淺論低空無人機遙感技術(shù)在水利相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景

王 新,陳 武,汪榮勝,黃志行

(1.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,浙江 杭州 310020;2.浙江省河海測繪院,浙江 杭州 310008)

1 問題的提出

無人機遙感(Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing),是通過無線電遙控設(shè)備或機載計算機程控系統(tǒng)進(jìn)行操控的不載人飛行器。無人機作為空中遙感平臺的微型遙感技術(shù),其特點是:以無人機為空中平臺,遙感傳感器獲取信息,用計算機對圖像信息進(jìn)行處理,并按照一定精度要求制作成圖像。無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低,不但能完成有人駕駛飛機執(zhí)行的任務(wù),更適用于有人飛機不宜執(zhí)行的任務(wù),如危險區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、空中救援指揮和環(huán)境遙感監(jiān)測。無人機遙感系統(tǒng)由于具有機動、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢,已經(jīng)成為世界各國爭相研究的熱點課題,現(xiàn)已逐步從研究開發(fā)發(fā)展到實際應(yīng)用階段,成為未來的主要航空遙感技術(shù)之一。正由于無人機低空遙感技術(shù)的這些特點,彌補了傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感技術(shù)的不足,為水利相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展帶來了新的契機。本文將從無人機技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用特點來分析和展望該技術(shù)在水利相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。

2 無人機低空遙感發(fā)展及應(yīng)用特點

無人機出現(xiàn)在1917年,早期的無人駕駛飛行器的研制和應(yīng)用主要用作靶機,應(yīng)用范圍主要是在軍事上,后來逐漸用于作戰(zhàn)、偵察及民用遙感飛行平臺。20世紀(jì)80年代以來,隨著計算機技術(shù)、通訊技術(shù)的迅速發(fā)展以及各種數(shù)字化、重量輕、體積小、探測精度高的新型傳感器的不斷面世,無人機的性能不斷提高,應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓展。世界范圍內(nèi)的各種用途、各種性能指標(biāo)的無人機的類型已達(dá)數(shù)百種之多。續(xù)航時間從1小時延長到幾十個小時,任務(wù)載荷從幾公斤到幾百公斤,這為長時間、大范圍的遙感監(jiān)測提供了保障,也為搭載多種傳感器和執(zhí)行多種任務(wù)創(chuàng)造了有利條件。

無人機機載傳感器由早期的膠片相機向大面陣數(shù)字化發(fā)展,目前國內(nèi)制造的數(shù)字航空測量相機擁有8 000多萬像素,能夠同時拍攝彩色、紅外、全色的高精度航片;中國測繪科學(xué)研究院使用多臺哈蘇相機組合照相,利用開發(fā)的軟件再進(jìn)行拼接,有效地提高了遙感飛行效率;德國祿來公司推出的2 200萬像素專業(yè)相機,配備了自動保持水平和改正旋偏的相機云臺,開發(fā)了相應(yīng)的成圖軟件。另外激光三維掃描儀、紅外掃描儀等小型高精度遙感器為無人機遙感的應(yīng)用提供了發(fā)展的余地。

2.1 無人機遙感的應(yīng)用特點

無人機為空中遙感平臺的微型航空遙感技術(shù),具有以下特點:

(1)以無人駕駛飛機為空中平臺,以專用照相機、攝像機以及視頻無線傳輸技術(shù)獲取信息,用計算機對圖像信息進(jìn)行處理,并按照一定精度要求制作成圖像。

(2)無人駕駛飛機為航空遙感提供了操作方便,易于轉(zhuǎn)場的遙感平臺?？筛鶕?jù)不同的需要選擇不同類型的平臺。起飛降落受場地限制較小,在操場、公路或其它較開闊的地面均可起降,其穩(wěn)定性、安全性好,轉(zhuǎn)場等非常容易。

(3)多用途、多功能的影像系統(tǒng)是獲取遙感信息的重要手段。無人機遙感航拍使用的攝影、攝像器材主要是經(jīng)過改裝的CCD數(shù)字照相機,拍攝數(shù)字格式的影像,也可使用小型數(shù)字?jǐn)z像機或視頻無線傳輸技術(shù)進(jìn)行彩色攝制。

