環(huán)境區(qū)域治理中基于無人機對環(huán)境監(jiān)測研究分析

浙江環(huán)境監(jiān)測工程有限公司 黃欣欣，袁夢娜，芮倩倩

無人機是科學技術(shù)極大進步的背景下產(chǎn)生的新產(chǎn)物，表現(xiàn)出獨特的應(yīng)用優(yōu)勢，成為環(huán)保監(jiān)測工作的重要工具，使環(huán)境監(jiān)測過程的便利性明顯提升，數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準確化，成為相關(guān)部門制定準確、可靠決策的重要依據(jù)。無人機實現(xiàn)了目標監(jiān)測方法的良好轉(zhuǎn)變，以更高的環(huán)境監(jiān)測效率和動態(tài)監(jiān)測方式，成為目標動態(tài)空間信息的重要技術(shù)支撐。

一、無人機技術(shù)概況

（一）無人機技術(shù)

20世紀80年代至今，我國計算機技術(shù)取得了明顯發(fā)展，無人機技術(shù)逐漸成熟化，廣泛應(yīng)用于各大行業(yè)領(lǐng)域，其中就包括環(huán)保領(lǐng)域。無人機技術(shù)的深入應(yīng)用推動環(huán)境監(jiān)測在使用傳統(tǒng)傳感器的同時，向著數(shù)字化、輕型化、精準化發(fā)展，以便在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

無人機以遙感傳感器、數(shù)據(jù)實時傳輸存儲、影像拼接三種技術(shù)為核心，具有明顯的綜合性和系統(tǒng)性，是傳統(tǒng)航空、航天遙感的優(yōu)化發(fā)展，對于地理、信息、資源等信息數(shù)據(jù)的獲取效率和分析處理都有很大的提升作用，具有了經(jīng)濟性、安全性、機動性等明顯優(yōu)勢。

國內(nèi)外專家和政府學者近年來愈加關(guān)注環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，將防治環(huán)境災害和事故作為重要的研究方向。遙感技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測，是適應(yīng)這一客觀需求的重要表現(xiàn)，使環(huán)保監(jiān)測成為推行環(huán)保工作的基礎(chǔ)性工作，在環(huán)境管理方面發(fā)揮著重要作用。

（二）無人機遙感系統(tǒng)的工作流程

無人機遙感系統(tǒng)主要分為前期內(nèi)業(yè)、外業(yè)和后期內(nèi)業(yè)三個工作流程。前期內(nèi)業(yè)即氣相數(shù)據(jù)收集、起降場地確定等工作，是后續(xù)工作流程開展的必要準備。外業(yè)包括設(shè)備運輸進入定場地、組裝無人機、檢查部件狀態(tài)等工作。人工遙控起飛是主要的技術(shù)啟動方式，利用慣性導航的指引作用，將飛機運行期間立體查看到的所有圖像信息收集和傳播，完成任務(wù)要求后遙控降落。后期內(nèi)業(yè)，是對所獲數(shù)據(jù)信息的收集、分析和整理。最終以遙感的類型和具體數(shù)據(jù)量，作為編制工作流程的重要依據(jù)，經(jīng)過對照分析單幅遙感圖像和飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)后制成表格，通過拼接遙感圖像，呈現(xiàn)地理圖像屬性，在完成圖像地理屬性調(diào)整后，繪制電子版和印刷圖。

（三）無人機遙感技術(shù)的特點和優(yōu)勢

環(huán)境監(jiān)測傳統(tǒng)技術(shù)的局限性明顯，主要利用人工調(diào)查和監(jiān)測作為環(huán)保前期準備工作的主要方式。人工監(jiān)測對被監(jiān)測環(huán)境的要求很高，在環(huán)境惡劣的情況下，以及在高危地區(qū)，都會直接影響最終的監(jiān)測結(jié)果。環(huán)境監(jiān)測傳統(tǒng)技術(shù)具有明顯的片面性，信息傳遞效率較低，需要投入較長的時間完成環(huán)境監(jiān)測，數(shù)據(jù)精準度普遍偏低。無人機遙感技術(shù)的逐漸成熟化，更加凸顯出傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的不足和問題，使其成為環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域不可或缺的重要技術(shù)，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

