環(huán)境區(qū)域治理中基于無(wú)人機(jī)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究分析

浙江環(huán)境監(jiān)測(cè)工程有限公司 黃欣欣，袁夢(mèng)娜，芮倩倩

無(wú)人機(jī)是科學(xué)技術(shù)極大進(jìn)步的背景下產(chǎn)生的新產(chǎn)物，表現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，成為環(huán)保監(jiān)測(cè)工作的重要工具，使環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程的便利性明顯提升，數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確化，成為相關(guān)部門制定準(zhǔn)確、可靠決策的重要依據(jù)。無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)監(jiān)測(cè)方法的良好轉(zhuǎn)變，以更高的環(huán)境監(jiān)測(cè)效率和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方式，成為目標(biāo)動(dòng)態(tài)空間信息的重要技術(shù)支撐。

一、無(wú)人機(jī)技術(shù)概況

（一）無(wú)人機(jī)技術(shù)

20世紀(jì)80年代至今，我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)取得了明顯發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)逐漸成熟化，廣泛應(yīng)用于各大行業(yè)領(lǐng)域，其中就包括環(huán)保領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)技術(shù)的深入應(yīng)用推動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)在使用傳統(tǒng)傳感器的同時(shí)，向著數(shù)字化、輕型化、精準(zhǔn)化發(fā)展，以便在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

無(wú)人機(jī)以遙感傳感器、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸存儲(chǔ)、影像拼接三種技術(shù)為核心，具有明顯的綜合性和系統(tǒng)性，是傳統(tǒng)航空、航天遙感的優(yōu)化發(fā)展，對(duì)于地理、信息、資源等信息數(shù)據(jù)的獲取效率和分析處理都有很大的提升作用，具有了經(jīng)濟(jì)性、安全性、機(jī)動(dòng)性等明顯優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)外專家和政府學(xué)者近年來(lái)愈加關(guān)注環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，將防治環(huán)境災(zāi)害和事故作為重要的研究方向。遙感技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，是適應(yīng)這一客觀需求的重要表現(xiàn)，使環(huán)保監(jiān)測(cè)成為推行環(huán)保工作的基礎(chǔ)性工作，在環(huán)境管理方面發(fā)揮著重要作用。

（二）無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的工作流程

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)主要分為前期內(nèi)業(yè)、外業(yè)和后期內(nèi)業(yè)三個(gè)工作流程。前期內(nèi)業(yè)即氣相數(shù)據(jù)收集、起降場(chǎng)地確定等工作，是后續(xù)工作流程開展的必要準(zhǔn)備。外業(yè)包括設(shè)備運(yùn)輸進(jìn)入定場(chǎng)地、組裝無(wú)人機(jī)、檢查部件狀態(tài)等工作。人工遙控起飛是主要的技術(shù)啟動(dòng)方式，利用慣性導(dǎo)航的指引作用，將飛機(jī)運(yùn)行期間立體查看到的所有圖像信息收集和傳播，完成任務(wù)要求后遙控降落。后期內(nèi)業(yè)，是對(duì)所獲數(shù)據(jù)信息的收集、分析和整理。最終以遙感的類型和具體數(shù)據(jù)量，作為編制工作流程的重要依據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)照分析單幅遙感圖像和飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)后制成表格，通過(guò)拼接遙感圖像，呈現(xiàn)地理圖像屬性，在完成圖像地理屬性調(diào)整后，繪制電子版和印刷圖。

（三）無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)技術(shù)的局限性明顯，主要利用人工調(diào)查和監(jiān)測(cè)作為環(huán)保前期準(zhǔn)備工作的主要方式。人工監(jiān)測(cè)對(duì)被監(jiān)測(cè)環(huán)境的要求很高，在環(huán)境惡劣的情況下，以及在高危地區(qū)，都會(huì)直接影響最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果。環(huán)境監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)技術(shù)具有明顯的片面性，信息傳遞效率較低，需要投入較長(zhǎng)的時(shí)間完成環(huán)境監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度普遍偏低。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的逐漸成熟化，更加凸顯出傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足和問(wèn)題，使其成為環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域不可或缺的重要技術(shù)，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

一是目的性強(qiáng)。環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要時(shí)常面對(duì)惡劣多變氣候、復(fù)雜地理地形，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)更好地滿足了地理位置、監(jiān)測(cè)環(huán)境的不同需求，以相應(yīng)的遙感設(shè)備和軟件系統(tǒng)完成監(jiān)測(cè)作業(yè)任務(wù)。二是實(shí)用性強(qiáng)、適用范圍廣、易于操作。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的成熟化，使其表現(xiàn)出更高的智能技術(shù)水平，可以通過(guò)設(shè)置程序的方式完成作業(yè)需求。整個(gè)自動(dòng)化操作過(guò)程，只需要工作人員的簡(jiǎn)單手動(dòng)操作就可以完成既定線路內(nèi)的監(jiān)測(cè)任內(nèi)容。三是運(yùn)行成本低，除無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的開發(fā)成本之外，投入環(huán)境監(jiān)測(cè)作業(yè)的成本量很小，無(wú)需駕駛員飛行監(jiān)測(cè)，只要在無(wú)人機(jī)上完成多方面監(jiān)測(cè)任務(wù)，作業(yè)過(guò)程的使用成本很少。無(wú)人機(jī)的機(jī)型小、維護(hù)方式簡(jiǎn)單、耗費(fèi)量小，實(shí)現(xiàn)了人工和監(jiān)測(cè)時(shí)間的同時(shí)縮減。四是安全性強(qiáng)、高效率、易于操作。地形條件、空間和時(shí)間的變化，對(duì)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的影響較小，表現(xiàn)出明顯的靈活性和實(shí)用性，有利于第一時(shí)間獲取有效的數(shù)據(jù)信息。

