無人機(jī)在低空遙感中的應(yīng)用

唐 強(qiáng) ，蔡少輝 ，周永檜 ，高 杰

（核工業(yè)二一六大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830011）

無人機(jī)低空遙感技術(shù)是多種先進(jìn)技術(shù)的融合，包含了無人駕駛飛行器技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、GPS 差分定位技術(shù)、通信技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)等一系列新型應(yīng)用技術(shù)。無人機(jī)低空遙感技術(shù)是繼衛(wèi)星遙感和常規(guī)航空遙感技術(shù)之后的新興發(fā)展方向，發(fā)展?jié)摿薮蟆，F(xiàn)階段，無人機(jī)低空遙感技術(shù)主要應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[1-3]、自然資源調(diào)查與保護(hù)[4-10]、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估[11-12]、測(cè)繪工程[13-22]、村莊規(guī)劃[23-24]、水文資源監(jiān)測(cè)[25-26]等方面。

1 無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展歷程、優(yōu)勢(shì)與不足

1.1 無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展歷程

我國(guó)無人機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用大致可分為三個(gè)階段，第一階段為20 世紀(jì)末，無人機(jī)主要應(yīng)用于國(guó)防軍事，在民用市場(chǎng)的占有率較低；第二階段為21 世紀(jì)初，大量民營(yíng)企業(yè)進(jìn)軍民用無人機(jī)市場(chǎng)，使得無人機(jī)市場(chǎng)需求日益增加，為無人機(jī)技術(shù)快速研發(fā)和發(fā)展打下了一定的基礎(chǔ)；第三階段為2010 年以來，無人機(jī)市場(chǎng)迎來了蓬勃發(fā)展的大繁榮時(shí)期，無人機(jī)技術(shù)也不斷突破技術(shù)壁壘，在軍事領(lǐng)域以及民用領(lǐng)域都被廣泛應(yīng)用。近年來，無人機(jī)市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)需求逐漸增加，應(yīng)用范圍日漸廣泛，使得無人機(jī)技術(shù)有了跨越式的進(jìn)步，迎來了前所未有的發(fā)展前景。

1.2 無人機(jī)遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1）高效便捷。無人機(jī)飛行器易攜帶、易操控、速度快，能在短時(shí)間內(nèi)完成指定測(cè)區(qū)的航測(cè)任務(wù)。

2）數(shù)據(jù)直觀清晰。基于遙感技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，可以實(shí)時(shí)獲取高清影像圖，為數(shù)據(jù)分析與矢量化奠定基礎(chǔ)。

3）運(yùn)行成本低。與有人機(jī)相比，無人機(jī)維護(hù)成本低廉，飛行員更容易培養(yǎng)且成本大大降低；在操控方面，有人機(jī)具有較高的難度還需要較高的天賦，但是無人機(jī)可以一人操控多機(jī)。

4）地勤保障要求低、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。無人機(jī)不需要專門的跑道進(jìn)行起飛和降落，在較小場(chǎng)地上就能夠起飛、回收，也不需要龐大的地勤維修，起降條件與維修保障要求都較低。

1.3 無人機(jī)遙感技術(shù)的不足

1）安全性有待提高。無人機(jī)體積較小，飛入高空后不易辨別，盡管無人機(jī)自動(dòng)駕駛技術(shù)正慢慢趨于成熟，但是在飛行過程中也存在信號(hào)中斷以及易受外力干擾的情況，所以無人機(jī)遙感技術(shù)在安全性方面還有待提高。

2）續(xù)航能力差。無人機(jī)具有體積小、輕便的特點(diǎn)，因此無人機(jī)可攜帶的電池較小，導(dǎo)致續(xù)航能力較差。在實(shí)際應(yīng)用過程中，小型（微、小型）無人機(jī)所配備的電池較小，每一架次所能進(jìn)行作業(yè)的區(qū)域有限，所以在較大區(qū)域作業(yè)時(shí)需要多架次進(jìn)行，甚至需要更換起飛地點(diǎn)以減少飛機(jī)電池?zé)o效損耗。而中型、大型無人機(jī)多采用燃油動(dòng)力，雖然燃油動(dòng)力具有較長(zhǎng)的續(xù)航能力，但是無人機(jī)作業(yè)時(shí)，危險(xiǎn)性更大，且獲取成本較高。

3）在獲取數(shù)據(jù)時(shí)容易受到天氣、云層、光線等條件的影響。在實(shí)際作業(yè)過程中，如遇到大風(fēng)、降雨、雷暴雨、沙塵暴等氣候，應(yīng)當(dāng)停止起飛作業(yè)，避免造成飛機(jī)墜毀以及飛機(jī)撞毀等情況；有時(shí)云層較厚，飛機(jī)在作業(yè)過程中，飛行高度較高，使得航飛數(shù)據(jù)有瑕疵，容易導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)拼接處理不理想等狀況；當(dāng)作業(yè)區(qū)內(nèi)有較強(qiáng)反射率的地物且光線比較強(qiáng)烈時(shí)，也容易造成獲取的航拍數(shù)據(jù)發(fā)白，辨認(rèn)不清實(shí)際地物，對(duì)后期數(shù)據(jù)處理容易造成較大的影響。