一是目的性強。環(huán)境監(jiān)測過程中需要時常面對惡劣多變氣候、復雜地理地形，無人機遙感技術(shù)更好地滿足了地理位置、監(jiān)測環(huán)境的不同需求，以相應(yīng)的遙感設(shè)備和軟件系統(tǒng)完成監(jiān)測作業(yè)任務(wù)。二是實用性強、適用范圍廣、易于操作。無人機遙感技術(shù)的成熟化，使其表現(xiàn)出更高的智能技術(shù)水平，可以通過設(shè)置程序的方式完成作業(yè)需求。整個自動化操作過程，只需要工作人員的簡單手動操作就可以完成既定線路內(nèi)的監(jiān)測任內(nèi)容。三是運行成本低，除無人機遙感技術(shù)的開發(fā)成本之外，投入環(huán)境監(jiān)測作業(yè)的成本量很小，無需駕駛員飛行監(jiān)測，只要在無人機上完成多方面監(jiān)測任務(wù)，作業(yè)過程的使用成本很少。無人機的機型小、維護方式簡單、耗費量小，實現(xiàn)了人工和監(jiān)測時間的同時縮減。四是安全性強、高效率、易于操作。地形條件、空間和時間的變化，對無人機遙感技術(shù)的影響較小，表現(xiàn)出明顯的靈活性和實用性，有利于第一時間獲取有效的數(shù)據(jù)信息。

二、無人機在環(huán)境監(jiān)測中的研究應(yīng)用

（一）資源及災害監(jiān)測

無人機遙感技術(shù)的成熟化，促使其表現(xiàn)出更強的適用性，已經(jīng)應(yīng)用于很多領(lǐng)域，與監(jiān)測技術(shù)的結(jié)合，大大改善了環(huán)境監(jiān)測過程中的便捷性和結(jié)果的有效性。無人機遙感技術(shù)在資源、災害方面的監(jiān)測，是數(shù)碼相機拍攝和光譜儀器設(shè)備等傳統(tǒng)方式的進一步優(yōu)化，經(jīng)過拼接、處理監(jiān)測所獲的數(shù)據(jù)圖像，使環(huán)境把控力明顯提升。

無人機遙感技術(shù)較好地適用于森林資源監(jiān)測，以傳感設(shè)備為基礎(chǔ)，結(jié)合使用GIS、GPS等技術(shù)，調(diào)查森林二類資源，可行性強，但其拼接處理監(jiān)測圖形的技術(shù)仍存在很多不完善之處。無人機遙感技術(shù)可有效監(jiān)測自然災害狀況，使地面環(huán)境信息持續(xù)傳播給無人機安裝的傳感設(shè)備。這是數(shù)據(jù)、圖片的實時傳播，依托于地面計算機設(shè)備、大數(shù)據(jù)技術(shù)，處理收集起來的數(shù)據(jù)圖形，將災害范圍、程度快速圈定出來，再以數(shù)據(jù)建模的方式，預測出后續(xù)影響區(qū)域，作為自然災害應(yīng)急處理的重要參考資源。例如，廣西省在獲取某區(qū)域泥石流災害狀況時，以無人機低空航測和特寬角組合雙方向機系統(tǒng)的結(jié)合使用，獲取了高分率圖像，使災后搜救工作更加科學、準確。

環(huán)境污染事件的突發(fā)具有很大的危險性，會對交通運輸造成很大影響，如果應(yīng)急處理人員不能快速到達事故現(xiàn)場，無人機遙感系統(tǒng)就能夠及時發(fā)揮作用，利用所搭載的影像平臺立體查看現(xiàn)場、污染擴散程度、周圍環(huán)境敏感點，廣泛搜集影像信息，對監(jiān)控事故進展、制定環(huán)保決策提供直接、客觀的信息數(shù)據(jù)，能夠確保現(xiàn)場人員生命財產(chǎn)安全，使現(xiàn)場環(huán)境的應(yīng)急處理難度明顯降低。例如，2010年大連新港30萬噸級油輪輸油管線爆炸，造成50Km2原油入海污染狀況，只利用傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)無法滿足需求，環(huán)保部立即命令 工作人員攜帶裝備遙感系統(tǒng)的無人機監(jiān)測現(xiàn)場情況。無人機遙感系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對惡劣的氣候條件，實現(xiàn)低空飛行監(jiān)測，將海面油污數(shù)據(jù)動態(tài)收集，客觀、準確地反映出溢油污染的發(fā)展狀況，成為環(huán)境應(yīng)急管理的重要技術(shù)。

無人機能夠在路域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用實時傳輸、遙感圖像處理以及地下電子標識系統(tǒng)，分析編譯出具體的路域生態(tài)環(huán)境狀況，將植被覆蓋面、土地利用類型、土壤侵蝕程度等信息逐一呈現(xiàn)出來，作為構(gòu)建生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息，以便于采用立體調(diào)查方式，快速監(jiān)測環(huán)境狀況。

