基于GIS的微型無(wú)人機(jī)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)理中的應(yīng)用

李冠達(dá)，冼憲恒，霍志軒

（廣州市璞境生態(tài)保護(hù)技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510730）

微型無(wú)人機(jī)遙感信息獲取系統(tǒng)是以微型無(wú)人駕駛飛機(jī)為飛行平臺(tái)，通過(guò)機(jī)載高分辨率的遙感傳感器設(shè)備，以實(shí)時(shí)快速獲取高分辨率遙感數(shù)據(jù)的遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。它可高效智能獲取區(qū)域地形分布、農(nóng)作物分布情況等空間信息。與有人駕駛飛機(jī)相比，無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：一是體積小，具有較高的機(jī)動(dòng)性；二是便捷性，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性；三是造價(jià)低，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)日漸成熟，被廣泛用于通信、氣象、農(nóng)林、海洋、勘探、攝影、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域。在國(guó)外，Barnard Microsystems Limited[2]公司運(yùn)用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)海洋溢油、海洋表面溫度、冰的厚度、海浪高度；Jarrod C.Hodgson[3]等人使用UAS對(duì)野生動(dòng)植物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在國(guó)內(nèi)，陳昕[4]等人則將無(wú)人機(jī)用于測(cè)繪勘測(cè)；孫剛[5]等人利用無(wú)人飛機(jī)平臺(tái)獲取大氣污染成分NO2等的二維時(shí)空分布。然而，目前將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)理工作中的相關(guān)案例鮮有報(bào)道。

污染場(chǎng)地修復(fù)工程的環(huán)境監(jiān)理是監(jiān)理單位受建設(shè)單位的委托，依據(jù)有關(guān)環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)、場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查評(píng)估備案文件、場(chǎng)地修復(fù)方案?jìng)浒肝募?、環(huán)境監(jiān)理合同等，對(duì)場(chǎng)地修復(fù)過(guò)程實(shí)施專(zhuān)業(yè)化的環(huán)境保護(hù)咨詢(xún)和技術(shù)服務(wù)，協(xié)助和指導(dǎo)建設(shè)單位全面落實(shí)場(chǎng)地修復(fù)過(guò)程中的各項(xiàng)環(huán)保措施，以實(shí)現(xiàn)修復(fù)過(guò)程中對(duì)環(huán)境最低程度的破壞、最大限度的保護(hù)[6]。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)理工作方式受到場(chǎng)地的規(guī)模、場(chǎng)地的地形、監(jiān)理工作者的經(jīng)驗(yàn)技能等方面的影響，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)修復(fù)場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)的違規(guī)現(xiàn)象及不確定因素，無(wú)法滿(mǎn)足修復(fù)場(chǎng)地環(huán)境監(jiān)理工作的要求?；诖朔N情況，結(jié)合無(wú)人機(jī)技術(shù)環(huán)境監(jiān)理，創(chuàng)新工作方式是非常必要的，它能幫助監(jiān)理人員能夠更好地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行把控。

1 案例分析

本文以珠三角地區(qū)某大型污染場(chǎng)地土壤修復(fù)過(guò)程中的環(huán)境監(jiān)理為例，分析在該大型場(chǎng)地環(huán)境監(jiān)理中GIS及無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)。

1.1 案例概況

本案例污染場(chǎng)地的修復(fù)主體為土壤，污染物主要為有機(jī)物，面積約30 hm2，用地性質(zhì)由工業(yè)用地?cái)M調(diào)整為住宅用地。本案例使用的無(wú)人機(jī)型號(hào)為大疆Phantom 4 Pro，由飛行器本體、螺旋槳、電池、云臺(tái)、相機(jī)、視覺(jué)系統(tǒng)、紅外感知系統(tǒng)、實(shí)時(shí)圖傳系統(tǒng)及遙控器等主要部分組成，此外還有云臺(tái)可穩(wěn)定系統(tǒng)，控制鏡頭拍攝等；視覺(jué)系統(tǒng)及紅外感知系統(tǒng)可測(cè)量飛行高度、速度等數(shù)據(jù)，感知障礙物。