(4)機載系統(tǒng)可將飛機下方的地面圖像實時地傳輸?shù)降孛?實時顯示、實時記錄,用于導(dǎo)航和取景。

(5)無人機系統(tǒng)由于飛行高度低,獲取的遙感影像擁有較高的圖像分辨率。高分辨率航片影像的出現(xiàn)使得在較小空間尺度上觀察地表的細(xì)節(jié)變化、進(jìn)行大比例尺遙感制圖以及監(jiān)測人為活動對環(huán)境的影響成為現(xiàn)實。同時高分辨率航片影像還解決了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的拍攝盲區(qū)、編程時間長、以及在南方地區(qū)由于受天氣影響,云量大,無法獲取數(shù)據(jù)等諸多困難。

2.2 無人機遙感的應(yīng)用和實踐

目前以無人駕駛飛機為空中遙感平臺的技術(shù),已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害評估等多項領(lǐng)域中進(jìn)行了應(yīng)用和實踐:

(1)臺灣大學(xué)理學(xué)院空間信息研究中心利用無人機拍攝低空大比例尺圖像,配合FOR MOSAT2分類進(jìn)行異常提取,解譯桃園縣非法廢棄堆積物(固體垃圾等),用于環(huán)境污染和執(zhí)法調(diào)查。

(2)美國Nicolas Lewyckyj等人利用UAV-RS技術(shù)在北卡羅萊納洲進(jìn)行自然災(zāi)害調(diào)查,通過正射影像處理與分析準(zhǔn)確評估場房和村莊的損失。顯示了無人機遙感技術(shù)具有的快速反映能力,為災(zāi)害的治理提供了及時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

(3)日本減災(zāi)組織使用RPH1和YANMAHA無人機攜帶高精度數(shù)碼攝像機和雷達(dá)掃描儀對正在噴發(fā)的火山進(jìn)行調(diào)查,無人機能抵達(dá)人們難以進(jìn)入的地區(qū)快速獲取現(xiàn)場實況,對災(zāi)情進(jìn)行評估。還利用無人機對不同埋藏深度的輻射源的輻射強度的反映能力進(jìn)行量化研究,為核電站及其它核設(shè)施的管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。

(4)我國首個成立的Quickeye(快眼)應(yīng)急空間信息服務(wù)中心,是我國無人機應(yīng)急遙感應(yīng)用的開創(chuàng)嘗試和遙感應(yīng)用典范。在不到2 a的時間內(nèi),應(yīng)急空間信息服務(wù)中心已成功作業(yè)近10萬km2,廣泛應(yīng)用于1∶1 000,1∶2 000成圖,及測繪、應(yīng)急領(lǐng)域[2]。

3 無人機低空遙感在水利相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用

由于無人機低空遙感的高機動性、高分辨率等特點,使其在水利行業(yè)中的應(yīng)用有著得天獨厚的優(yōu)勢,在防汛抗旱、水土保持監(jiān)測、水域監(jiān)測、灘涂資源調(diào)查等相關(guān)業(yè)務(wù)領(lǐng)域上,無人機低空遙感都能發(fā)揮其巨大的作用。

3.1 無人機遙感在防汛抗旱中的應(yīng)用

無人機航空遙感技術(shù)作為一項空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段,具有續(xù)航時間長、影像實時傳輸、高危地區(qū)探測、成本低、機動靈活等優(yōu)點,是衛(wèi)星遙感與有人機航空遙感的有力補充。無人機在日常防汛檢查中,可克服交通等不利因素,快速趕到出險空域,立體地查看蓄滯洪區(qū)的地形、地貌和水庫、堤防險工險段。根據(jù)機上所載裝備數(shù)據(jù),實時傳遞影像等信息,監(jiān)視險情發(fā)展,為防洪決策提供準(zhǔn)確的信息,同時最大限度地規(guī)避了風(fēng)險。小型無人機攜帶非常方便,到達(dá)一定區(qū)域后將其放飛,人員可以在安全地域內(nèi)操控其飛行,并進(jìn)行相關(guān)信息的實時采集、監(jiān)控,為防汛決策提供保障。無人機防汛抗旱系統(tǒng)使相關(guān)的政府部門對應(yīng)急突發(fā)事件的情況了解更加全面、對突發(fā)事件的反應(yīng)更加迅速、相關(guān)人員之間的協(xié)調(diào)更加充分、決策更加有據(jù)。無人機的使用,還可以大大地降低工作人員的工作難度,在防汛搶險中的人身安全也可以得到進(jìn)一步的保障。無人機在防汛抗旱領(lǐng)域能夠保障政府和其他應(yīng)急力量在洪澇災(zāi)害或旱情來臨的時候,通過快速、及時、準(zhǔn)確地收集到應(yīng)急信息,以及多種方式進(jìn)行高效地溝通,為領(lǐng)導(dǎo)提供科學(xué)的輔助決策信息[3]。

