無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究

魏 杰，戎 征，邢 昱，劉麗娜

（河南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，鄭州 450003）

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)保持迅猛發(fā)展，與此同時(shí)環(huán)境污染問(wèn)題卻日趨嚴(yán)重。有數(shù)據(jù)表明，由于過(guò)去我國(guó)長(zhǎng)期采取粗放型發(fā)展模式，工業(yè)發(fā)展造成的環(huán)境污染問(wèn)題層出不窮，不僅造成了高額的經(jīng)濟(jì)損失，也危害了人類的健康與安全，這些問(wèn)題主要體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)能力的減弱、水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重、珍稀瀕危物種加速滅絕和水資源日益匱乏。面對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中出現(xiàn)的各種生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)提出了以“防患于未然，防治結(jié)合”的環(huán)境保護(hù)原則。在這一原則指導(dǎo)下，環(huán)境監(jiān)測(cè)工作變得尤其重要，如何實(shí)時(shí)有效地對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。由于環(huán)境監(jiān)測(cè)的特殊性，其對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)效性有著很高的要求，傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)在監(jiān)測(cè)空間上的連續(xù)性、監(jiān)測(cè)范圍上的大小、監(jiān)測(cè)時(shí)間上的長(zhǎng)短等方面都不能滿足目前生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是目前比較流行的信號(hào)收集手段，它主要應(yīng)用于航空、航天遙感領(lǐng)域，對(duì)常規(guī)的環(huán)境監(jiān)測(cè)起著重要的輔助作用。

1 傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的局限性

1.1 監(jiān)測(cè)區(qū)域局限性

目前，人工調(diào)查的方法進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)已經(jīng)完全不能滿足社會(huì)的需求，這種方法受區(qū)域限制較大，一般只用于小范圍的環(huán)境監(jiān)測(cè)，其結(jié)果受人為因素較大，其監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度無(wú)法達(dá)環(huán)境監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法實(shí)時(shí)、有效、準(zhǔn)確地對(duì)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。當(dāng)其應(yīng)用于大范圍的環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，其間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因?yàn)槿藛T不足而導(dǎo)致分配失衡的現(xiàn)象，而對(duì)于一些高危環(huán)境，如高寒、高熱、高壓等區(qū)域的監(jiān)測(cè)，是完全無(wú)法依靠人力來(lái)收集相關(guān)數(shù)據(jù)的。

1.2 數(shù)據(jù)采集方法的局限性

由于環(huán)境監(jiān)測(cè)方面缺少充足的經(jīng)費(fèi)，現(xiàn)階段，環(huán)境監(jiān)測(cè)內(nèi)容不夠全面，缺乏時(shí)效性，不能與環(huán)境污染的腳步相一致。目前，數(shù)據(jù)采集儀器基本采用人工操作模式，數(shù)據(jù)采集效率低下、準(zhǔn)確度低且對(duì)于實(shí)時(shí)變化的環(huán)境不能進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)并記錄。總的來(lái)說(shuō)，環(huán)境監(jiān)測(cè)手段的落后仍然是環(huán)境監(jiān)測(cè)中最大的難題，環(huán)境監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)采集技術(shù)更新已經(jīng)到了急需解決的地步。

基于這些原因，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)作為科技時(shí)代的新興產(chǎn)物，具有智能化、數(shù)字化、自動(dòng)化的特點(diǎn)，可以快速取得環(huán)境監(jiān)測(cè)的各種數(shù)據(jù)信息，逐漸應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)。該技術(shù)具有成本低、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，目前是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是指通過(guò)無(wú)人機(jī)為搭載平臺(tái)，搭載數(shù)碼相機(jī)、攝錄機(jī)等數(shù)字遙感設(shè)備來(lái)進(jìn)行空中拍攝和記錄，并通過(guò)遙感技術(shù)對(duì)影像處理數(shù)據(jù)進(jìn)行同步傳輸，以達(dá)到對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，并可以同步完成遙感數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)建模和數(shù)據(jù)分析。

2.1 能夠確保高效、安全的作業(yè)

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)不受地形、空間、時(shí)間等多方面因素的影響，比傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段更加高效、靈活、安全。無(wú)人機(jī)可以在第一時(shí)間取得一手?jǐn)?shù)據(jù)信息，在搭載了高精度成像設(shè)備后，能夠在垂直狀態(tài)和傾斜狀態(tài)下獲取高質(zhì)量的影像信息，并實(shí)現(xiàn)視頻信息的實(shí)時(shí)傳遞，在監(jiān)控終端可以實(shí)時(shí)觀察監(jiān)測(cè)情況，并進(jìn)行實(shí)時(shí)指揮，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可以精確到0.1 m的辨識(shí)度，監(jiān)測(cè)效果更直接，而且沒(méi)有監(jiān)控死角。

2.2 操作簡(jiǎn)單明確，實(shí)用性較高

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的智能化水平非常高，因此可按照系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定的路線，通過(guò)連續(xù)性的校對(duì)和不斷的調(diào)整來(lái)進(jìn)行精準(zhǔn)飛行和目標(biāo)監(jiān)測(cè)，也可以通過(guò)視頻系統(tǒng)以手柄遙控的方式來(lái)人為操控?zé)o人機(jī)。

2.3 運(yùn)行成本較低

無(wú)人機(jī)因其機(jī)型小、消耗低、使用和維護(hù)簡(jiǎn)單、監(jiān)控范圍廣、運(yùn)行成本低、能大量節(jié)省人工監(jiān)測(cè)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，可以連續(xù)飛行長(zhǎng)達(dá)16 h，一次飛行一百多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)工作效率和準(zhǔn)確率都非常高。

