無人機(jī)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用分析

蕭浩鵬 彭海宇 黃華 劉麗娟

摘 要：無人機(jī)技術(shù)以其靈敏機(jī)動、經(jīng)濟(jì)成本低、分辨率高、不受場地約束等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過搭載高清分辨率相機(jī)、紅外載荷、多光譜及高光譜成像儀、環(huán)境監(jiān)測傳感器等機(jī)載設(shè)備，無人機(jī)廣泛應(yīng)用于各種監(jiān)測場景，目前已普遍使用在地表水環(huán)境、大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測工作之中。該文重點(diǎn)分析無人機(jī)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究進(jìn)展，并探討其應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)? 環(huán)境監(jiān)測? 大氣環(huán)境? 地表水環(huán)境 生態(tài)環(huán)境

中圖分類號：X87? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Due to the advantages of agility， low cost， high resolution and free from site constraints， by carrying airborne equipment such as high-resolution camera， infrared load， multispectral，hyperspectral imager and environmental monitoring sensor，UAV has been widely used in monitoring of surface water， atmospheric and ecological environment. This paper mainly analyzes the application of UAV technology in environmental monitoring and discusses its application prospect.

Key Words：UAV; Environment monitoring; Atmospheric environment;Surface water;Ecological environment

建設(shè)生態(tài)文明、推進(jìn)綠色發(fā)展，關(guān)乎人民福祉和民族未來。生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作需要以環(huán)境監(jiān)測作為基礎(chǔ)，獲取詳實(shí)、準(zhǔn)確的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)作為決策支撐。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，無人機(jī)技術(shù)以其靈敏機(jī)動、經(jīng)濟(jì)成本低、分辨率高、不受場地約束等諸多優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨普遍。

1 無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用情況

無人機(jī)是通過無線電遙控設(shè)備或機(jī)載計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)進(jìn)行操控的不載人飛行器。無人機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低，不但能完成有人駕駛飛機(jī)執(zhí)行的任務(wù)，更適用于有人飛機(jī)不宜執(zhí)行的任務(wù)，如危險(xiǎn)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(jī)按用途進(jìn)行分類，可以分為民用無人機(jī)、警用無人機(jī)和軍用無人機(jī);按飛行平臺構(gòu)型分類，可以分為固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)、無人飛艇、傘翼無人機(jī)、撲翼無人機(jī)等。在無人機(jī)剛興起時(shí)，無人機(jī)普遍運(yùn)用于航拍娛樂;現(xiàn)如今，無人機(jī)運(yùn)用非常廣泛，主要運(yùn)用的行業(yè)有城市建設(shè)管理、農(nóng)業(yè)植保和農(nóng)藥噴灑、交通監(jiān)視、地質(zhì)保護(hù)、氣象監(jiān)測、電力水力、搶險(xiǎn)救災(zāi)、視頻拍攝、生態(tài)環(huán)境和環(huán)保監(jiān)測、服務(wù)等行業(yè)等。

無人機(jī)可搭載高清分辨率相機(jī)、紅外載荷、多光譜及高光譜成像儀、環(huán)境監(jiān)測傳感器等機(jī)載設(shè)備、廣泛應(yīng)用于各種監(jiān)測場景。在惡劣、危險(xiǎn)和人類無法到達(dá)的環(huán)境條件中，無人機(jī)能替代我們到達(dá)我們無法到達(dá)的環(huán)境，第一時(shí)間對現(xiàn)場進(jìn)行全面監(jiān)測，通過搭載的相機(jī)設(shè)備等記錄現(xiàn)場環(huán)境的情況。然后通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)對航拍影像進(jìn)行建模處理，大規(guī)模提取圖片影像中的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，提取有效數(shù)據(jù)。

2 基于無人機(jī)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用

2.1 無人機(jī)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

無人機(jī)在大氣環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用主要有3個方向。

2.1.1 無人機(jī)+可見光相機(jī)