2004年7月馬輪基等對暴雨引起廣西桂平市蒙圩鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害調(diào)查進(jìn)行無人機遙感監(jiān)測,第一時間得到了洪澇區(qū)、退水區(qū)、非洪澇區(qū)等信息的遙感圖,創(chuàng)造國內(nèi)首次利用自控微型無人駕駛飛機對洪澇災(zāi)害的遙感監(jiān)測的紀(jì)錄[4]?！?.12”汶川地震發(fā)生后,無人機在堰塞湖的發(fā)展與變化監(jiān)測中,也發(fā)揮了相當(dāng)大的作用。2010年舟曲泥石流自然災(zāi)害發(fā)生后,無人機小組快速響應(yīng),及時獲取的受災(zāi)地區(qū)的遙感影像,為災(zāi)情的快速評估提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)。

3.2 無人機遙感在水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用

我國是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國家之一,由于特殊的自然地理和社會經(jīng)濟(jì)條件,使水土流失成為我國主要的環(huán)境問題。土壤侵蝕定量調(diào)查是水土保持研究的重要內(nèi)容之一。在土壤侵蝕定量調(diào)查中,無人機遙感可以發(fā)揮重要作用,其宏觀、快速、動態(tài)和經(jīng)濟(jì)的特點,已成為土壤侵蝕調(diào)查的重要信息源。土壤侵蝕過程極其復(fù)雜,受多種自然和人為因素的綜合影響。自然因子包括氣候、植被(土地覆蓋)、地形、地質(zhì)和土壤等,人為因素有包括土地利用 (如耕地、放牧等)、開礦和修路等。不同的土壤侵蝕類型影響因子也不同,對于水蝕來說,參考通用土壤侵蝕方程各因子指標(biāo),并考慮遙感技術(shù)與常規(guī)方法相結(jié)合方法能否獲取以及是否方便在GIS中存取、表達(dá)和計算。一般選擇降水、地形或坡度、溝谷密度、植被蓋度、成土母質(zhì)及侵蝕防治措施等作為土壤侵蝕量估算的因子指標(biāo)。同時,根據(jù)不同時期土壤侵蝕強度分級的分析對比,評價水保工程治理效果,指導(dǎo)今后水土保持規(guī)劃和設(shè)計工作。無人機可以在低空、低速的情況下對研究區(qū)進(jìn)行拍攝,航拍的照片真實、直觀地反應(yīng)了研究范圍內(nèi)建設(shè)期所造成的水土流失狀況、強度及分布情況。這對于利用GIS系統(tǒng)建立研究范圍內(nèi)水土流失本底數(shù)據(jù)庫,確定土壤侵蝕類型、強度、程度以及地形、植被、管理措施等土壤侵蝕因子的屬性提供了數(shù)據(jù)源。無人機系統(tǒng)獲取的遙感影像能夠幫助了解區(qū)域水土流失發(fā)展趨勢、發(fā)生特點和現(xiàn)狀等,以便做好區(qū)域水土保持工作規(guī)劃,加快水土流失治理。無人機在水土保持監(jiān)測領(lǐng)域以較低的成本快速清查較大范圍的水土流失狀況、主要土壤侵蝕影響因子,為利用GIS分析研究范圍內(nèi)的水土流失奠定了基礎(chǔ)。

