無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用

白 峰，馬小真

［黃河水土保持綏德治理監(jiān)督局（綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站），陜西榆林 719000］

無人機(jī)遙感技術(shù)的出現(xiàn)為水土保持行業(yè)提供諸多便利。合理應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)能夠拍攝出清晰圖像，無人機(jī)在空中不受任何影響準(zhǔn)確獲取指定地區(qū)面積、體積等重要數(shù)據(jù)，對(duì)水土保持監(jiān)測技術(shù)未來發(fā)展產(chǎn)生積極影響［1］。

1 無人機(jī)遙感技術(shù)概述

1.1 概念

無人遙感技術(shù)主要包含GPS 技術(shù)、無人機(jī)飛行技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，無人機(jī)遙感技術(shù)能夠?qū)ο嚓P(guān)監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)管理，執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)明顯增多，適用于很多復(fù)雜地勢，為工作人員監(jiān)測工作提供便利和幫助，及時(shí)發(fā)現(xiàn)觀察地區(qū)環(huán)境信息和地勢特點(diǎn)。因此，建模在分析和處理相關(guān)數(shù)據(jù)過程中充分體現(xiàn)出無人機(jī)遙感技術(shù)的優(yōu)勢和作用。

無人機(jī)遙感技術(shù)在應(yīng)用中需要很多不同種類的設(shè)備，其主要包含飛行器、控制器等，飛行器具有電氣設(shè)備、航空設(shè)備平臺(tái)、動(dòng)力設(shè)備等。該項(xiàng)技術(shù)在使用過程中借助控制臺(tái)管控飛行設(shè)備流程，通過觀察區(qū)域的水土相關(guān)信息對(duì)其進(jìn)行采集，然后傳送到遙感監(jiān)測部門實(shí)行專門處理和調(diào)整，從而獲取完整水土數(shù)據(jù)。

無人機(jī)遙感技術(shù)在水土流失觀測過程中具有可靠性、有效性較強(qiáng)，拍攝范圍廣闊等特點(diǎn)。由于無人機(jī)遙感機(jī)身不大，在工作中體現(xiàn)出較強(qiáng)適應(yīng)能力，可以適應(yīng)地勢較低地區(qū)，對(duì)氣候溫度要求不高，在任何情況下都能保持正常工作。因此，只需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)平臺(tái)進(jìn)行良好控制，改善飛行器運(yùn)作情況，就能對(duì)指定地區(qū)實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測。

1.2 具體優(yōu)點(diǎn)

遙感技術(shù)是非接觸、遠(yuǎn)距離的探測技術(shù)，其借助傳感器獲取地面相關(guān)數(shù)據(jù)，利用數(shù)字化方式得到所需產(chǎn)品，從而在水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測行業(yè)實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，獲取諸多相關(guān)成果。盡管如此，衛(wèi)星遙感影像依舊因云層而產(chǎn)生實(shí)際影響，導(dǎo)致影像數(shù)據(jù)采取期限、時(shí)間、分辨率等受限嚴(yán)重限制，不能對(duì)水質(zhì)污染進(jìn)行及時(shí)檢測。隨著科學(xué)技術(shù)不斷提升，無人機(jī)遙感技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。無人機(jī)遙感技術(shù)主要將無人飛行器作為承載設(shè)備，自身攝像功能、多元化成像技術(shù)等數(shù)字化設(shè)備在空中進(jìn)行拍攝和觀察實(shí)際情況，收集地面信息數(shù)據(jù)。同時(shí)，借助遙感技術(shù)對(duì)影像信息獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。和傳統(tǒng)衛(wèi)星的航天遙感技術(shù)相比，無人機(jī)遙感技術(shù)可通過無人機(jī)在云層下飛行，完成云層下方拍攝，從而控制和改善衛(wèi)星光學(xué)遙感和普通航空攝像產(chǎn)生的不良影響和問題；其自身具有高效率、高分辨優(yōu)勢，也有穩(wěn)定的重復(fù)周期。因此，遙感技術(shù)利用自身靈活性強(qiáng)、體型小、消耗能量少、監(jiān)控范圍廣及成本低等優(yōu)勢在工作中發(fā)揮重要作用［2］。

1.3 特點(diǎn)