1.2 監(jiān)理內(nèi)容

1.2.1 監(jiān)理內(nèi)容

環(huán)境監(jiān)理工作主要包括核查、巡視、旁站、環(huán)境監(jiān)理會(huì)議、環(huán)境監(jiān)測(cè)、記錄、文件通知管理、跟蹤檢查落實(shí)情況、及編制相關(guān)報(bào)告等環(huán)節(jié)[7]。

監(jiān)理內(nèi)容按照階段可分為：施工準(zhǔn)備階段、施工階段和竣工效果評(píng)估階段的環(huán)境監(jiān)理；按照環(huán)境要素可分為水環(huán)境、大氣環(huán)境、固體廢物、聲環(huán)境的監(jiān)理，以環(huán)境要素為例說(shuō)明本案例監(jiān)理重點(diǎn)，具體內(nèi)容詳見(jiàn)表1。

表1 本案例環(huán)境監(jiān)理內(nèi)容概況表

1.2.2 無(wú)人機(jī)的應(yīng)用

本案例結(jié)合環(huán)境監(jiān)理工作對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

（1）獲取即時(shí)遙感影像

通過(guò)DJI GO 4軟件控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行非特定的簡(jiǎn)單路線(xiàn)巡航，來(lái)拍攝所需的相片或視頻，無(wú)人機(jī)的飛行高度、速度、距離、鏡頭角度，均可根據(jù)項(xiàng)目需求靈活控制；

（2）施工準(zhǔn)備階段結(jié)合無(wú)人機(jī)技術(shù)做現(xiàn)場(chǎng)踏勘工作，了解場(chǎng)地周邊的局部情況及獲取場(chǎng)地整體遙感影像，相比于網(wǎng)上獲取的衛(wèi)星遙感影像，無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)遙感影像具有最新的時(shí)效性，更精準(zhǔn)的范圍及分辨率；

（3）環(huán)境監(jiān)理工作中需定期或不定期對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行巡視，本案例應(yīng)用無(wú)人機(jī)巡視獲取即時(shí)傳輸?shù)倪b感畫(huà)面對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行空中巡視，掌握?qǐng)龅氐氖┕で闆r及環(huán)保措施的落實(shí)情況，如，可根據(jù)實(shí)時(shí)畫(huà)面中熱修復(fù)廢氣處理設(shè)施的排氣情況，判斷設(shè)施落實(shí)情況，了解挖掘機(jī)、土方運(yùn)輸車(chē)的工作情況，掌握開(kāi)挖區(qū)域、運(yùn)輸路徑、回填區(qū)域及暫存區(qū)域等，必要時(shí)可錄像留存影像資料作為依據(jù)。

1.2.3 結(jié)合GIS制作系列的時(shí)間跨度影像

通過(guò)DJI GS PRO軟件控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行特定路線(xiàn)巡航獲取遙感影像，并利用圖像拼接軟件進(jìn)行合成。在任務(wù)模式下無(wú)人機(jī)可按照既定的高度、速度、距離、鏡頭角度等要素執(zhí)行任務(wù)，本案例中場(chǎng)地的面積約30 hm2，按照本案例的相關(guān)任務(wù)參數(shù)，任務(wù)飛行速度為9 m/s，10 min內(nèi)可完成遙感影像的獲取，全場(chǎng)地的影像數(shù)量約在70～90組之間，30 min左右可完成拼接。

（1）本案例利用無(wú)人機(jī)在任務(wù)模式下定期獲取同一區(qū)域范圍的實(shí)時(shí)影像，形成一系列的時(shí)間跨度正射影像，比對(duì)施工的進(jìn)度，以便進(jìn)行后續(xù)工作，詳見(jiàn)圖1的①。

（2）將獲取的高精度正射影像用作為底圖，結(jié)合GIS制圖軟件技術(shù)，通過(guò)疊加精確的施工邊界線(xiàn)等制圖工作，對(duì)實(shí)時(shí)施工情況與施工方案進(jìn)行驗(yàn)證，詳見(jiàn)圖1的②。