二、無(wú)人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的研究應(yīng)用

（一）資源及災(zāi)害監(jiān)測(cè)

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的成熟化，促使其表現(xiàn)出更強(qiáng)的適用性，已經(jīng)應(yīng)用于很多領(lǐng)域，與監(jiān)測(cè)技術(shù)的結(jié)合，大大改善了環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中的便捷性和結(jié)果的有效性。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在資源、災(zāi)害方面的監(jiān)測(cè)，是數(shù)碼相機(jī)拍攝和光譜儀器設(shè)備等傳統(tǒng)方式的進(jìn)一步優(yōu)化，經(jīng)過(guò)拼接、處理監(jiān)測(cè)所獲的數(shù)據(jù)圖像，使環(huán)境把控力明顯提升。

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)較好地適用于森林資源監(jiān)測(cè)，以傳感設(shè)備為基礎(chǔ)，結(jié)合使用GIS、GPS等技術(shù)，調(diào)查森林二類資源，可行性強(qiáng)，但其拼接處理監(jiān)測(cè)圖形的技術(shù)仍存在很多不完善之處。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可有效監(jiān)測(cè)自然災(zāi)害狀況，使地面環(huán)境信息持續(xù)傳播給無(wú)人機(jī)安裝的傳感設(shè)備。這是數(shù)據(jù)、圖片的實(shí)時(shí)傳播，依托于地面計(jì)算機(jī)設(shè)備、大數(shù)據(jù)技術(shù)，處理收集起來(lái)的數(shù)據(jù)圖形，將災(zāi)害范圍、程度快速圈定出來(lái)，再以數(shù)據(jù)建模的方式，預(yù)測(cè)出后續(xù)影響區(qū)域，作為自然災(zāi)害應(yīng)急處理的重要參考資源。例如，廣西省在獲取某區(qū)域泥石流災(zāi)害狀況時(shí)，以無(wú)人機(jī)低空航測(cè)和特寬角組合雙方向機(jī)系統(tǒng)的結(jié)合使用，獲取了高分率圖像，使災(zāi)后搜救工作更加科學(xué)、準(zhǔn)確。

環(huán)境污染事件的突發(fā)具有很大的危險(xiǎn)性，會(huì)對(duì)交通運(yùn)輸造成很大影響，如果應(yīng)急處理人員不能快速到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)就能夠及時(shí)發(fā)揮作用，利用所搭載的影像平臺(tái)立體查看現(xiàn)場(chǎng)、污染擴(kuò)散程度、周圍環(huán)境敏感點(diǎn)，廣泛搜集影像信息，對(duì)監(jiān)控事故進(jìn)展、制定環(huán)保決策提供直接、客觀的信息數(shù)據(jù)，能夠確?，F(xiàn)場(chǎng)人員生命財(cái)產(chǎn)安全，使現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的應(yīng)急處理難度明顯降低。例如，2010年大連新港30萬(wàn)噸級(jí)油輪輸油管線爆炸，造成50Km2原油入海污染狀況，只利用傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)無(wú)法滿足需求，環(huán)保部立即命令 工作人員攜帶裝備遙感系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對(duì)惡劣的氣候條件，實(shí)現(xiàn)低空飛行監(jiān)測(cè)，將海面油污數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)收集，客觀、準(zhǔn)確地反映出溢油污染的發(fā)展?fàn)顩r，成為環(huán)境應(yīng)急管理的重要技術(shù)。

無(wú)人機(jī)能夠在路域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用實(shí)時(shí)傳輸、遙感圖像處理以及地下電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，分析編譯出具體的路域生態(tài)環(huán)境狀況，將植被覆蓋面、土地利用類型、土壤侵蝕程度等信息逐一呈現(xiàn)出來(lái)，作為構(gòu)建生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息，以便于采用立體調(diào)查方式，快速監(jiān)測(cè)環(huán)境狀況。

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)以成本低、靈活性強(qiáng)、可低空飛行、快速進(jìn)入拍攝等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于資源災(zāi)害監(jiān)測(cè)中，但是高分辨率圖像處理、任務(wù)荷載量等方面仍然存在一定局限性，仍需進(jìn)一步探討研發(fā)，業(yè)務(wù)上有待擴(kuò)展。

