淺談無(wú)人機(jī)高分遙感影像在自然資源調(diào)查中的應(yīng)用

方 攀 楊 晨 高 娟

河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院 河南 信陽(yáng) 464000

引言

傳統(tǒng)意義上的影像數(shù)據(jù)來(lái)自于高分遙感影像,受天氣或地形的影響,影像更新時(shí)間較長(zhǎng)、成本較高,無(wú)法避免的造成了自然資源調(diào)查工作影像質(zhì)量的參差不齊,而利用無(wú)人機(jī)高分遙感影像技術(shù)可以彌補(bǔ)此類問(wèn)題缺陷,增強(qiáng)環(huán)境調(diào)查工作的精確程度。這樣的結(jié)果有助于推動(dòng)我國(guó)自然資源調(diào)查的信息化發(fā)展,建設(shè)完善的資源信息數(shù)據(jù)庫(kù)。通常情況下自然資源調(diào)查工作是實(shí)現(xiàn)資源管理與經(jīng)營(yíng),以及可持續(xù)發(fā)展原則的基礎(chǔ),但其實(shí)施過(guò)程十分復(fù)雜繁瑣,應(yīng)用無(wú)人機(jī)設(shè)備協(xié)助圖像信息采集是目前自然資源調(diào)查的必要措施,可以滿足大部分的資源探測(cè)需求。

1 無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)及技術(shù)系現(xiàn)狀

1.1 無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)

無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍隨著科技的發(fā)展不斷擴(kuò)大,被普遍應(yīng)用在影像獲取技術(shù),在自然資源調(diào)查、氣象監(jiān)測(cè)、突發(fā)事件處理等領(lǐng)域取得了一定的發(fā)展,無(wú)人機(jī)遙感是指無(wú)人機(jī)與遙感技術(shù)相結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速采集與圖像信息獲取的作用[1]。其低損耗、低成本的可持續(xù)發(fā)展特性使人工作業(yè)需求大大減少,進(jìn)而確保資源調(diào)查工作的整體效率,為我國(guó)自然資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的研究工作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考依據(jù)。

1.2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的現(xiàn)狀

目前全世界有超過(guò)三十個(gè)國(guó)家在大力發(fā)展無(wú)人機(jī)技術(shù),作為時(shí)代發(fā)展的先進(jìn)潮流,民用無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)開(kāi)始逐漸興起,我國(guó)無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得顯著成效,各產(chǎn)品遠(yuǎn)銷海外,將無(wú)人機(jī)的具體應(yīng)用上升到全新高度,也促進(jìn)著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[2]。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的特點(diǎn)是機(jī)動(dòng)靈活、高效準(zhǔn)確、能夠進(jìn)行云下攝影,對(duì)于一些突發(fā)事件的處理,或者是城市建設(shè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查等工作有很大幫助。隨著最近幾年的技術(shù)發(fā)展,我國(guó)已經(jīng)積累出豐富的無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)經(jīng)驗(yàn),將無(wú)人機(jī)遙感傳感技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、GPS定位、通訊與感應(yīng)技術(shù)與駕駛技術(shù)相結(jié)合,并通過(guò)數(shù)據(jù)處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用,顛覆了傳統(tǒng)的自然資源調(diào)查形式,讓資源調(diào)查工作的效率進(jìn)一步提升,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、信息化的調(diào)查模式。目前看來(lái),該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為世界各國(guó)廣泛關(guān)注的科研領(lǐng)域。

2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)工包括五個(gè)部分,即:飛行器、飛控系統(tǒng)、傳感器、定位導(dǎo)航系統(tǒng)以及操作軟件[3]。飛行器可分為固定翼、旋翼、以及固定翼旋翼一體式飛行器共三種;飛控系統(tǒng)是飛行控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱,其主要工作原理是根據(jù)飛行器在空中的受力情況調(diào)節(jié)并分配動(dòng)力輸出;而傳感器也分為正射、傾射、雷達(dá)、多光譜等多種類型,其中圖像采集精度最高的是正射傳感器,最高可達(dá)到7360*4912的分辨率,精度與清晰度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于衛(wèi)星遙感;定位導(dǎo)航系統(tǒng)用于記錄飛行器信息以及與拍照瞬間的坐標(biāo)信息,能夠確保無(wú)人機(jī)按指定軌道、速度執(zhí)行飛行與拍攝任務(wù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感,無(wú)人機(jī)高分遙感影像技術(shù)不僅分比率與精度較高,還可以根據(jù)工作進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整,更加適合自然資源調(diào)查工作的應(yīng)用。