目前，運(yùn)用比較廣泛的是在無人機(jī)上搭載可見光相機(jī)對大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測[1]，即搭建可見光云臺進(jìn)行大氣環(huán)境監(jiān)測。其缺點(diǎn)在于：只能通過可見光相機(jī)拍攝照片以及拍攝視頻來完成監(jiān)測，目前還沒擁有足夠準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為支撐，同時(shí)還很容易受到天氣、光照以及相機(jī)本身等各方面因素的影響，所以只有在對污染濃度大且可見性污染源，比如：秸稈焚燒進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，才會應(yīng)用到可見光相機(jī)。

2.1.2 無人機(jī)+紅外成像儀

在無人機(jī)上搭載紅外成像儀，可以在白天或者晚上順利進(jìn)行監(jiān)測。紅外成像儀的特點(diǎn)是可以不接觸被測物體就能測量其溫度，且是在一定范圍的溫度分布，反應(yīng)速度快，測量精度基本不受距離的影響等。因此，無人機(jī)通過紅外成像儀可以發(fā)現(xiàn)夜間生產(chǎn)的企業(yè)是否有偷排的情況。但紅外成像儀容易受環(huán)境的影響，不同種類的企業(yè)的熱分布形式有所不同，其排放溫度與排放量沒有關(guān)聯(lián)性，監(jiān)測結(jié)論需要經(jīng)過較長時(shí)間的相關(guān)模型比對和監(jiān)測才能得出[2]。

2.1.3 無人機(jī)+氣體傳感器

最后一個方向是在無人機(jī)上搭載氣體傳感器。氣體傳感器是指多種因子的高精度氣體傳感器。無人機(jī)搭載上相應(yīng)因子的高精度氣體傳感器在指定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行大范圍的巡視，尋找該污染因子進(jìn)行監(jiān)測。在技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步下，氣體傳感器的精度達(dá)到了可以接受的范圍，尤其是運(yùn)用了光離子化檢測器方法的氣體傳感器，其檢出限、精度甚至可以達(dá)到ppb的級別，在一定程度上滿足了大氣污染物濃度的要求。

目前，考慮到環(huán)境監(jiān)測執(zhí)法的時(shí)效性需求，已有相關(guān)技術(shù)通過構(gòu)建無人機(jī)監(jiān)測平臺來進(jìn)行實(shí)事應(yīng)急監(jiān)測，開發(fā)基于無人機(jī)監(jiān)測平臺的大氣污染應(yīng)急監(jiān)測和溯源系統(tǒng)[3];并有相關(guān)企業(yè)探索將無人機(jī)+氣體傳感器獲得的大量實(shí)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可視化處理，充分挖掘數(shù)據(jù)隱含的空間關(guān)聯(lián)，揭示大氣污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，從而科學(xué)直觀地判讀并分析大氣污染情況，為后續(xù)一系列的治理措施提供支撐依據(jù)。

2.2 無人機(jī)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

在水環(huán)境監(jiān)測中，目前比較常用的是用無人機(jī)開展巡河工作[4]。運(yùn)用無人機(jī)巡河，可以對河道是否有漂浮物以及河岸的保潔情況進(jìn)行全方位的拍攝記錄，也可以收集河流水質(zhì)、污染源及排污口等信息。

無人機(jī)在水環(huán)境監(jiān)測工作中的應(yīng)用前景非常廣闊[5]，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)有以下明顯的優(yōu)勢。

一是提高效率，節(jié)約成本。運(yùn)用無人機(jī)進(jìn)行地表水環(huán)境監(jiān)測時(shí)，可以克服地形和地勢困難，幾乎直線到達(dá)監(jiān)測區(qū)域，有效地節(jié)約了整個采樣工作的時(shí)間以及人力、物力成本。相關(guān)研究證明了無人機(jī)監(jiān)測識別飲用水水源風(fēng)險(xiǎn)可行性，對于取水口及其風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測技術(shù)體系建設(shè)具有一定參考價(jià)值[6]。

