淺談無人機高分遙感影像在自然資源調查中的應用

方 攀 楊 晨 高 娟

河南省地質礦產勘查開發局第三地質礦產調查院 河南 信陽 464000

引言

傳統意義上的影像數據來自于高分遙感影像,受天氣或地形的影響,影像更新時間較長、成本較高,無法避免的造成了自然資源調查工作影像質量的參差不齊,而利用無人機高分遙感影像技術可以彌補此類問題缺陷,增強環境調查工作的精確程度。這樣的結果有助于推動我國自然資源調查的信息化發展,建設完善的資源信息數據庫。通常情況下自然資源調查工作是實現資源管理與經營,以及可持續發展原則的基礎,但其實施過程十分復雜繁瑣,應用無人機設備協助圖像信息采集是目前自然資源調查的必要措施,可以滿足大部分的資源探測需求。

1 無人機遙感平臺及技術系現狀

1.1 無人機遙感平臺

無人機的應用范圍隨著科技的發展不斷擴大,被普遍應用在影像獲取技術,在自然資源調查、氣象監測、突發事件處理等領域取得了一定的發展,無人機遙感是指無人機與遙感技術相結合,以實現數據快速采集與圖像信息獲取的作用[1]。其低損耗、低成本的可持續發展特性使人工作業需求大大減少,進而確保資源調查工作的整體效率,為我國自然資源調查與監測等領域的研究工作提供了寶貴的經驗和參考依據。

1.2 無人機遙感技術的現狀

目前全世界有超過三十個國家在大力發展無人機技術,作為時代發展的先進潮流,民用無人機產業開始逐漸興起,我國無人機產業已經取得顯著成效,各產品遠銷海外,將無人機的具體應用上升到全新高度,也促進著國民經濟的發展[2]。無人機遙感技術的特點是機動靈活、高效準確、能夠進行云下攝影,對于一些突發事件的處理,或者是城市建設、環境監測、資源調查等工作有很大幫助。隨著最近幾年的技術發展,我國已經積累出豐富的無人機遙感技術經驗,將無人機遙感傳感技術、遙測遙控技術、GPS定位、通訊與感應技術與駕駛技術相結合,并通過數據處理技術與計算機技術的應用,顛覆了傳統的自然資源調查形式,讓資源調查工作的效率進一步提升,實現自動化、信息化的調查模式。目前看來,該項技術已經成為世界各國廣泛關注的科研領域。

2 無人機攝影測量系統

無人機攝影測量系統工包括五個部分,即:飛行器、飛控系統、傳感器、定位導航系統以及操作軟件[3]。飛行器可分為固定翼、旋翼、以及固定翼旋翼一體式飛行器共三種;飛控系統是飛行控制系統的簡稱,其主要工作原理是根據飛行器在空中的受力情況調節并分配動力輸出;而傳感器也分為正射、傾射、雷達、多光譜等多種類型,其中圖像采集精度最高的是正射傳感器,最高可達到7360*4912的分辨率,精度與清晰度要遠遠高于衛星遙感;定位導航系統用于記錄飛行器信息以及與拍照瞬間的坐標信息,能夠確保無人機按指定軌道、速度執行飛行與拍攝任務。相對于傳統的衛星遙感,無人機高分遙感影像技術不僅分比率與精度較高,還可以根據工作進度進行調整,更加適合自然資源調查工作的應用。

對于搭載平臺的選擇方面,要注重自然資源調查環境,一般來說無人機主要是在1000m以下的高度進行航拍,并且大多采用多旋翼無人機,不光是出于成本的考慮,也能獲得較好的穩定性,使拍攝圖像較為清晰。另外,遙感系統中的傳感器在必要情況下需要進行改裝,以適應航拍任務的不同需求,拍攝前要進行相關的航線規劃,確定好無人機的飛行參數,將航跡、起降點、高度等情況牢牢掌握,確保飛行數據與地面控制臺的實時互聯。無人機數字攝影測量處理平臺種類繁多,其得出的技術性數據與相關技術結合可以有效處理多光譜數據。

3 無人機高分遙感影像在自然資源調查中的應用

3.1 森林資源調查的應用

我國擁有較大的森林面積,覆蓋率達到12.98%,森林資源一直以來擁有一定的調查難度,這是因為交通極為不便所導致的。因此,詳細準確的進行森林資源的調查工作需要在高分影像資料的幫助下獲取,前文提到過現階段國內大多采用衛星遙感影像技術,分辨率的精度無法滿足全部調查工作需求,再加上森林資源調查采集區域多為山區,衛星難以匹配,導致影像獲取難度大。應用無人機高分遙感影像進行森林資源調查工作,可以有效規避此類問題,因為無人機具有即時起飛的特點,能夠快速進行數據分析并出圖。