3 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 在水土保持方面的應(yīng)用

目前，無(wú)人機(jī)在水土保持方面主要通過(guò)搭載多光譜成像儀等設(shè)備，獲取多光譜圖像的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，從宏觀角度來(lái)進(jìn)行水環(huán)境狀況的監(jiān)測(cè)。對(duì)于水域面積比較小、污染類型比較復(fù)雜、精度要求比較高的內(nèi)陸水體，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)還無(wú)法達(dá)到監(jiān)測(cè)要求。目前，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)主要針對(duì)水質(zhì)的富營(yíng)養(yǎng)化、透明度、排污孔污染狀況等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)地表水環(huán)境狀況進(jìn)行直觀監(jiān)測(cè)。我國(guó)的無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)首次應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的是遼寧省，其通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)遼河治理情況進(jìn)行航拍和監(jiān)測(cè)，得到分辨率為0.1 m的實(shí)景圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行評(píng)估來(lái)掌握遼河治理的實(shí)際情況。研究表明，該技術(shù)主要應(yīng)用于物種豐富程度、河流邊坡、栽種植被以及植株成活情況等方面。例如，孫洋等人將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于水土保持的監(jiān)控，對(duì)朝陽(yáng)市的水土保持工作進(jìn)行效果評(píng)估，從根本彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)中準(zhǔn)確率低、安全性低等缺點(diǎn)，使得水土保持的環(huán)境監(jiān)測(cè)朝著實(shí)效性、低成本、自動(dòng)化方向發(fā)展[1]。

3.2 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)方面

地面監(jiān)測(cè)是目前大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要手段，而對(duì)于一些排煙類的大氣污染物還沒(méi)有很好的浮空采樣監(jiān)測(cè)方法。無(wú)人機(jī)可以很好地彌補(bǔ)這一方面的缺陷，可以人工控制其在空中位置的停留并進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這樣極大地降低了大氣環(huán)境中高空污染物的檢測(cè)難度。在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，目前我國(guó)的無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、粒子濃度、二氧化氮和臭氧等指標(biāo)。例如，楊海軍等人以化學(xué)工業(yè)區(qū)為研究對(duì)象，利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)污染氣體中的NO、CO、SO2等進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。在對(duì)我國(guó)大氣環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，無(wú)人機(jī)可以通過(guò)搭載采樣器的方式，采集大氣樣本。其返回實(shí)驗(yàn)室后，人們可以進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)分析。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)所具有的視野、高度、連續(xù)性是傳統(tǒng)的人工取樣方式所無(wú)法達(dá)到的。

3.3 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面

在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以通過(guò)搭載光譜類設(shè)備或數(shù)碼相機(jī)設(shè)備來(lái)獲取影像數(shù)據(jù)信息，通過(guò)與地面控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)來(lái)處理和拼接數(shù)據(jù)信息，分析宏觀環(huán)境指標(biāo)，主要用于森林、災(zāi)害、生態(tài)環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)工作。例如，張?jiān)龅热死脽o(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲得火災(zāi)圖像，然后對(duì)森林火災(zāi)的火場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行有效的分割、對(duì)火災(zāi)特點(diǎn)的進(jìn)行正確的識(shí)別，使得森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)力度高達(dá)87%[3]；李衛(wèi)正等人采取人工目視法，以無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)為輔助監(jiān)測(cè)工具，有效地獲取植物病蟲(chóng)害位置，提高了生態(tài)環(huán)境檢測(cè)的精準(zhǔn)度[4]；冷偉鋒等人以利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲得的圖像信加以分類，分析得出該地區(qū)引起病蟲(chóng)害的致病菌為條形柄銹菌[5]。

3.4 環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)方面

在發(fā)生突發(fā)事件后，尤其是比較嚴(yán)重的環(huán)境污染事故，現(xiàn)場(chǎng)的情況非常危險(xiǎn)，也有可能遇到交通不便或相關(guān)人員無(wú)法進(jìn)入污染區(qū)域的情況。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)一方面可以保障相關(guān)人員的人身安全，另一方面也能夠大大降低應(yīng)急工作難度，提高應(yīng)急工作效率。在這種情況下，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以迅速到達(dá)指定地點(diǎn)，通過(guò)搭載影像設(shè)備，懸浮在事故區(qū)域上空，全方位地觀察事故現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，如污染物擴(kuò)散、周邊環(huán)境布局、事故發(fā)展程度等情況，為應(yīng)急事件的處理和決策提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)信息。比如，在2010年大連新港的輸油管線爆炸事故中，爆炸引起大量原油流入海域，造成了50 km2海域的污染。傳統(tǒng)技術(shù)是無(wú)法對(duì)事故進(jìn)行快速的監(jiān)測(cè)和控制的，因此環(huán)保部門及時(shí)調(diào)配無(wú)人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在環(huán)境比較惡劣的情況下，完成低空飛行作業(yè)，迅速提供了準(zhǔn)確的原油污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為應(yīng)急處理人員提供了至關(guān)重要的技術(shù)支持。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)因其安全性高、成本較低、實(shí)用性強(qiáng)、高效精準(zhǔn)、機(jī)動(dòng)靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用前景非常廣闊。目前，我國(guó)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，隨著技術(shù)不斷進(jìn)步和完善，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)將在大氣環(huán)境、水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和應(yīng)急事件等方面發(fā)揮更加重要的作用。