駱開謀 葉露

摘要 從傳感器、遙感數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫鎸?duì)無人機(jī)遙感（UAVRS）技術(shù)進(jìn)行了綜述，并對(duì)其在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞 無人機(jī)遙感；環(huán)境保護(hù)；應(yīng)用

中圖分類號(hào) S127 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）02-0211-02

Abstract The unmanned aerial vehicle remote sensing （UAVRS） was reviewed from the aspects of sensors， the data processing of remote sensing and data transmission. And its applications in the field of environmental protection were expounded.

Key words UAVRS；Environmental protection；Application

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，但與此同時(shí)也伴隨著嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，過去的幾十年間，我國(guó)因?yàn)榄h(huán)境污染和生態(tài)退化造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且出現(xiàn)了各種各樣的環(huán)境問題，危害著人類的生存，主要表現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)全面退化、水土嚴(yán)重流失、瀕危物種增加、天然濕地大量消失等各種突發(fā)性環(huán)境污染事件。

針對(duì)目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中出現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境問題，應(yīng)當(dāng)秉持“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的原則。環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求很高，傳統(tǒng)的地面環(huán)境監(jiān)測(cè)手段在監(jiān)測(cè)的時(shí)空連續(xù)性、監(jiān)測(cè)范圍、監(jiān)測(cè)周期等方面都無法滿足當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需求[1]。無人機(jī)技術(shù)作為一種信號(hào)采集的新方式，成為航空、航天遙感的有力補(bǔ)充，是對(duì)常規(guī)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估的重要補(bǔ)充手段。筆者從傳感器、遙感數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫鎸?duì)無人機(jī)遙感（UAVRS）技術(shù)進(jìn)行了綜述，并對(duì)其在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。

1 UAVRS技術(shù)

UAVRS是將遙感技術(shù)與無人機(jī)技術(shù)相結(jié)合，并輔以通信技術(shù)和GPS差分定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化、專用化快速獲取國(guó)土資源、自然環(huán)境、地震災(zāi)區(qū)等空間遙感信息，且完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析。因?yàn)閁AVRS技術(shù)在靈活、快速、經(jīng)濟(jì)方面占優(yōu)勢(shì)，所以成為世界各國(guó)目前的熱門研究課題之一[1]。

1.1 傳感器

傳感器是UAVRS發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)備之一，直接關(guān)系到遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量與精度。隨著UAVRS在環(huán)境領(lǐng)域的逐步深入，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，面向環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測(cè)的傳感器在像素提升、探測(cè)精度、數(shù)字化等方面得到了長(zhǎng)足發(fā)展，成為UAVRS在環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的強(qiáng)大助推力。

近年來，互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）和電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器技術(shù)得到了快速發(fā)展。目前，高分辨率的數(shù)碼相機(jī)已成為UAVRS主流的信息采集器件。例如，中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所創(chuàng)立的北京國(guó)遙萬維技術(shù)公司開發(fā)的“Quikeye”系列無人機(jī)，搭配了Cannon 5D Mark Ⅱ、Cannon EOS 5D、Cannon EOS 300D等相機(jī)，影像分辨率最高達(dá)到2 100萬像素，信息采集精度為0.1～0.4 m；張園等[2]進(jìn)行森林調(diào)查時(shí)所用相機(jī)為索尼DSC-T90卡片機(jī)，分辨率為1 210萬像素；中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研發(fā)的UAVRS-Ⅱ 型低空無人遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭載了像元數(shù)大于3 008×2 000的高分辨率面陣CCD數(shù)碼相機(jī)，實(shí)現(xiàn)了大比例尺航測(cè)的面積覆蓋等[3]。

在傳感器方面，近年來不斷向大面陣、多光譜、數(shù)字化方向發(fā)展，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)采集的精度。 2006年，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所賈建軍等[4]從UAVRS的有效負(fù)荷特點(diǎn)出發(fā)，組建出一套像元數(shù)為4 096×4 096、像元大小為9 μm×9 μm、視場(chǎng)角寬為42°、分辨率為0.10～0.20 m，重量2 kg的大面陣CCD相機(jī)。2008年，中國(guó)科學(xué)院成都光電技術(shù)研究所錢義先等[5]設(shè)計(jì)出像素8 100萬，在獲取彩色、紅外、全色的高精度航片的同時(shí)使視場(chǎng)角達(dá)到60°的彩色大面陣CCD數(shù)字航測(cè)相機(jī)。目前，最先進(jìn)的產(chǎn)品為美國(guó)微軟公司的UltraCamXp WA，該產(chǎn)品具有19 600萬像素，連拍間隔為1.35 s，可以實(shí)現(xiàn)大比例尺的測(cè)圖[6]。

近年來，在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面研制出一些小型化、輕型化的專門面向大氣環(huán)境和水環(huán)境監(jiān)測(cè)的儀器成為熱門話題。UVA航空遙感質(zhì)量的提升與傳感器技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，開發(fā)出設(shè)計(jì)成本合理、通用性強(qiáng)、體積小、重量輕的觀測(cè)傳感器是今后的奮斗目標(biāo)。