無人機(jī)遙感技術(shù)通過無人機(jī)對(duì)地面采集相關(guān)信息，借助計(jì)算機(jī)產(chǎn)生三維圖像，從而使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)揮作用和優(yōu)勢，其技術(shù)主要表現(xiàn)在以下4 個(gè)方面。1）拍攝具有高效準(zhǔn)確性。如果無人機(jī)飛行高度在1 000 m內(nèi)，收集地面信息的航拍準(zhǔn)確度在0.5 m 左右。2）應(yīng)用成本較低。無人機(jī)在應(yīng)用過程中自身體型較小，具有操作便利、構(gòu)造簡單、飛行速度快等優(yōu)勢，體現(xiàn)出較強(qiáng)的適用能力。通常在飛行過程中，惡劣天氣不會(huì)對(duì)其運(yùn)行造成較大影響，從而減少拍攝費(fèi)用。3）操作快捷、可靠。在進(jìn)行監(jiān)測過程中對(duì)外界沒有針對(duì)性要求，能夠?qū)崿F(xiàn)快速提升，操作方便、快捷、簡單；同時(shí)，不會(huì)因外界不良天氣對(duì)其產(chǎn)生影響，具有較強(qiáng)安全性和可靠性。4）拍攝方便，具有較高分辨率。無人機(jī)能對(duì)飛行航線進(jìn)行合理控制，借助相應(yīng)要求在不同角度下進(jìn)行拍攝，在對(duì)監(jiān)測范圍進(jìn)行拍攝時(shí)可借助垂直方式采集相關(guān)信息；針對(duì)復(fù)雜構(gòu)造選擇斜向方式采集細(xì)致化構(gòu)造數(shù)據(jù)，促進(jìn)成像顯現(xiàn)出更加清晰的效果。因此，通過無人機(jī)遙感技術(shù)自身優(yōu)勢，有效處理復(fù)雜構(gòu)造間產(chǎn)生的相關(guān)問題，從而獲取完整影像信息和監(jiān)測圖像文件。

2 傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的相關(guān)問題

2.1 監(jiān)測范圍具有局限性

人工調(diào)整已經(jīng)不適用新時(shí)代發(fā)展?fàn)顟B(tài)，其對(duì)指定區(qū)域造成很大影響，只能在小范圍區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，其問題大多數(shù)來源于人為因素，導(dǎo)致監(jiān)測準(zhǔn)確度無法達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，不能發(fā)揮動(dòng)態(tài)監(jiān)測作用。在對(duì)大區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測過程中，因人員數(shù)量嚴(yán)重缺失，未能將監(jiān)測人員進(jìn)行合理分配，在對(duì)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)危險(xiǎn)地帶進(jìn)行監(jiān)測過程中，人力不能采集相應(yīng)信息［3］。

2.2 采集信息方法單一化

1）嚴(yán)重缺少研究精力和成本，不利于監(jiān)測內(nèi)容統(tǒng)一化、完整化，不利于社會(huì)文明建設(shè)、生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定。2）大多數(shù)設(shè)施儀器都會(huì)通過人工對(duì)其進(jìn)行操作、應(yīng)用，導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集效率不高、準(zhǔn)確度不可靠，不能對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。因此，監(jiān)測技術(shù)不完善依舊是最主要的問題，需要對(duì)水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)采集技術(shù)進(jìn)行升級(jí)，才能更好發(fā)揮其作用。

盡管無人機(jī)遙感技術(shù)從測試環(huán)節(jié)上升到工程應(yīng)用，但其技術(shù)能力仍然發(fā)揮不了實(shí)質(zhì)性作用，無法建立健全的監(jiān)測機(jī)制。因此，應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)前工作地區(qū)施工項(xiàng)目，借助無人機(jī)遙感技術(shù)快速獲取研究區(qū)域的相關(guān)信息，全面分析和研究地區(qū)監(jiān)測的所有內(nèi)容，彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)缺失，有助于水土保持監(jiān)測機(jī)制向智能化、高效率和低成本方向邁進(jìn)。

3 無人機(jī)遙感技術(shù)在水土監(jiān)測中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)

