基于GIS的微型無人機技術在環境監理中的應用

李冠達，冼憲恒，霍志軒

（廣州市璞境生態保護技術有限公司，廣東 廣州 510730）

微型無人機遙感信息獲取系統是以微型無人駕駛飛機為飛行平臺，通過機載高分辨率的遙感傳感器設備，以實時快速獲取高分辨率遙感數據的遙感監測系統[1]。它可高效智能獲取區域地形分布、農作物分布情況等空間信息。與有人駕駛飛機相比，無人機的優勢主要表現在：一是體積小，具有較高的機動性；二是便捷性，具有較強的環境適應性；三是造價低，具有較好的經濟性。

近年來，無人機技術日漸成熟，被廣泛用于通信、氣象、農林、海洋、勘探、攝影、防災減災等領域。在國外，Barnard Microsystems Limited[2]公司運用無人機監測海洋溢油、海洋表面溫度、冰的厚度、海浪高度；Jarrod C.Hodgson[3]等人使用UAS對野生動植物進行監測。在國內，陳昕[4]等人則將無人機用于測繪勘測；孫剛[5]等人利用無人飛機平臺獲取大氣污染成分NO2等的二維時空分布。然而，目前將無人機技術應用到環境監理工作中的相關案例鮮有報道。

污染場地修復工程的環境監理是監理單位受建設單位的委托，依據有關環境保護法律法規、場地環境調查評估備案文件、場地修復方案備案文件、環境監理合同等，對場地修復過程實施專業化的環境保護咨詢和技術服務，協助和指導建設單位全面落實場地修復過程中的各項環保措施，以實現修復過程中對環境最低程度的破壞、最大限度的保護[6]。傳統的環境監理工作方式受到場地的規模、場地的地形、監理工作者的經驗技能等方面的影響，難以及時發現修復場地現場的違規現象及不確定因素，無法滿足修復場地環境監理工作的要求。基于此種情況，結合無人機技術環境監理，創新工作方式是非常必要的，它能幫助監理人員能夠更好地對現場情況進行把控。

1 案例分析

本文以珠三角地區某大型污染場地土壤修復過程中的環境監理為例，分析在該大型場地環境監理中GIS及無人機技術的應用特點及經驗。

1.1 案例概況

本案例污染場地的修復主體為土壤，污染物主要為有機物，面積約30 hm2，用地性質由工業用地擬調整為住宅用地。本案例使用的無人機型號為大疆Phantom 4 Pro，由飛行器本體、螺旋槳、電池、云臺、相機、視覺系統、紅外感知系統、實時圖傳系統及遙控器等主要部分組成，此外還有云臺可穩定系統，控制鏡頭拍攝等；視覺系統及紅外感知系統可測量飛行高度、速度等數據，感知障礙物。

1.2 監理內容

1.2.1 監理內容

環境監理工作主要包括核查、巡視、旁站、環境監理會議、環境監測、記錄、文件通知管理、跟蹤檢查落實情況、及編制相關報告等環節[7]。

監理內容按照階段可分為：施工準備階段、施工階段和竣工效果評估階段的環境監理；按照環境要素可分為水環境、大氣環境、固體廢物、聲環境的監理，以環境要素為例說明本案例監理重點，具體內容詳見表1。

表1 本案例環境監理內容概況表

1.2.2 無人機的應用

本案例結合環境監理工作對無人機技術的應用進行闡述。

（1）獲取即時遙感影像

通過DJI GO 4軟件控制無人機進行非特定的簡單路線巡航，來拍攝所需的相片或視頻，無人機的飛行高度、速度、距離、鏡頭角度，均可根據項目需求靈活控制；

（2）施工準備階段結合無人機技術做現場踏勘工作，了解場地周邊的局部情況及獲取場地整體遙感影像，相比于網上獲取的衛星遙感影像，無人機實時遙感影像具有最新的時效性，更精準的范圍及分辨率；

（3）環境監理工作中需定期或不定期對場地進行巡視，本案例應用無人機巡視獲取即時傳輸的遙感畫面對場地進行空中巡視，掌握場地的施工情況及環保措施的落實情況，如，可根據實時畫面中熱修復廢氣處理設施的排氣情況，判斷設施落實情況，了解挖掘機、土方運輸車的工作情況，掌握開挖區域、運輸路徑、回填區域及暫存區域等，必要時可錄像留存影像資料作為依據。

1.2.3 結合GIS制作系列的時間跨度影像

通過DJI GS PRO軟件控制無人機進行特定路線巡航獲取遙感影像，并利用圖像拼接軟件進行合成。在任務模式下無人機可按照既定的高度、速度、距離、鏡頭角度等要素執行任務，本案例中場地的面積約30 hm2，按照本案例的相關任務參數，任務飛行速度為9 m/s，10 min內可完成遙感影像的獲取，全場地的影像數量約在70～90組之間，30 min左右可完成拼接。