3.3 無人機遙感在水域動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

水資源是人民生活、生產(chǎn)不可缺少的重要資源,隨著人口增長和工業(yè)發(fā)展,水資源供需矛盾日益突出,水資源的合理開發(fā)利用是當(dāng)前急需解決的問題,而河流水系分布及流域面積的準(zhǔn)確計算是開發(fā)利用的基礎(chǔ)。目前由于時間變遷和當(dāng)時技術(shù)水平的限制,許多河流水系分布、流域面積等基礎(chǔ)資料已不能準(zhǔn)確反映當(dāng)前狀況。水域動態(tài)監(jiān)測調(diào)查的目標(biāo)是查清研究范圍內(nèi)的水域變化狀況,掌握真實的水域基礎(chǔ)數(shù)據(jù),建立和完善水域調(diào)查、水域統(tǒng)計和水域占補平衡制度,實現(xiàn)水域資源信息的社會化服務(wù),滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展及水域資源管理的需要。利用無人機低空遙感技術(shù)進(jìn)行水資源調(diào)查速度快.準(zhǔn)確率高,可節(jié)省大量人力、物力、財力。同時通過已有的水域動態(tài)監(jiān)測更新調(diào)查成果,對水域利用狀況和水域權(quán)屬界線等進(jìn)行全面的變更調(diào)查或更新調(diào)查,按照科學(xué)的技術(shù)流程,采用成熟的目視解譯與計算機自動識別相結(jié)合的信息提取技術(shù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集和圖形編輯,獲取每一塊水域動態(tài)監(jiān)測的類型、面積、權(quán)屬和分布信息,建立各級互聯(lián),自動交換,信息共享的“省、市、縣”水域動態(tài)監(jiān)測利用數(shù)據(jù)庫和管理系統(tǒng)。利用無人機低空遙感信息還可以監(jiān)測河道變化、非法水域占用等情況,為預(yù)測河道發(fā)展趨勢,水域占用執(zhí)法等工作提供數(shù)據(jù)。無人機水域監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以應(yīng)用到水利規(guī)劃、航道開發(fā)等,具有十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的社會效益。

3.4 無人機遙感在水利工程建設(shè)與管理中的應(yīng)用

在水利工程建設(shè)與管理上涉及到水利工程建設(shè)環(huán)境影響分析評價、大型水利工程的安全監(jiān)測等,無人機低空遙感的快速實施、高分辨率數(shù)據(jù)等特點,在該領(lǐng)域也能發(fā)揮特殊的作用。水利工程環(huán)境影響遙感監(jiān)測包括水利工程建設(shè)引起的土地植被或生態(tài)變化、淹沒范圍、庫尾淤積、土地鹽漬化等方面的監(jiān)測內(nèi)容。利用無人機遙感的高分辨率、靈活機動等特征,可以為工程生態(tài)環(huán)境提供宏觀的科學(xué)數(shù)據(jù)和決策依據(jù),同時利用空間信息技術(shù)手段,應(yīng)用無人機的高空間分辨率遙感影像以及高精度GPS系統(tǒng)相結(jié)合的方法,還可以進(jìn)行大型水庫和堤防工程的建設(shè)施工監(jiān)測工作。