無人機(jī)遙感技術(shù)是當(dāng)前較先進(jìn)的遙感技術(shù)，應(yīng)用效果會(huì)引導(dǎo)諸多專業(yè)人員對(duì)其進(jìn)行關(guān)注和重視。為了避免該項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用過程中出現(xiàn)不良損失和影響，操作人員在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中需要做出詳情計(jì)算和程序編程。無人機(jī)遙感技術(shù)在進(jìn)行水土監(jiān)測過程中，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)無人機(jī)的運(yùn)行軌道進(jìn)行良好設(shè)計(jì)，防止意外情況的發(fā)生，從而產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟(jì)損失。在對(duì)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行具體分析和研究過程中，通過無人機(jī)運(yùn)作對(duì)功能進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。同時(shí)，要對(duì)無人機(jī)工作區(qū)域的氣候和地勢進(jìn)行詳情分析和調(diào)查，要求無人機(jī)在設(shè)計(jì)中不會(huì)因障礙物形成阻礙和影響。此外，操作人員需安排合適現(xiàn)場進(jìn)行起飛測驗(yàn)，保證無人機(jī)拍攝具有良好清晰性、事物辨別度等，通過相關(guān)技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)改善和處理。無人機(jī)科學(xué)利用GPS 定位系統(tǒng)對(duì)調(diào)查事物獲取準(zhǔn)確定位，有效確定無人準(zhǔn)確定位的具體位置，有助于工作人員對(duì)數(shù)據(jù)采取相應(yīng)處理，獲取可靠信息數(shù)據(jù)，促進(jìn)相關(guān)數(shù)據(jù)信息應(yīng)用到工作中［4］。

3.2 遙測數(shù)據(jù)數(shù)字化

無人機(jī)遙感技術(shù)在應(yīng)用過程中必須安排人員對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。針對(duì)拍攝的實(shí)際圖像，工作人員必須將遙測拍攝到的原有數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和分析，其主要作用是對(duì)無人機(jī)攝像方位進(jìn)行調(diào)整，有助于拍攝事物處理方式更具合理化，確保拍攝達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。工作人員在拍攝過程中需要將攝像頭調(diào)整到原來狀態(tài)，按照規(guī)定要求進(jìn)行拍攝，保障攝像處理的數(shù)據(jù)都能達(dá)到最佳效果。通常情況下，事物在拍攝過程中需要對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行合理調(diào)整，保證攝影設(shè)備的實(shí)際參數(shù)和實(shí)際拍攝效果達(dá)成一致。此外，與實(shí)際定位系統(tǒng)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性聯(lián)系，加強(qiáng)對(duì)GPS 系統(tǒng)的相應(yīng)分析和處理，保證攝影技術(shù)和三維定位相互協(xié)助，從而形成智能化系統(tǒng)［5］。

4 無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測中的具體應(yīng)用

4.1 總結(jié)和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)

在對(duì)水質(zhì)信息監(jiān)測分析和處理中主要包含無人機(jī)遙感信息和地表監(jiān)測信息2 方面。無人機(jī)遙感信息和多光感傳感器配置軟件將影像導(dǎo)出，通過輻射校正后得到光譜反射率數(shù)據(jù)。地面監(jiān)測數(shù)據(jù)具體包含水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測信息和人工勘測設(shè)備采集信息，自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)在監(jiān)測系統(tǒng)中保持持續(xù)檢測、保管和遠(yuǎn)程傳送諸多水質(zhì)信息，人工測點(diǎn)收集數(shù)據(jù)主要依靠信息化技術(shù)，通過信息技術(shù)收集相應(yīng)模塊，有效對(duì)水質(zhì)采集設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行保管和上傳。無人機(jī)遙感水質(zhì)檢測信息體系主要借助TCP/IP 將無人機(jī)遙感信息和地表監(jiān)測信息傳送到監(jiān)測控管控部門，該部門對(duì)獲取的水質(zhì)信息進(jìn)行專門分析和處理，在相關(guān)應(yīng)用平臺(tái)顯示，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測效果。水質(zhì)監(jiān)測信息的集成主要通過信息收集、數(shù)據(jù)處理、平臺(tái)系統(tǒng)等部分同時(shí)完成相應(yīng)工作，監(jiān)測中心借助網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)發(fā)送指令，平臺(tái)系統(tǒng)快速處理信息，產(chǎn)生信息處理工作，在發(fā)送情況下激活網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)出對(duì)應(yīng)信息，這種方法不僅具有較強(qiáng)有效性，同時(shí)不會(huì)占據(jù)很多資源。