4）行業(yè)技術(shù)壁壘需提高。隨著飛控的開源化以及零部件的通用化等，使得無人機(jī)行業(yè)的入行門檻降低，但是為了更好地滿足用戶體驗(yàn)，需要在無人機(jī)傳感器技術(shù)、定位導(dǎo)航技術(shù)、高精度姿態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)等方面不斷努力創(chuàng)新和突破。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用廣泛，利用固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田播種、植物病蟲害監(jiān)測(cè)、植株長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)變量農(nóng)藥噴灑、農(nóng)田及果園施肥、作物產(chǎn)量評(píng)估等，通過將智能化監(jiān)測(cè)設(shè)備、人工智能算法與經(jīng)驗(yàn)豐富的農(nóng)民進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，利用智能化監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)田長(zhǎng)勢(shì)，人工智能與農(nóng)民可對(duì)農(nóng)田長(zhǎng)勢(shì)做出及時(shí)準(zhǔn)確的判斷，從而提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了極大的幫助和便利。

2.2 資源調(diào)查

2.2.1 森林資源監(jiān)測(cè)管理

森林作為地球之肺，對(duì)自然界中水和空氣的循環(huán)、氣候的變化有著重要的作用，對(duì)土壤也有保護(hù)作用，一定程度上減輕了大氣污染給人們帶來的危害，其整體變化對(duì)于我國(guó)林業(yè)發(fā)展與空氣質(zhì)量都具有極其重要的影響。因此，需要我們投入更多的人力與精力對(duì)森林生長(zhǎng)和變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與傳統(tǒng)的人力調(diào)查相比，無人機(jī)遙感技術(shù)可有效提高數(shù)據(jù)采集效率，降低外業(yè)調(diào)查風(fēng)險(xiǎn)、調(diào)查成本和人為誤差等，能更加快速有效地獲取各種植被的生長(zhǎng)狀況、分布狀況等。無人機(jī)低空遙感技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)林業(yè)部門及時(shí)獲取更新森林資源信息提供了極大的助力，有效提高了業(yè)務(wù)部門整體工作效率，同時(shí)在國(guó)家科學(xué)開發(fā)利用森林資源方面提供了一定的參考依據(jù)。

2.2.2 生物信息的提取

在對(duì)森林生物量進(jìn)行估算時(shí)，依靠人力逐步調(diào)查是不現(xiàn)實(shí)的，盡管衛(wèi)星影像可以對(duì)大范圍的生物信息進(jìn)行估算，但是衛(wèi)星影像的數(shù)據(jù)分辨率還是偏低，對(duì)實(shí)際精度有一定的影響。利用樹冠的胸徑和直徑之間存在一定的相關(guān)性，首先，對(duì)單木的樹冠面積進(jìn)行計(jì)算；其次，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)面積的測(cè)量建立相應(yīng)胸徑模型；最后，借助相關(guān)的樹生物量方程預(yù)估樹干當(dāng)中的生物量。利用無人機(jī)低空遙感技術(shù)獲取實(shí)時(shí)高清影像數(shù)據(jù)，利用樹冠直徑可推算出胸徑值，再利用胸徑和生物量之間的相關(guān)關(guān)系推算出單木生物量，最后以可見光波段對(duì)植被指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，就可以估算出較大范圍內(nèi)的森林生物量。

2.2.3 國(guó)土資源監(jiān)測(cè)

無人機(jī)低空遙感技術(shù)可在農(nóng)村范圍內(nèi)獲取高分辨率實(shí)時(shí)地形圖數(shù)據(jù)，為農(nóng)村集體土地登記確權(quán)發(fā)證工作提供了極大的便利，對(duì)于政府部門及時(shí)準(zhǔn)確地獲取地籍信息也提供了極大的助力，在土地確權(quán)和土地整治工作中具有重要意義。與此同時(shí)，該技術(shù)在基本農(nóng)田重點(diǎn)區(qū)域管控規(guī)劃、建設(shè)用地紅線規(guī)劃中應(yīng)用廣泛，對(duì)土地合理合法利用起到了積極的作用。

2.2.4 水文資源監(jiān)測(cè)

隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，涌現(xiàn)出了越來越多的新技術(shù)和新設(shè)備可應(yīng)用在水文資源監(jiān)測(cè)方面，如地基雷達(dá)監(jiān)測(cè)、航空航天雷達(dá)監(jiān)測(cè)以及無人機(jī)低空遙感技術(shù)等，無人機(jī)低空遙感技術(shù)憑借其靈活便捷的特點(diǎn)，在水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用廣泛。影像數(shù)據(jù)獲取時(shí)，可以根據(jù)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行航線預(yù)設(shè)并進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在質(zhì)量保證方面可以實(shí)現(xiàn)像控測(cè)量，對(duì)于后期影像數(shù)據(jù)結(jié)果有較大的影響。