無人機遙感系統(tǒng)以成本低、靈活性強、可低空飛行、快速進入拍攝等優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于資源災害監(jiān)測中，但是高分辨率圖像處理、任務(wù)荷載量等方面仍然存在一定局限性，仍需進一步探討研發(fā)，業(yè)務(wù)上有待擴展。

（二）水環(huán)境監(jiān)測

水環(huán)境監(jiān)測是確保水資源適應(yīng)人們生產(chǎn)生活需求的重要舉措。我國水資源分布差異大、水體環(huán)境復雜，監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確度很難保障，為了更好地保護水資源，國家堅持施行強有力的監(jiān)管措施，將創(chuàng)新優(yōu)化監(jiān)測技術(shù)作為重要的工作方向。無人機遙感技術(shù)應(yīng)用于陸地水環(huán)境監(jiān)測的范圍有限，研究成果較少，主要依托多光譜成像儀、高頻照相機等設(shè)備，以水溫、藻華、赤潮為監(jiān)測指標，完成水質(zhì)監(jiān)測。例如，江蘇地區(qū)的無人機遙感監(jiān)測試點，就是以無人機遙感技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對連云港地區(qū)海域進行三維呈現(xiàn)，提升了水環(huán)境監(jiān)測水平。

（三）空氣質(zhì)量環(huán)境監(jiān)測

國內(nèi)的無人機應(yīng)用和大氣污染物研究處于初步開展階段，以環(huán)境應(yīng)急和大氣環(huán)境的簡單指標監(jiān)測為主要方向，可監(jiān)測出粒子濃度、二氧化氮、濕度、溫度、臭氧、壓力等指標。中科院大氣物理研究所現(xiàn)已設(shè)計出兩種型號的微型無人機，臭氧傳感器和粒子探測儀、溫度濕度傳感器進行搭載后，利用探空試驗方式獲取數(shù)據(jù)信息，使傳感器、地面系統(tǒng)、無人機的設(shè)計指標與設(shè)計指標相符合。安徽光機所以此無人飛機平臺為基礎(chǔ)，與自主研發(fā)探測系統(tǒng)大氣污染差分吸收光譜相結(jié)合，準確獲取了二氧化氮等對大氣環(huán)境有污染作用的氣體分布情況。

國外已經(jīng)能夠成熟使用氣體監(jiān)測技術(shù)，Titan氣體分析儀就是以遠程傳感技術(shù)和抽取氣體測量池的方式，在空氣中測量污染源氣團的具體成分、濃度及其所處的環(huán)境。該系統(tǒng)主要由多功能I-系列FTIR光譜儀、永久校準和防腐蝕金屬氣體測量池、AutoQuant軟件包三部分組成。軟件包的應(yīng)用實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、存檔、收集分析和實時顯示氣體濃度。國外開展的多個無人機對大氣污染物的協(xié)同監(jiān)測研究，傳感器實時獲取的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過地圖建模算法后，構(gòu)建起相應(yīng)的污染氣體分布地圖，客觀地呈現(xiàn)出污染氣團信息，有利于后期制定工作任務(wù)和規(guī)劃具體路徑。

（四）礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測

礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測是整治地質(zhì)環(huán)境的必要準備，一般耗時3個月，而無人機遙感影像技術(shù)的采集、處理數(shù)據(jù)過程只需要一周時間。根據(jù)飛行記錄，共有35條航線、65%-80%的航向重疊度、高于60%的旁向重疊度、800m的相對航高，符合礦區(qū)環(huán)境的設(shè)定參數(shù)。航拍記錄、遙感索引圖等資料顯示，無人機航拍所獲取的信息質(zhì)量均滿足任務(wù)需求，漏拍問題并不存在。所以，礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測中的無人機遙感航攝，能夠更好地適應(yīng)惡劣的氣候條件，不經(jīng)過起飛跑道便可直接用于勘查。此外，數(shù)據(jù)獲取投入的成本較小，易于搬運和組裝，只需兩到三個工作人員用兩個小時完成組裝，礦區(qū)影像的獲取、分析處理更加高效，達到了地空作業(yè)的測量標準，精準度更高，以1:200、1:500、1:1000三個大比例尺常用于圖紙繪制中。

三、結(jié)束語

無人機遙感技術(shù)是對傳統(tǒng)人工監(jiān)測的技術(shù)優(yōu)化，在監(jiān)測資源災害、大氣和礦區(qū)環(huán)境、水環(huán)境等方面都表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，是環(huán)保部門實行環(huán)境監(jiān)管的必要準備工作，為環(huán)境數(shù)據(jù)分析處理和科學決策提供了重要參考。