4.2 獲取水土保持生態(tài)建設(shè)基本監(jiān)測信息

研究水土保持生態(tài)建設(shè)監(jiān)測信息，其具體內(nèi)容包含數(shù)據(jù)種類、監(jiān)測對(duì)象位置數(shù)據(jù)和長度、面積數(shù)據(jù)等，主要是借助正射影像得到相應(yīng)數(shù)據(jù)。針對(duì)土地信息使用種類獲取方式，借助人工識(shí)別航片和規(guī)劃區(qū)域的方式完成數(shù)據(jù)獲取工作。1）針對(duì)具有獨(dú)特性地物，尤其是施工場地、植被等，需要人工對(duì)其作出有效診斷，或通過繪制矢量圖完成。2）主要針對(duì)監(jiān)測區(qū)域，在剛開始建設(shè)地表解釋圖標(biāo)過程中，利用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ柚喑叨确指畛上窦夹g(shù)，計(jì)算出監(jiān)測對(duì)象的形狀數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合，構(gòu)建成規(guī)則集，對(duì)土地信息采取處理和分類。3）在提取監(jiān)測對(duì)象的位置時(shí)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)并借助數(shù)字模型，直接獲取監(jiān)測對(duì)象指定位置信息。4）在獲取對(duì)象長度和面積過程中，利用土地應(yīng)用類型獲取相應(yīng)方法，通過人工區(qū)分方式，借助地被監(jiān)測對(duì)象長度進(jìn)行準(zhǔn)確測量，計(jì)算出相應(yīng)面積。

4.3 獲取處理原始航拍信息

針對(duì)航拍無人機(jī)安裝的全球定位系統(tǒng)、觀測單元、應(yīng)用水土保持生態(tài)建設(shè)監(jiān)測的獨(dú)特傳感器基礎(chǔ)上，航拍收集相關(guān)數(shù)據(jù)，從而獲取相應(yīng)信息。同時(shí)，嚴(yán)格按照監(jiān)測條件，在無人機(jī)上裝置實(shí)時(shí)信息傳送設(shè)備。很多不同設(shè)備安裝完成后，借助無人機(jī)航拍獲取實(shí)際圖像信息，通過無人機(jī)獲取影像信息，還能得到無人機(jī)拍攝數(shù)據(jù)量、分辨率、高度等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)實(shí)時(shí)記錄，為遙感影像提供良好幫助。

4.4 監(jiān)測水土流失

水土流失一直保持動(dòng)態(tài)性變化，相關(guān)人員需要結(jié)合實(shí)際情況應(yīng)用合理監(jiān)測方法，有助于遙感技術(shù)適用于預(yù)防水土流失。由于衛(wèi)星遙感影像和監(jiān)測功能不同，其兩者特點(diǎn)也存在明顯不同。借助氣象衛(wèi)星進(jìn)行大范圍地面監(jiān)測，對(duì)其時(shí)間提出高要求，以減少處理信息成本。同時(shí)，像元反映的數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)地區(qū)特點(diǎn)，大多數(shù)適用于范圍大、植被覆蓋茂密的地區(qū)。經(jīng)對(duì)比，衛(wèi)星資源自身具有很多優(yōu)勢，不僅可以獲取更多地表信息，還能延長應(yīng)用時(shí)間，獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。要想達(dá)到水土流失監(jiān)測需求，在水土保持監(jiān)測中可利用工程項(xiàng)目地區(qū)的遙感影像發(fā)揮重要作用，借助GPS 監(jiān)測項(xiàng)目位置的地形、氣候、土地使用等情況，將遙感影像和其他數(shù)據(jù)變化發(fā)揮實(shí)際作用，創(chuàng)建完整的水土流失數(shù)字模型和對(duì)應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)區(qū)域，結(jié)合監(jiān)測結(jié)果獲取相應(yīng)信息，為水土流失監(jiān)測信息的精確性奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提升，信息化技術(shù)快速發(fā)展，水土保持高質(zhì)量監(jiān)測的同時(shí)，沿著智能化方向邁進(jìn)。無人機(jī)遙感技術(shù)不僅能改善傳統(tǒng)監(jiān)測方法，還能提升項(xiàng)目監(jiān)測的準(zhǔn)確性和自動(dòng)化水平。根據(jù)實(shí)際情況，借助無人機(jī)遙感技術(shù)在規(guī)定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)信息采集工作，深層研究各方面監(jiān)測內(nèi)容，調(diào)整傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)，從根本上解決相關(guān)問題，為水土保持監(jiān)測領(lǐng)域的智能化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。