二是提高質(zhì)量，安全便捷。運(yùn)用無人機(jī)可以準(zhǔn)確采集河流湍急、河沿岸淤泥沉積等惡劣環(huán)境中的水樣，提高水樣的準(zhǔn)確性、代表性和可比性。同時(shí)，監(jiān)測采樣人員無需親身赴險(xiǎn)，只需要在監(jiān)測點(diǎn)的岸邊操控?zé)o人機(jī)就可以完成水樣采集工作，非常便捷，風(fēng)險(xiǎn)較小。

三是直觀全面，準(zhǔn)確度高。通過開展野外同步水質(zhì)光譜數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，獲取各等級水質(zhì)樣本數(shù)據(jù)將無人機(jī)高光譜技術(shù)應(yīng)用到城市中小河流的水環(huán)境監(jiān)測中，滿足城市中小河流的水質(zhì)監(jiān)測需求[7]。

2.3 無人機(jī)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中，無人機(jī)可以充分發(fā)揮直觀、全面、分辨率高、采集和分析處理速度快、成本低的遙感監(jiān)測優(yōu)勢，快速完成拍攝任務(wù)，生成高分辨率的遙感圖像，直接辨認(rèn)污染來源、分析部分可見污染物的情況，構(gòu)成分布圖，同時(shí)使用高性能處理方式，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和深度處理，生成可用的分析數(shù)據(jù)，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供數(shù)據(jù)支撐。

無人機(jī)技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測上的應(yīng)用場景包括：一是森林資源調(diào)查研究，無人機(jī)遙感設(shè)施利用相機(jī)進(jìn)行傳輸影像，獲得數(shù)據(jù)再結(jié)合GIS和GPS系統(tǒng)分析;二是生態(tài)環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測研究，通過空間遙感技術(shù)與GIS技術(shù)結(jié)合，定量分析景觀斑塊、格局和土地利用空間格局的變化;三是陸域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測調(diào)查，利用無人機(jī)遙感技術(shù)，對土地利用類型、植被覆蓋和土地侵蝕等生態(tài)環(huán)境要素進(jìn)行定位，充分展示了陸域生態(tài)環(huán)境的變化情況。

3 無人機(jī)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用前景

無人機(jī)具有低成本、低損耗、可重復(fù)使用且危險(xiǎn)小等諸多優(yōu)勢，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域推廣應(yīng)用[8]，可以為環(huán)境監(jiān)測提供有力幫助，切實(shí)提高環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量，從而讓環(huán)境監(jiān)測工作更有價(jià)值和意義。

在利用無人機(jī)開展環(huán)境監(jiān)測過程中，仍需著力解決一些技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范層面的問題。

一是研發(fā)小型、輕型的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，解決無人機(jī)荷載以及空間限制等因素的影響。

二是研發(fā)無人機(jī)數(shù)據(jù)信息的分析處理系統(tǒng)，有助于深化無人機(jī)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用。

三是無人機(jī)飛行高度受限，電池續(xù)航能力還有待提高，且在水域上空發(fā)生故障時(shí)難以回收，因此，需要加強(qiáng)監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境的實(shí)地調(diào)查與研判，合理有效規(guī)劃無人機(jī)飛行航線，提高無人機(jī)操作的安全性。

四是針對無人機(jī)獲取的環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)，沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，其數(shù)據(jù)只能作為參考，怎樣和地面監(jiān)測指標(biāo)統(tǒng)一進(jìn)行集中處理，實(shí)現(xiàn)空地一體化數(shù)據(jù)綜合使用，是作為無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)開發(fā)的一個研究方向。

4 結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)技術(shù)在監(jiān)測水環(huán)境、大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境中正發(fā)揮著越來越重要的作用。但由于無人機(jī)技術(shù)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)行業(yè)的結(jié)合是最近幾年才興起的，其自身仍存在不少問題。在突破上述技術(shù)難題后，無人機(jī)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的未來一定會有更廣闊的發(fā)展前景。

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