（二）水環(huán)境監(jiān)測(cè)

水環(huán)境監(jiān)測(cè)是確保水資源適應(yīng)人們生產(chǎn)生活需求的重要舉措。我國(guó)水資源分布差異大、水體環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確度很難保障，為了更好地保護(hù)水資源，國(guó)家堅(jiān)持施行強(qiáng)有力的監(jiān)管措施，將創(chuàng)新優(yōu)化監(jiān)測(cè)技術(shù)作為重要的工作方向。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于陸地水環(huán)境監(jiān)測(cè)的范圍有限，研究成果較少，主要依托多光譜成像儀、高頻照相機(jī)等設(shè)備，以水溫、藻華、赤潮為監(jiān)測(cè)指標(biāo)，完成水質(zhì)監(jiān)測(cè)。例如，江蘇地區(qū)的無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)試點(diǎn)，就是以無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)連云港地區(qū)海域進(jìn)行三維呈現(xiàn)，提升了水環(huán)境監(jiān)測(cè)水平。

（三）空氣質(zhì)量環(huán)境監(jiān)測(cè)

國(guó)內(nèi)的無(wú)人機(jī)應(yīng)用和大氣污染物研究處于初步開展階段，以環(huán)境應(yīng)急和大氣環(huán)境的簡(jiǎn)單指標(biāo)監(jiān)測(cè)為主要方向，可監(jiān)測(cè)出粒子濃度、二氧化氮、濕度、溫度、臭氧、壓力等指標(biāo)。中科院大氣物理研究所現(xiàn)已設(shè)計(jì)出兩種型號(hào)的微型無(wú)人機(jī)，臭氧傳感器和粒子探測(cè)儀、溫度濕度傳感器進(jìn)行搭載后，利用探空試驗(yàn)方式獲取數(shù)據(jù)信息，使傳感器、地面系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)指標(biāo)相符合。安徽光機(jī)所以此無(wú)人飛機(jī)平臺(tái)為基礎(chǔ)，與自主研發(fā)探測(cè)系統(tǒng)大氣污染差分吸收光譜相結(jié)合，準(zhǔn)確獲取了二氧化氮等對(duì)大氣環(huán)境有污染作用的氣體分布情況。

國(guó)外已經(jīng)能夠成熟使用氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)，Titan氣體分析儀就是以遠(yuǎn)程傳感技術(shù)和抽取氣體測(cè)量池的方式，在空氣中測(cè)量污染源氣團(tuán)的具體成分、濃度及其所處的環(huán)境。該系統(tǒng)主要由多功能I-系列FTIR光譜儀、永久校準(zhǔn)和防腐蝕金屬氣體測(cè)量池、AutoQuant軟件包三部分組成。軟件包的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、存檔、收集分析和實(shí)時(shí)顯示氣體濃度。國(guó)外開展的多個(gè)無(wú)人機(jī)對(duì)大氣污染物的協(xié)同監(jiān)測(cè)研究，傳感器實(shí)時(shí)獲取的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)地圖建模算法后，構(gòu)建起相應(yīng)的污染氣體分布地圖，客觀地呈現(xiàn)出污染氣團(tuán)信息，有利于后期制定工作任務(wù)和規(guī)劃具體路徑。

（四）礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)

礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)是整治地質(zhì)環(huán)境的必要準(zhǔn)備，一般耗時(shí)3個(gè)月，而無(wú)人機(jī)遙感影像技術(shù)的采集、處理數(shù)據(jù)過(guò)程只需要一周時(shí)間。根據(jù)飛行記錄，共有35條航線、65%-80%的航向重疊度、高于60%的旁向重疊度、800m的相對(duì)航高，符合礦區(qū)環(huán)境的設(shè)定參數(shù)。航拍記錄、遙感索引圖等資料顯示，無(wú)人機(jī)航拍所獲取的信息質(zhì)量均滿足任務(wù)需求，漏拍問(wèn)題并不存在。所以，礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的無(wú)人機(jī)遙感航攝，能夠更好地適應(yīng)惡劣的氣候條件，不經(jīng)過(guò)起飛跑道便可直接用于勘查。此外，數(shù)據(jù)獲取投入的成本較小，易于搬運(yùn)和組裝，只需兩到三個(gè)工作人員用兩個(gè)小時(shí)完成組裝，礦區(qū)影像的獲取、分析處理更加高效，達(dá)到了地空作業(yè)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，精準(zhǔn)度更高，以1:200、1:500、1:1000三個(gè)大比例尺常用于圖紙繪制中。

三、結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)的技術(shù)優(yōu)化，在監(jiān)測(cè)資源災(zāi)害、大氣和礦區(qū)環(huán)境、水環(huán)境等方面都表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，是環(huán)保部門實(shí)行環(huán)境監(jiān)管的必要準(zhǔn)備工作，為環(huán)境數(shù)據(jù)分析處理和科學(xué)決策提供了重要參考。