1.2 遙感數(shù)據(jù)處理

與傳統(tǒng)的航天航空影像相比，UAVRS影像數(shù)據(jù)的處理存在以下問題：①采樣周期短；②分辨率高；③相幅小，圖像數(shù)量多，重疊不規(guī)則；④傾斜角過大，伴隨著傾斜方向不規(guī)律。

針對(duì)UAVRS圖像的特殊性，其處理與一般的遙感圖像處理有所不同。在環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求很高，所以應(yīng)做好影像的自動(dòng)識(shí)別和快速拼接，以滿足在環(huán)境監(jiān)測(cè)中對(duì)工作的技術(shù)要求。

目前，無人機(jī)遙感影像處理可以分為2類：地面準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理和機(jī)上實(shí)時(shí)處理。地面準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理是指通過固定或者移動(dòng)的數(shù)據(jù)接收站，對(duì)無人機(jī)傳輸過來的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行加工與處理；機(jī)上實(shí)時(shí)處理是將GPS、北斗定位技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、激光測(cè)距技術(shù)集成到無人機(jī)機(jī)載的激光掃描系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)為遙感影像提供位置信息，從而更好地發(fā)揮無人機(jī)遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[7]。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸

無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)的傳輸包括以下2個(gè)方面：①當(dāng)前飛行器的狀態(tài)和遙感設(shè)備的狀態(tài)，實(shí)時(shí)地將飛機(jī)的高度、速度、航向等信息反饋給操控員；②無人機(jī)遙感設(shè)備獲取的遙感影像、視頻等遙感信息[3]。相對(duì)而言，遙感影像的傳輸比設(shè)備狀態(tài)信息的傳輸復(fù)雜得多，因?yàn)檫b感影像數(shù)據(jù)量大，如果外界環(huán)境惡劣，很容易造成碼率的跳動(dòng)，這將會(huì)給帶寬不寬的無線信道帶來挑戰(zhàn)。針對(duì)這個(gè)問題，學(xué)者們相繼推出了多種壓縮數(shù)據(jù)的方法。例如，田金文等[8]將運(yùn)動(dòng)序列的圖像轉(zhuǎn)化為靜態(tài)圖像，再以類EBCOT算法將拼接圖片壓縮，結(jié)果表明該方法的運(yùn)行時(shí)間優(yōu)于H-264等壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

2 UAVRS技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

目前，UAVRS技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面：①自然、人為災(zāi)害的監(jiān)測(cè)。救援人員往往無法第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，利用UAVRS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在無傷亡的情況下獲取災(zāi)情，然后及時(shí)展開救援部署。②重大建設(shè)項(xiàng)目環(huán)保驗(yàn)收。有些工程沿線交通不便，難以展開人工調(diào)查，利用UAVRS技術(shù)能夠提高工作效率和精度。③環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)（水體污染、大氣污染、土壤污染）。傳統(tǒng)的環(huán)境污染監(jiān)測(cè)對(duì)人力、物力、財(cái)力的消耗較大，數(shù)據(jù)不集中，不能直觀反映污染的分布和格局。然而，UAVRS技術(shù)很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的不足，能夠及時(shí)全方位掌握污染信息，如污染源分布、污染種類等。④生態(tài)環(huán)境。例如，對(duì)森林資源進(jìn)行調(diào)查；對(duì)一些山區(qū)或者高原地區(qū)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)；對(duì)公路路域的土地利用類型、植被覆蓋、土壤侵蝕等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中，關(guān)于水體污染的監(jiān)測(cè)，內(nèi)陸水體環(huán)境復(fù)雜、水域面積相對(duì)小且污染類型多樣，對(duì)數(shù)據(jù)精度要求較高，在這方面應(yīng)用較少。目前，主要利用UAVRS技術(shù)從宏觀上觀測(cè)水質(zhì)，而在海洋上的應(yīng)用較為成熟，監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要涵蓋水溫、赤潮、海上溢油、水深、藻華等。

對(duì)于大氣污染的監(jiān)測(cè)，UAVRS技術(shù)的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，目前主要的應(yīng)用是大氣環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，如O3、NO2、溫度、濕度、粒子濃度等。

3 展望

UAVRS技術(shù)具有傳統(tǒng)遙感所不具備的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)在各種有關(guān)環(huán)境、生態(tài)保護(hù)的應(yīng)用中保持強(qiáng)勢(shì)增長(zhǎng)與快速拓展。需求量的不斷增加、使用頻率的不斷加大對(duì)于完善無人機(jī)遙感在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用體系和服務(wù)具有重要意義。

在技術(shù)研發(fā)方面，應(yīng)該從各方面出發(fā)，不斷加強(qiáng)其優(yōu)勢(shì)，朝小型化、自主化、智能化、模塊化、集成化發(fā)展，為環(huán)保部門以及其他需要使用無人機(jī)遙感的用戶提供更快、更好的服務(wù)。

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