圖1 系列時(shí)間跨度正射影像對(duì)比施工進(jìn)度及施工邊界示意圖

（3）利用無(wú)人機(jī)的“傾斜攝影”模式，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行拍攝后合成影像，建立數(shù)字表面模型分析所攝目標(biāo)的高度、坡度、體積等相關(guān)數(shù)據(jù)，核實(shí)修復(fù)土方量是否滿(mǎn)足施工方案的要求。

1.3 本案例的優(yōu)勢(shì)

本案例在大型土壤修復(fù)工程環(huán)境監(jiān)理中，結(jié)合了無(wú)人機(jī)技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)理方式存在優(yōu)勢(shì)，主要包括以下三個(gè)方面。

1.3.1 提高監(jiān)理工作的效率

監(jiān)理單位需派遣監(jiān)理員駐守場(chǎng)地并進(jìn)行定期的巡視，而現(xiàn)場(chǎng)巡視的速度慢，一旦現(xiàn)場(chǎng)有突發(fā)情況，存在監(jiān)理員還未到現(xiàn)場(chǎng)，問(wèn)題無(wú)法及時(shí)記錄的情況；對(duì)于場(chǎng)地較大的突發(fā)情況，還需派遣多位監(jiān)理員，需要消耗更多的人力，且工作量較大。

運(yùn)用無(wú)人機(jī)可以快速、準(zhǔn)確、有效地對(duì)場(chǎng)地的環(huán)境保護(hù)措施落實(shí)情況進(jìn)行巡視并核查，減少時(shí)間、人力、物力的消耗，及時(shí)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地存在的環(huán)境隱患，做出應(yīng)對(duì)并進(jìn)行記錄；還可按特定的時(shí)間跨度，用一張正射影像圖記錄場(chǎng)地的基本情況，方便監(jiān)理影像資料的整理及匯總，從而減輕監(jiān)理工作的負(fù)擔(dān)，提高監(jiān)理工作的效率。

1.3.2 提高監(jiān)理工作的全面性

環(huán)境監(jiān)理場(chǎng)地較大時(shí)，只憑人力現(xiàn)場(chǎng)巡查，難免會(huì)有容易遺漏的地方，而且由于場(chǎng)地的地質(zhì)地形及天氣因素，場(chǎng)地中經(jīng)常存在人力不可到達(dá)的地方，并且存在一定安全問(wèn)題；修復(fù)后棄土在場(chǎng)地內(nèi)倒運(yùn)及外運(yùn)時(shí)，人力無(wú)法及時(shí)全程跟進(jìn)運(yùn)輸車(chē)輛的運(yùn)輸路線(xiàn)，難以全面驗(yàn)證運(yùn)輸路徑是否按方案落實(shí)，運(yùn)輸過(guò)程是否合理等情況。運(yùn)用無(wú)人機(jī)技術(shù)以空中巡視的寬廣視角，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行全面的把控，直觀的了解場(chǎng)地某時(shí)間段內(nèi)的細(xì)節(jié)變化，實(shí)時(shí)把握施工進(jìn)度，例如運(yùn)輸車(chē)的路徑可以采用無(wú)人機(jī)連拍或者錄像的方式留存記錄，提高監(jiān)理工作的全面性。

1.4 強(qiáng)化參建單位間的溝通

本案例中參建單位涉及了建設(shè)單位、工程監(jiān)理單位、修復(fù)單位、土方單位以及環(huán)境監(jiān)理單位等，各單位之間存在通知延遲及有傳達(dá)誤差的情況，根據(jù)系列時(shí)間跨度正射影像圖，可及時(shí)直觀了解到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)情況，通過(guò)實(shí)時(shí)影像與通知信息進(jìn)行雙向驗(yàn)證，若存在問(wèn)題可及時(shí)向修復(fù)單位求證。

開(kāi)監(jiān)理例會(huì)時(shí)可利用場(chǎng)地正射影像圖，明確各相關(guān)方的工作范圍，并借助圖件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題提出建議，便于各參建單位的理解，從而加強(qiáng)各相關(guān)方間的溝通。

