(jù)采集還很少[1]。

2 無人機遙感在水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測與恢復(fù)中的應(yīng)用

2.1 水土保持

無人機在水土保持方面主要通過搭載多光譜成像儀等設(shè)備，獲取多光譜圖像的實時數(shù)據(jù)信息，從宏觀角度來進行水環(huán)境狀況的監(jiān)測。對于水域面積比較小、污染類型比較復(fù)雜、精度要求比較高的內(nèi)陸水體，無人機遙感技術(shù)還無法達到監(jiān)測要求。

我國的無人機遙感技術(shù)首次應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的是遼寧省，其通過無人機遙感技術(shù)對遼河治理情況進行航拍和監(jiān)測，得到分辨率為0.1m的實景圖像數(shù)據(jù)，通過對圖像進行評估來掌握遼河治理的實際情況，應(yīng)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。

（1）對地形復(fù)雜區(qū)域進行監(jiān)管。如一些高山、地形復(fù)雜的地區(qū)，既是水土保持工作的重點也是難點所在。而且很多地方瀕臨懸崖，難以靠近。而無人機遙感技術(shù)不受地形影響，能對艱難險要的部位進行全面監(jiān)管，及時發(fā)現(xiàn)并消除水土流失隱患。

（2）對實施水土保持措施地區(qū)定量監(jiān)測監(jiān)管。傳統(tǒng)的建設(shè)生產(chǎn)中水土保持檢查方式，大都以定性的方式檢查水土保持措施是否落實到位，而隨著監(jiān)測與監(jiān)管要求的提高，對定量的判斷更加需要。利用無人機可獲取原始影像數(shù)據(jù)，經(jīng)專業(yè)軟件處理后，生成滿足工作要求得DEM、DOM等數(shù)據(jù)，分析水土保持措施位置和數(shù)量；通過三維場景建模，獲取原始地形數(shù)據(jù)，計算土石方量，將不同時間的無人機影像疊加，可分析面積的變化情況。

（3）對長線型項目進行自動巡查。傳統(tǒng)采用抽點檢查的方式進行監(jiān)測，但是抽取的點不能體現(xiàn)整體的情況，不能完全徹底的體現(xiàn)監(jiān)測效果。而利用無人機遙感技術(shù)開展監(jiān)測與監(jiān)管工作，可以由監(jiān)測人員自主規(guī)劃飛行路線，設(shè)定無人機自動沿河流范圍進行攝影攝像，不僅可以全面了解整條線路的具體情況，還能實時發(fā)現(xiàn)問題，并計劃與施下一步工作，有助于監(jiān)測人員快速、全面的了解水土保持工作情況。

2.2 水質(zhì)監(jiān)測

水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的監(jiān)測體系主要以定時定點的地面監(jiān)測系統(tǒng)為主，衛(wèi)星遙感技術(shù)為輔。與傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感相比，無人機對監(jiān)測目標進行快速航拍、巡查，通過大范圍、全面地搜集信息，實時傳遞現(xiàn)場信息，監(jiān)視險情發(fā)展，進而提供水利資源調(diào)查數(shù)據(jù)，水文情況調(diào)查，無人機反演方法已經(jīng)逐漸成為內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測評估的重要技術(shù)手段。目前，無人機遙感技術(shù)主要針對水質(zhì)的富營養(yǎng)化、透明度、排污孔污染狀況等情況進行監(jiān)測，對地表水環(huán)境狀況進行直觀監(jiān)測[2]。

3 應(yīng)用展望

無人機作為一種新型的遙感平臺將得到廣泛應(yīng)用，為水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測與恢復(fù)提供了新的技術(shù)方法，多載荷無人機平臺的應(yīng)用極大地擴展了水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測與恢復(fù)的深度和廣度，為實現(xiàn)精水資源監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。但是一些方法和理論尚未成熟，因此為提高無人機水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測與保護領(lǐng)域的應(yīng)用能力，可以就這幾個方面進行優(yōu)化改良：

（1）規(guī)范化。隨著無人機在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，急需對無人機或者無人機機群進行適當?shù)谋O(jiān)管，保證在作業(yè)過程中具有良好的協(xié)同性和高效性。

（2）集成化。受載荷及空間限制，無人機無法搭載一些高質(zhì)量的分析儀、專用監(jiān)測儀器和自動檢測系統(tǒng)等高精尖設(shè)備，因此需要在現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測設(shè)備基礎(chǔ)上，減小重量體積，增大功能密度，研發(fā)可擴展性、高強度性。

（3）智能化。在保證無人機飛行安全的同時，研發(fā)無人機智能系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機或無人機機群自主起降、躲避障礙物，智能跟蹤等能力，實現(xiàn)系統(tǒng)化、智能化的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測，大大節(jié)省人力、物力和時間。在水質(zhì)監(jiān)測中，對大面積水域的智能識別以及地形相對高度的把控將會更利于航線規(guī)劃，這樣更加智能化、安全化和簡單化的操作將會成為主流。

（4）高帶寬化。目前，高光譜傳感器在一定的波段范圍內(nèi)，并不能在機上直接得到無人機遙感影像，而是后期在計算機上進行一系列復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，造成數(shù)據(jù)量龐大、冗余，并不能很快地滿足客戶得到所需的影像信息，所以可嘗試提高無人機數(shù)據(jù)鏈的傳輸帶寬，實現(xiàn)無人機高清影像或視頻長距離、低延遲和抗干擾地實時回傳。