無人機遙感技術(shù)在自然保護區(qū)管理中的應(yīng)用研究

王海霞 丁春蓮 韓奮

摘 要：無人機遙感技術(shù)因其具有空間分辨率高、周期可控、受人為操作性強等特點，目前的應(yīng)用較多的被應(yīng)用于生態(tài)、環(huán)保等領(lǐng)域。文章主要介紹了無人機遙感技術(shù)在自然保護區(qū)管理中的應(yīng)用及其關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：無人機；無人機遙感技術(shù)；自然保護區(qū)

中圖分類號：TP79 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）12-0187-02

Abstract： Unmanned aerial vehicle （UAV） remote sensing technology is widely used in ecological， environmental protection and other fields because of its high spatial resolution， controllable period， strong artificial maneuverability and so on. This paper mainly introduces the application and key technology of UAV remote sensing technology in nature reserve management.

Keywords： unmanned aerial vehicle （UAV）； UAV remote sensing technology； nature reserve

1 自然保護區(qū)的管理現(xiàn)狀

國家級自然保護區(qū)的建立主要是為了保護瀕臨滅絕的珍稀動、植物資源和脆弱的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)或重要的自燃遺址，我國自1956年建立第一個國家級自然保護區(qū)鼎湖山自然保護區(qū)以來，截止2016年5月已批準建成國家級自然保護區(qū)446個，總占地面積為9415萬公頃。

目前，隨著遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)、全球定位技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，很大保護區(qū)都建了基于GIS和3S的保護區(qū)信息系統(tǒng)，基本上是基于傳統(tǒng)的以衛(wèi)星為平臺的航天遙感，這類遙感目前民用系列最高空間分辨率為0.5m，另外其存在固定的重訪周期，受氣候和天氣影響較大。在生態(tài)學(xué)和保護生物學(xué)領(lǐng)域，衛(wèi)星遙感提供的數(shù)據(jù)空間尺度和地面調(diào)查的數(shù)據(jù)空間尺度很難匹配[1]，迫切需要高效、低成本的解決途徑。

2 無人機遙感技術(shù)介紹

2.1 無人機遙感技術(shù)的發(fā)展

無人機（unmanned aerial vehicle， UAV）是一種具有導(dǎo)航功能的機上無人駕駛的航空飛行器。無人機遙感（UAV remote sensing， UAVRS）是一種以UAV為平臺，以各種傳感器為主要載荷，飛行高度在幾千米以內(nèi)，能夠獲取遙感影像、視頻等數(shù)據(jù)的無人航空遙感與攝影測量的技術(shù)[2]。UAV的研制最早開始于20世紀初，主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，比較出名的如“全球鷹”、“捕食者”，主要用于軍事偵察和火力打擊方面。到了20世紀80年代，民用無人機才開始發(fā)展，目前無人機遙感技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了災(zāi)后救援，國土資源監(jiān)控與保護、生態(tài)環(huán)境監(jiān)控、農(nóng)業(yè)植保等方面。

2.2 無人機遙感系統(tǒng)的組成

無人機遙感系統(tǒng)主要由飛行系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、遙感機載平臺、動力系統(tǒng)六部分組成（如圖1）。

3 國內(nèi)外無人機遙感技術(shù)的研究現(xiàn)狀

3.1 國內(nèi)無人機遙感技術(shù)的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)無人機遙感方面的研究目前呈上升趨勢，反映出該方面的研究是目前的一種趨勢。2008年李德仁等將UAVRS技術(shù)用于汶川地震救災(zāi)[3]；2009年王斌進行了基于UAVRS的土壤濕度預(yù)測模型研究；2011年鄒長慧等利用UAVRS進行了貴州高原山區(qū)的生態(tài)環(huán)境研究；2012年王春振等利用該技術(shù)進行了黃河源區(qū)生態(tài)景觀分析；2013年張文博利用該技術(shù)進行了土地綜合整治的研究，李志斌進行了電力工程環(huán)保水保的研究，李遷進行了礦山監(jiān)測研究；2014年該技術(shù)被應(yīng)用到了風(fēng)電類建設(shè)項目竣工環(huán)保驗收方法研究、胡楊、檉柳識別與樹冠提取研究、植被識別等的研究中；2015年該技術(shù)被應(yīng)用到了廢棄礦山地質(zhì)災(zāi)害及生態(tài)移民遷出區(qū)農(nóng)用地恢復(fù)調(diào)查、估算桉樹蓄積量、水源地污染源監(jiān)控中；2016年被應(yīng)用到了露天煤礦區(qū)受損土地景觀重塑與再造、飲用水源保護區(qū)環(huán)境勘查中、土壤侵蝕監(jiān)測、森林病蟲害圖像分析算法研究、水稻長勢監(jiān)測中；2017年被應(yīng)用到了輸電線路工程中、外來物種入侵檢測、山區(qū)公路高邊坡面積測量、水土保持監(jiān)測、森林類自然保護區(qū)中防火滅火、荒漠林大沙鼠洞群覆蓋率及分布特征的研究中。

3.2 國外無人機遙感技術(shù)的研究現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計在2001-2016年10月之間在生態(tài)學(xué)、環(huán)境保護、物種多樣性等領(lǐng)域的相關(guān)論文在SCI上發(fā)表了95篇，其中在2013年以后發(fā)表的就有70篇（74%）[4]。2011年Biasio等進行基于UAV的環(huán)境監(jiān)測多光譜成像系統(tǒng)的研究；2012年Bendig J等研究了一種用于熱譜和多光譜成像的低成本微型無人機[5]；2014年Inoue T利用無人機對