對(duì)于搭載平臺(tái)的選擇方面,要注重自然資源調(diào)查環(huán)境,一般來(lái)說(shuō)無(wú)人機(jī)主要是在1000m以下的高度進(jìn)行航拍,并且大多采用多旋翼無(wú)人機(jī),不光是出于成本的考慮,也能獲得較好的穩(wěn)定性,使拍攝圖像較為清晰。另外,遙感系統(tǒng)中的傳感器在必要情況下需要進(jìn)行改裝,以適應(yīng)航拍任務(wù)的不同需求,拍攝前要進(jìn)行相關(guān)的航線規(guī)劃,確定好無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù),將航跡、起降點(diǎn)、高度等情況牢牢掌握,確保飛行數(shù)據(jù)與地面控制臺(tái)的實(shí)時(shí)互聯(lián)。無(wú)人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量處理平臺(tái)種類繁多,其得出的技術(shù)性數(shù)據(jù)與相關(guān)技術(shù)結(jié)合可以有效處理多光譜數(shù)據(jù)。

3 無(wú)人機(jī)高分遙感影像在自然資源調(diào)查中的應(yīng)用

3.1 森林資源調(diào)查的應(yīng)用

我國(guó)擁有較大的森林面積,覆蓋率達(dá)到12.98%,森林資源一直以來(lái)?yè)碛幸欢ǖ恼{(diào)查難度,這是因?yàn)榻煌O為不便所導(dǎo)致的。因此,詳細(xì)準(zhǔn)確的進(jìn)行森林資源的調(diào)查工作需要在高分影像資料的幫助下獲取,前文提到過(guò)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)大多采用衛(wèi)星遙感影像技術(shù),分辨率的精度無(wú)法滿足全部調(diào)查工作需求,再加上森林資源調(diào)查采集區(qū)域多為山區(qū),衛(wèi)星難以匹配,導(dǎo)致影像獲取難度大。應(yīng)用無(wú)人機(jī)高分遙感影像進(jìn)行森林資源調(diào)查工作,可以有效規(guī)避此類問(wèn)題,因?yàn)闊o(wú)人機(jī)具有即時(shí)起飛的特點(diǎn),能夠快速進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并出圖。

無(wú)人機(jī)高分遙感影像的主要應(yīng)用在森林資源的動(dòng)態(tài)變化與整體分析,動(dòng)態(tài)變化方面利用航拍來(lái)獲取高分辨率的正射影像,從而進(jìn)行校正,減少了工作人員多余的調(diào)查工作量,并且對(duì)林種、地類、優(yōu)勢(shì)樹(shù)種與面積等相關(guān)信息充分掌握。森林資源整體分析方面在于清晰的反映樹(shù)木生長(zhǎng)與病蟲(chóng)害情況、樹(shù)葉紋理與樹(shù)木表皮紋理、以及植物顏色等變量等,這些都可以通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍實(shí)現(xiàn),對(duì)整體生態(tài)系統(tǒng)的改善與維持起關(guān)鍵作用[4]。

總體來(lái)說(shuō),無(wú)人機(jī)高分遙感影像應(yīng)用于森林資源調(diào)查中主要能夠監(jiān)測(cè)林地病蟲(chóng)害情況、獲取樹(shù)木基本信息、提取林冠層信息、森林消防監(jiān)測(cè)、以及其他信息獲取等。在大范圍內(nèi)進(jìn)行森林監(jiān)測(cè),通過(guò)可見(jiàn)光相機(jī)等設(shè)備有效預(yù)警,精準(zhǔn)地劃分出病蟲(chóng)害區(qū)域;高分影像及數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)利用三維重建的方式生成數(shù)字模型,能夠有效測(cè)算出各項(xiàng)數(shù)值;再通過(guò)面向?qū)ο蠓ê湍恳暯庾g法快速獲取單木冠幅信息,滿足林業(yè)調(diào)查基本需求;另外,森林消防問(wèn)題也十分嚴(yán)峻,以無(wú)人機(jī)作為森林防火的平臺(tái),可以對(duì)重點(diǎn)區(qū)域動(dòng)態(tài)檢測(cè),有利于森林火災(zāi)及其他自然災(zāi)害的提前預(yù)防。