（1）本案例利用無人機在任務模式下定期獲取同一區域范圍的實時影像，形成一系列的時間跨度正射影像，比對施工的進度，以便進行后續工作，詳見圖1的①。

（2）將獲取的高精度正射影像用作為底圖，結合GIS制圖軟件技術，通過疊加精確的施工邊界線等制圖工作，對實時施工情況與施工方案進行驗證，詳見圖1的②。

圖1 系列時間跨度正射影像對比施工進度及施工邊界示意圖

（3）利用無人機的“傾斜攝影”模式，對場地進行拍攝后合成影像，建立數字表面模型分析所攝目標的高度、坡度、體積等相關數據，核實修復土方量是否滿足施工方案的要求。

1.3 本案例的優勢

本案例在大型土壤修復工程環境監理中，結合了無人機技術，相比于傳統的環境監理方式存在優勢，主要包括以下三個方面。

1.3.1 提高監理工作的效率

監理單位需派遣監理員駐守場地并進行定期的巡視，而現場巡視的速度慢，一旦現場有突發情況，存在監理員還未到現場，問題無法及時記錄的情況；對于場地較大的突發情況，還需派遣多位監理員，需要消耗更多的人力，且工作量較大。

運用無人機可以快速、準確、有效地對場地的環境保護措施落實情況進行巡視并核查，減少時間、人力、物力的消耗，及時發現場地存在的環境隱患，做出應對并進行記錄；還可按特定的時間跨度，用一張正射影像圖記錄場地的基本情況，方便監理影像資料的整理及匯總，從而減輕監理工作的負擔，提高監理工作的效率。

1.3.2 提高監理工作的全面性

環境監理場地較大時，只憑人力現場巡查，難免會有容易遺漏的地方，而且由于場地的地質地形及天氣因素，場地中經常存在人力不可到達的地方，并且存在一定安全問題；修復后棄土在場地內倒運及外運時，人力無法及時全程跟進運輸車輛的運輸路線，難以全面驗證運輸路徑是否按方案落實，運輸過程是否合理等情況。運用無人機技術以空中巡視的寬廣視角，對場地進行全面的把控，直觀的了解場地某時間段內的細節變化，實時把握施工進度，例如運輸車的路徑可以采用無人機連拍或者錄像的方式留存記錄，提高監理工作的全面性。

1.4 強化參建單位間的溝通

本案例中參建單位涉及了建設單位、工程監理單位、修復單位、土方單位以及環境監理單位等，各單位之間存在通知延遲及有傳達誤差的情況，根據系列時間跨度正射影像圖，可及時直觀了解到現場的實時情況，通過實時影像與通知信息進行雙向驗證，若存在問題可及時向修復單位求證。

開監理例會時可利用場地正射影像圖，明確各相關方的工作范圍，并借助圖件對現場存在的問題提出建議，便于各參建單位的理解，從而加強各相關方間的溝通。

1.5 不足及建議

本案例中也存在著一些問題和不足，相關經驗的總結主要有兩個方面。

1.5.1 現場巡視依然必要

本案例中雖然運用了無人機技術進行環境監理，但仍需進行人工現場巡視。因為本案例的無人機巡視只能共享視覺數據，而監理現場的部分工作還需結合嗅覺、聽覺、觸覺等感覺對現場情況進行判斷，例如監理工作過程中監督施工過程中廢氣的逸散情況，需人工現場巡視查找廢氣的逸散源，通知修復單位進行修復。監理過程中可結合無人機和人工區分需求進行現場巡視，按照一定的比例減少現場巡視的次數。

無人機技術暫無法勝任關鍵節點旁站工作，一是旁站工作時間一般較長，無人機續航有限；二是旁站過程有采樣等精細工作，需近距離拍攝更高精度的影像，無人機近距離飛行存在安全隱患；三是部分旁站需進行錄像，無人機高清錄像內存過大，不適于工期較長監理項目的影像資料管理。因此，結合無人機技術的環境監理工作，有必要進行一定頻率的人工現場巡視。

1.5.2 影像數據的獲取需具備一定的條件

若場地揚塵過大、天氣不好（如霧霾天）時，無人機的影像獲取存在困難，影像數據不精確；部分監理項目需記錄夜間的施工情況，而本案例中，無人機無法獲取夜間的監理影像數據，原因一是夜間能見度低，無人機飛行存在隱患；二是由于夜間光線不足和技術的差別因素影響，夜間獲取的影像精確度低。軟件拼接正射影像中的建筑物，因為受到風載荷、地面沉降、軟硬件等因素的影響導致細微的變形，以及海拔過高的建筑物甚至發生扭曲等，都有待提升。

2 結語

傳統的環境監理工作方式較為耗時，難以做到全面監督，因此，結合無人機技術創新環境監理將成為必然的趨勢。當然，無人機環境監理也需根據項目的成本、特點、場地的狀況，以及污染來源考慮是否適合該項目，應選擇什么樣的形式結合等，這都需更多的實例來驗證。本案例的問題與不足，相信在不久的將來，能夠通過更成熟的技術應用進行解決，例如對于農情監測或涉及植物的環境監測，可運用大疆Phantom 4多光譜版等，結合多光譜技術的無人機精確采集多光譜數據，實現多維度的數據分析；對大型修復場地揚塵的控制，運用大疆MG-1P大范圍實時灑水降揚塵；對修復場地氣味源的監測，可運用無人機搭載微型光電離子化檢測器快速檢測VOCs，記錄并儲存數據；對火災災情的監測，可運用大疆的禪思XT熱成像相機，結合紅外熱成像技術進行探測救援等都是比較好的方案。