無人機高分遙感影像的主要應用在森林資源的動態變化與整體分析,動態變化方面利用航拍來獲取高分辨率的正射影像,從而進行校正,減少了工作人員多余的調查工作量,并且對林種、地類、優勢樹種與面積等相關信息充分掌握。森林資源整體分析方面在于清晰的反映樹木生長與病蟲害情況、樹葉紋理與樹木表皮紋理、以及植物顏色等變量等,這些都可以通過無人機航拍實現,對整體生態系統的改善與維持起關鍵作用[4]。

總體來說,無人機高分遙感影像應用于森林資源調查中主要能夠監測林地病蟲害情況、獲取樹木基本信息、提取林冠層信息、森林消防監測、以及其他信息獲取等。在大范圍內進行森林監測,通過可見光相機等設備有效預警,精準地劃分出病蟲害區域;高分影像及數字攝影測量系統利用三維重建的方式生成數字模型,能夠有效測算出各項數值;再通過面向對象法和目視解譯法快速獲取單木冠幅信息,滿足林業調查基本需求;另外,森林消防問題也十分嚴峻,以無人機作為森林防火的平臺,可以對重點區域動態檢測,有利于森林火災及其他自然災害的提前預防。

3.2 水資源調查的應用

相關部門對水資源的調查工作也相當重視,我國水資源分布特點比較分散且廣泛,常規的衛星遙感影響不能良好地適應水資源的主動性與時效性,無法滿足調查要求,需要更為精確的基礎影響資料輔助水資源調查工作進行,并應用于檢測河流、湖泊等水崖線與面積的變化,再根據地形圖與相關數據合理估算。在一些重要的水資源設備（如水庫、壩區及周邊設施等）的環境監測過程中,普遍采取人工作業的方式,由工作人員攜帶相應設備進行巡查,導致調查工作進展緩慢,不能準確地完成監測任務[5]。因此,可以利用無人機高分遙感影像進行水資源調查的環境監測、實時防控等相關工作,尤其是環境惡劣的區域或者水資源設施發生故障的情況,無人機都能做到快速反應,并及時反饋水資源動態信息,有效緩解調查工作進展緩慢的問題[6]。如果發生大面積的洪澇災害,也可以利用無人機進行定損作業,對洪災區域進行高空俯拍,監視災情的發展并實時傳遞現場信息,為后方人員的防洪決策提供精準信息。

3.3 國土資源調查領域的應用

高分遙感影像在國土資源調查領域的應用可以從第三次全國國土調查和土地利用規劃及執法檢查兩個角度進行探析。第三次國土調查是在第二次土地調查數據的基礎上通過地方資料來繪制、了解自然資源分布圖,這樣看來,基礎影像資料能夠直接影響國土調查的結果。我國幅員遼闊,各地區調查質量參差不齊,第三次國土調查是以衛星遙感影像的方式提供基礎影像資料,其中也存在部分地區采用無人機高分遙感影響技術獲取資料,一定程度上提高了基礎影響資料的精確度。由于衛星遙感的分辨率較低,部分地區的旱地、水田、林地等處的地物紋理極其不明顯,根本不能做到精確判讀,無人機的推廣與應用,更加清晰地勾繪出地圖邊界,不但降低了失誤率,還有效減少了調查工作量[7]。在國土資源調查的應用當中,還會出現人力無法到達的無人區（或偏遠地區）等情況,這時無人機高分遙感影像的優勢就得以體現。

結論

綜上所述,在自然資源調查工作中應用無人機高分遙感影像技術有利于提升準確性與信息識別能力,能夠減輕工作量,減小調查難度。從本質上講,無人機高分遙感影像技術與衛星高分遙感影像技術并無實質性差別,都是利用飛行平臺搭載高科技傳感器來拍攝、處理影像,但無人機通常可以低成本、高效率地完成調查工作,再加上其靈活的機動性與主觀可操控性等優點,已經越來越受到相關部門的認可。目前我國處于一種數字化、信息化的自然資源調查模式,技術的研發與創新需要更為廣闊的空間,無人機高分遙感影像在自然資源調查領域的應用仍是推動我國社會發展的有效手段。