3.2 水資源調(diào)查的應(yīng)用

相關(guān)部門對(duì)水資源的調(diào)查工作也相當(dāng)重視,我國(guó)水資源分布特點(diǎn)比較分散且廣泛,常規(guī)的衛(wèi)星遙感影響不能良好地適應(yīng)水資源的主動(dòng)性與時(shí)效性,無(wú)法滿足調(diào)查要求,需要更為精確的基礎(chǔ)影響資料輔助水資源調(diào)查工作進(jìn)行,并應(yīng)用于檢測(cè)河流、湖泊等水崖線與面積的變化,再根據(jù)地形圖與相關(guān)數(shù)據(jù)合理估算。在一些重要的水資源設(shè)備（如水庫(kù)、壩區(qū)及周邊設(shè)施等）的環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中,普遍采取人工作業(yè)的方式,由工作人員攜帶相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行巡查,導(dǎo)致調(diào)查工作進(jìn)展緩慢,不能準(zhǔn)確地完成監(jiān)測(cè)任務(wù)[5]。因此,可以利用無(wú)人機(jī)高分遙感影像進(jìn)行水資源調(diào)查的環(huán)境監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)防控等相關(guān)工作,尤其是環(huán)境惡劣的區(qū)域或者水資源設(shè)施發(fā)生故障的情況,無(wú)人機(jī)都能做到快速反應(yīng),并及時(shí)反饋水資源動(dòng)態(tài)信息,有效緩解調(diào)查工作進(jìn)展緩慢的問(wèn)題[6]。如果發(fā)生大面積的洪澇災(zāi)害,也可以利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行定損作業(yè),對(duì)洪災(zāi)區(qū)域進(jìn)行高空俯拍,監(jiān)視災(zāi)情的發(fā)展并實(shí)時(shí)傳遞現(xiàn)場(chǎng)信息,為后方人員的防洪決策提供精準(zhǔn)信息。

3.3 國(guó)土資源調(diào)查領(lǐng)域的應(yīng)用

高分遙感影像在國(guó)土資源調(diào)查領(lǐng)域的應(yīng)用可以從第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查和土地利用規(guī)劃及執(zhí)法檢查兩個(gè)角度進(jìn)行探析。第三次國(guó)土調(diào)查是在第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過(guò)地方資料來(lái)繪制、了解自然資源分布圖,這樣看來(lái),基礎(chǔ)影像資料能夠直接影響國(guó)土調(diào)查的結(jié)果。我國(guó)幅員遼闊,各地區(qū)調(diào)查質(zhì)量參差不齊,第三次國(guó)土調(diào)查是以衛(wèi)星遙感影像的方式提供基礎(chǔ)影像資料,其中也存在部分地區(qū)采用無(wú)人機(jī)高分遙感影響技術(shù)獲取資料,一定程度上提高了基礎(chǔ)影響資料的精確度。由于衛(wèi)星遙感的分辨率較低,部分地區(qū)的旱地、水田、林地等處的地物紋理極其不明顯,根本不能做到精確判讀,無(wú)人機(jī)的推廣與應(yīng)用,更加清晰地勾繪出地圖邊界,不但降低了失誤率,還有效減少了調(diào)查工作量[7]。在國(guó)土資源調(diào)查的應(yīng)用當(dāng)中,還會(huì)出現(xiàn)人力無(wú)法到達(dá)的無(wú)人區(qū)（或偏遠(yuǎn)地區(qū)）等情況,這時(shí)無(wú)人機(jī)高分遙感影像的優(yōu)勢(shì)就得以體現(xiàn)。

結(jié)論

綜上所述,在自然資源調(diào)查工作中應(yīng)用無(wú)人機(jī)高分遙感影像技術(shù)有利于提升準(zhǔn)確性與信息識(shí)別能力,能夠減輕工作量,減小調(diào)查難度。從本質(zhì)上講,無(wú)人機(jī)高分遙感影像技術(shù)與衛(wèi)星高分遙感影像技術(shù)并無(wú)實(shí)質(zhì)性差別,都是利用飛行平臺(tái)搭載高科技傳感器來(lái)拍攝、處理影像,但無(wú)人機(jī)通常可以低成本、高效率地完成調(diào)查工作,再加上其靈活的機(jī)動(dòng)性與主觀可操控性等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)越來(lái)越受到相關(guān)部門的認(rèn)可。目前我國(guó)處于一種數(shù)字化、信息化的自然資源調(diào)查模式,技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新需要更為廣闊的空間,無(wú)人機(jī)高分遙感影像在自然資源調(diào)查領(lǐng)域的應(yīng)用仍是推動(dòng)我國(guó)社會(huì)發(fā)展的有效手段。