3.5 無人機遙感在灘涂資源動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

隨著浙江省經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,近年來灘涂的開發(fā)利用變化迅速,再加上灘涂資源是在自然條件下形成的會隨著時間的推移而變化,其中錢塘江河口兩岸、三門灣、臺州灣、隘頑灣、漩門灣、甌江、飛云江及鰲江河口外兩側(cè)等均屬于淤漲型灘涂,杭州灣兩岸、蒼南琵琶門以南以及島嶼的迎風(fēng)面等均屬于侵蝕性灘涂。灘涂是海水和陸地彼此強烈影響的過渡地帶,又是人類活動頻繁的地區(qū),因此灘涂處于不斷變化中,其中某種因素如海岸侵蝕、淤漲、海平面上升等的變化,和人工堤壩、圍墾、采砂等社會因素的變化,都可能會導(dǎo)致灘涂的擴展或退縮。浙江沿海圍海造地的歷史已有1 000多年,尤其近50 a來,圍墾工程規(guī)模大,速度快,引起灘涂的劇烈變遷,在給人類提供了更多陸地生存發(fā)展空間的同時,也帶了大量的生態(tài)環(huán)境問題,如沿海濕地面積減少,部分水文、水動力條件改變,影響航道的正常使用,漁業(yè)資源遭到破壞。研究浙江灘涂的變遷規(guī)律,對浙江乃至全國生態(tài)環(huán)境安全、經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展有深遠(yuǎn)意義。無人機遙感技術(shù)具有宏觀、快速、實時、直觀、動態(tài)性和適用領(lǐng)域廣等特點,能夠捕捉到地表不易發(fā)現(xiàn)、難以識別的信息,成為研究大范圍海岸線變化具獨特優(yōu)勢的工具。無人機低空遙感技術(shù)在灘涂資源的調(diào)查中,與衛(wèi)星遙感技術(shù)相比,還有其獨特的優(yōu)勢:無人機低空遙感能夠定時、定點獲取研究區(qū)域遙感影像;而衛(wèi)星遙感一般因為過境時間、過境軌道固定,不能夠保證在低潮位時準(zhǔn)確經(jīng)過研究區(qū),無人機由于其靈活的機動性,只要飛行條件許可,就可以獲取低潮位的灘涂遙感影像,同時結(jié)合歷史遙感數(shù)據(jù),分析灘涂淤漲趨勢,為圍墾工作提供技術(shù)依據(jù),還可以節(jié)省大量經(jīng)費,提高動態(tài)監(jiān)測效率,保障信息的時效性。

4 展 望

近些年來,由于受全球氣候變化和經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展等因素影響,水資源供需矛盾更加突出,水利發(fā)展面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),同時也帶來難得的發(fā)展機遇。正如陳雷部長強調(diào):“水利信息化建設(shè)的加快推進(jìn),有力地支撐了水利勘測、規(guī)劃、設(shè)計、科研、建設(shè)、管理、改革等各項工作,特別是在應(yīng)對頻繁發(fā)生的洪澇臺風(fēng)干旱災(zāi)害、防范汶川特大地震次生災(zāi)害、抗御南方低溫雨雪冰凍災(zāi)害以及黃河水量統(tǒng)一調(diào)度、珠江壓咸補淡應(yīng)急調(diào)水、北京奧運會供水安全保障、解決太湖藍(lán)藻暴發(fā)供水危機、水土保持科學(xué)考察等工作中,發(fā)揮了極其重要的作用,推動水利發(fā)展方式發(fā)生深刻轉(zhuǎn)變”[5]。無人機因其機動靈活的起降方式、低空循跡的自主飛行方式、快速響應(yīng)的多數(shù)據(jù)獲取能力,在水利管理上具有巨大的應(yīng)用前景,包括水域規(guī)劃、水利監(jiān)測與水利管理等。其可以搭載高分辨率數(shù)碼相機進(jìn)行快速測圖,亦可搭載視頻采集設(shè)備,實時的采集并回傳即時的水文數(shù)據(jù),體現(xiàn)出分辨率高、實效性好、應(yīng)急性強等優(yōu)勢,而這些正是現(xiàn)代水利管理工作的發(fā)展趨勢。綜合無人機技術(shù)的特點和實際應(yīng)用效果,該技術(shù)將在我國水利的相關(guān)領(lǐng)域中有著相當(dāng)大的應(yīng)用前景。

[1]金偉,葛宏立,杜華強,等.無人機遙感發(fā)展與應(yīng)用概況[J].遙感信息,2009(1):88-92.

[2]Quickeye(快眼)應(yīng)急空間信息服務(wù)中心.http://supereye.ac.cn/.

[3]孫鋒.建議將無人機技術(shù)應(yīng)用于我國防汛工作中[J].中國水利,2007(7):60-60.

[4]馬輪基,馬瑞升,林宗桂,等.微型無人機遙感應(yīng)用初探[J].廣西氣象,2005,26(增刊I):180-181.

[5]陳雷在全國水利信息化工作會議上的講話,http://www.mwr.gov.cn