2.3 村莊規(guī)劃

村莊規(guī)劃是法定規(guī)劃，是國(guó)土空間規(guī)劃體系中鄉(xiāng)村地區(qū)的詳細(xì)規(guī)劃，是開展國(guó)土空間開發(fā)保護(hù)活動(dòng)、實(shí)施國(guó)土空間用途管制、核發(fā)鄉(xiāng)村建設(shè)規(guī)劃許可、進(jìn)行各項(xiàng)建設(shè)等的法定依據(jù)。村莊規(guī)劃需要對(duì)村域內(nèi)全部國(guó)土空間要素做出規(guī)劃安排，對(duì)于基礎(chǔ)測(cè)繪信息量需求較大，傳統(tǒng)測(cè)繪方法由于受地形、經(jīng)費(fèi)、精度等限制較多，在村莊規(guī)劃中應(yīng)用較少。無人機(jī)低空遙感技術(shù)極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)繪方法的較多缺陷，將成為村莊規(guī)劃項(xiàng)目中常用的數(shù)據(jù)采集方式。經(jīng)過處理后的影像數(shù)據(jù)不僅能夠生成多種格式，包括DEM、DOM 和DLG 等，還能夠生成實(shí)景三維模型，為村莊規(guī)劃的科學(xué)性、合理性、準(zhǔn)確性以及可操作性等提供了極大的保障。

2.4 測(cè)繪工程

隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，城市化建設(shè)力度不斷增強(qiáng)，對(duì)測(cè)繪工程提出了更加嚴(yán)格的技術(shù)要求和質(zhì)量要求。在測(cè)繪工作中運(yùn)用無人機(jī)低空遙感技術(shù)，不僅可以完成更多高精度的測(cè)繪項(xiàng)目，還可以保證測(cè)繪項(xiàng)目的進(jìn)度，以便獲得更加全面真實(shí)的測(cè)繪成果，大大地提升了測(cè)繪工作的效率與水平。由于測(cè)繪技術(shù)工作人員需要在各種環(huán)境和場(chǎng)所進(jìn)行測(cè)繪作業(yè)，利用無人機(jī)遙感技術(shù)便攜靈活并能夠適應(yīng)各類環(huán)境的特點(diǎn)，更加有利于測(cè)繪技術(shù)工作人員在各類環(huán)境下進(jìn)行測(cè)繪作業(yè)。傳統(tǒng)測(cè)繪在一些惡劣條件及復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)時(shí)，不僅數(shù)據(jù)采集效率緩慢，還會(huì)造成成本增加以及精度不夠等問題，無人機(jī)遙感技術(shù)則很好地解決了測(cè)繪行業(yè)這一系列問題，可以通過合理的航線規(guī)劃和操控，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作區(qū)域的數(shù)據(jù)采集。隨著無人機(jī)遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)可以搭載正射鏡頭、傾斜鏡頭、激光雷達(dá)以及熱紅外等設(shè)備，可以根據(jù)測(cè)繪工作人員的不同需求，完成各類測(cè)繪項(xiàng)目成果采集。測(cè)繪技術(shù)人員通過對(duì)無人機(jī)遙感技術(shù)的不斷應(yīng)用，不僅能夠更好地把握項(xiàng)目區(qū)域環(huán)境情況，獲取較高精度的影像信息，還有利于測(cè)繪技術(shù)人員對(duì)項(xiàng)目區(qū)域進(jìn)行合理的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

2.5 搶險(xiǎn)救災(zāi)

無人機(jī)遙感技術(shù)常用于地震、洪澇、山體滑坡等自然災(zāi)害的災(zāi)后救援活動(dòng)中，為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境勘測(cè)以及救援活動(dòng)提供了保障。如2008 年汶川地震，震后汶川地區(qū)通信中斷且震中山體較多，救援隊(duì)伍不能及時(shí)精準(zhǔn)到達(dá)災(zāi)區(qū)，無法掌握災(zāi)區(qū)受災(zāi)狀況，需利用無人機(jī)抵達(dá)災(zāi)區(qū)，獲取實(shí)時(shí)影像，掌握震中受災(zāi)情況，通過所掌握的受災(zāi)狀況，精準(zhǔn)部署救災(zāi)方案，開辟求生通道，爭(zhēng)分奪秒搶救生命。此外，無人機(jī)在救援過程中還具有投放食物與醫(yī)療設(shè)備的功能，從而使無人機(jī)搜救效率大大提升。

3 結(jié)語

近年來，隨著無人機(jī)與快遞行業(yè)、人工智能、零售業(yè)等多行業(yè)的有機(jī)結(jié)合，無人機(jī)技術(shù)在各行各業(yè)中迅猛發(fā)展。值得肯定的是，無人機(jī)遙感技術(shù)在眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為人類社會(huì)發(fā)展提供和營(yíng)造了許多價(jià)值與可能。雖然現(xiàn)階段無人機(jī)遙感技術(shù)仍存在許多不足，如續(xù)航能力較差、安全性不足以及容易受外界因素干擾等。但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，終將為無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供更多可能性，也為無人機(jī)遙感技術(shù)服務(wù)人類、服務(wù)社會(huì)提供助力。