日本東部一片落葉闊葉林中倒下的樹木進行了調(diào)查；2015年Chretien等利用從無人機遙感獲得可見和熱紅外影像進行野生動物生物多樣性研究；2016年Hodgson使用無人行對野生動物進行精確監(jiān)測[6]。

4 無人機遙感技術(shù)在自然保護區(qū)管理中的應(yīng)用

4.1 氣象監(jiān)測

借助于無人機遙感技術(shù)對自然保護區(qū)的溫度、濕度、壓強等氣象參數(shù)進行遙感測定，分析區(qū)域氣候特征，預(yù)測天氣，分析大氣-水-植被的相關(guān)性。

4.2 災(zāi)害預(yù)報、評估

利用無人機遙感技術(shù)對保護區(qū)內(nèi)的地震、山洪、滑坡、火災(zāi)、雪災(zāi)、鼠災(zāi)、蝗蟲等的災(zāi)害，進行受災(zāi)面積估測、損失估算，為救災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

4.3 植物監(jiān)測

進行保護區(qū)內(nèi)的植物多樣性監(jiān)測及植被覆蓋類型空間分布規(guī)律的研究；分析植被的垂直分布格局，進行植物的分類識別，物種群落長勢及高度的測定；對植物進行病蟲害情況的空間分布監(jiān)測，知道保護區(qū)工作人員開展科學(xué)救助；對保護區(qū)外來物種進行檢測。

4.4 動物監(jiān)測

研究野生動物的種群密度、數(shù)量、年齡結(jié)構(gòu)及分布情況，監(jiān)測野生動物的遷徙過程，對區(qū)域生物量進行估算，進行動物個體的自動識別、體型測量等。

4.5 地形、地貌分析

對于地形比較復(fù)雜、人類無法實地觀測的保護區(qū)，可建立三維地形、地貌模型，研究土地利用格局演變規(guī)律及影響因素，預(yù)測、估算地表坍塌面積，進行土壤濕度監(jiān)測、預(yù)測。

4.6 環(huán)境監(jiān)測

進行保護區(qū)的環(huán)境監(jiān)測，對生物物種棲息地的易居性進行評價，分析環(huán)境變化對物種分布的影響，對環(huán)境污染程度監(jiān)測，如檢測水源污染程度及水質(zhì)等。

5 自然保護區(qū)無人機遙感研究的關(guān)鍵技術(shù)

5.1 多平臺集成技術(shù)

無人機遙感技術(shù)是遙感技術(shù)、定位導(dǎo)航技術(shù)、微電子控制技術(shù)，傳感技術(shù)等的多平臺、一體化集成技術(shù)，是實現(xiàn)遙控、遙測的技術(shù)保障，其集成水平直接影響到無人機的飛行控制質(zhì)量和最終獲得數(shù)據(jù)的精度。

5.2 圖像處理技術(shù)

無人機遙感所獲得的遙感影像與傳統(tǒng)衛(wèi)片相比具有像幅小，影響多的特點，所以后期影像鑲嵌的工作量較大。另外無人機受風(fēng)速、風(fēng)向等外界因素的影響使得拍攝過程的傾角變化大而無規(guī)律，在后期影像處理時必須恰當(dāng)?shù)倪x擇地面控制點，才能保證幾何校正的精度。目前也有很多專家和學(xué)者正在研究無人機遙感影像的圖像處理軟件或數(shù)學(xué)模型，在一定程度上提高處理精度和效率。

5.3 導(dǎo)航通信技術(shù)

無人機遙感的定位導(dǎo)航主要依賴于衛(wèi)星無線通訊技術(shù)，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，被應(yīng)用最多、影響力最大的就是美國的GPS。目前人們正在研制更加智能化，具有自適應(yīng)能力的無人機導(dǎo)航控制算法，如人工智能、小波變化等。

5.4 防撞性能

無人機一般工作在野外或地形比較復(fù)雜的區(qū)域，一旦發(fā)生意外，無人機可能被撞壞或摔碎。因此需要不斷開發(fā)和研制新型材料，在保證體積和重量相對較小的情況下使無人機具有較高的防撞性和飛行的穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

無人機遙感技術(shù)因其具有周期可控，受氣候環(huán)境影響較小，并且拍攝的影像空間分辨率高而受到廣泛的關(guān)注，但其相關(guān)的技術(shù)目前還不夠成熟，還有較大的提升和突破空間。另外在應(yīng)用上也有待進一步開發(fā)。

參考文獻：

[1]魏彥昌，等.生物多樣性遙感研究進展[J].地球科學(xué)進展，2008，23（9）：924-931

[2]李德仁，李明.無人機遙感系統(tǒng)的研究進展與應(yīng)用前景[J].武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2014，39（5）：505-514.

[3]李德仁，陳曉玲，蔡曉斌.空間信息技術(shù)用于漢川地震救災(zāi)[J].遙感學(xué)報，2008，12（6）：841-851.

[4]胡健波，張健.無人機遙感在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用進展[J].生態(tài)學(xué)報，2018，38（1）：1-11.

[5]Bendig J， Bolten A， Bareth G.Introducing a low-cost mini-UAV for thermal-and multispectral limaging.International Archives of the Photogrammetry， Remote Sensing and Spatial Information Sciences 2012，39，345-349.

[6]Hodgson J C， Baylis S M， Mott R， Herrod A Clarke R H. Precision wildlife monitoring using unmanned aerial vehicles. Scientific Reports，2016，6：22574.