1.5 不足及建議

本案例中也存在著一些問(wèn)題和不足，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)主要有兩個(gè)方面。

1.5.1 現(xiàn)場(chǎng)巡視依然必要

本案例中雖然運(yùn)用了無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)理，但仍需進(jìn)行人工現(xiàn)場(chǎng)巡視。因?yàn)楸景咐臒o(wú)人機(jī)巡視只能共享視覺(jué)數(shù)據(jù)，而監(jiān)理現(xiàn)場(chǎng)的部分工作還需結(jié)合嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感覺(jué)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行判斷，例如監(jiān)理工作過(guò)程中監(jiān)督施工過(guò)程中廢氣的逸散情況，需人工現(xiàn)場(chǎng)巡視查找廢氣的逸散源，通知修復(fù)單位進(jìn)行修復(fù)。監(jiān)理過(guò)程中可結(jié)合無(wú)人機(jī)和人工區(qū)分需求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡視，按照一定的比例減少現(xiàn)場(chǎng)巡視的次數(shù)。

無(wú)人機(jī)技術(shù)暫無(wú)法勝任關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)旁站工作，一是旁站工作時(shí)間一般較長(zhǎng)，無(wú)人機(jī)續(xù)航有限；二是旁站過(guò)程有采樣等精細(xì)工作，需近距離拍攝更高精度的影像，無(wú)人機(jī)近距離飛行存在安全隱患；三是部分旁站需進(jìn)行錄像，無(wú)人機(jī)高清錄像內(nèi)存過(guò)大，不適于工期較長(zhǎng)監(jiān)理項(xiàng)目的影像資料管理。因此，結(jié)合無(wú)人機(jī)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)理工作，有必要進(jìn)行一定頻率的人工現(xiàn)場(chǎng)巡視。

1.5.2 影像數(shù)據(jù)的獲取需具備一定的條件

若場(chǎng)地?fù)P塵過(guò)大、天氣不好（如霧霾天）時(shí)，無(wú)人機(jī)的影像獲取存在困難，影像數(shù)據(jù)不精確；部分監(jiān)理項(xiàng)目需記錄夜間的施工情況，而本案例中，無(wú)人機(jī)無(wú)法獲取夜間的監(jiān)理影像數(shù)據(jù)，原因一是夜間能見(jiàn)度低，無(wú)人機(jī)飛行存在隱患；二是由于夜間光線(xiàn)不足和技術(shù)的差別因素影響，夜間獲取的影像精確度低。軟件拼接正射影像中的建筑物，因?yàn)槭艿斤L(fēng)載荷、地面沉降、軟硬件等因素的影響導(dǎo)致細(xì)微的變形，以及海拔過(guò)高的建筑物甚至發(fā)生扭曲等，都有待提升。

2 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)理工作方式較為耗時(shí)，難以做到全面監(jiān)督，因此，結(jié)合無(wú)人機(jī)技術(shù)創(chuàng)新環(huán)境監(jiān)理將成為必然的趨勢(shì)。當(dāng)然，無(wú)人機(jī)環(huán)境監(jiān)理也需根據(jù)項(xiàng)目的成本、特點(diǎn)、場(chǎng)地的狀況，以及污染來(lái)源考慮是否適合該項(xiàng)目，應(yīng)選擇什么樣的形式結(jié)合等，這都需更多的實(shí)例來(lái)驗(yàn)證。本案例的問(wèn)題與不足，相信在不久的將來(lái)，能夠通過(guò)更成熟的技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行解決，例如對(duì)于農(nóng)情監(jiān)測(cè)或涉及植物的環(huán)境監(jiān)測(cè)，可運(yùn)用大疆Phantom 4多光譜版等，結(jié)合多光譜技術(shù)的無(wú)人機(jī)精確采集多光譜數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多維度的數(shù)據(jù)分析；對(duì)大型修復(fù)場(chǎng)地?fù)P塵的控制，運(yùn)用大疆MG-1P大范圍實(shí)時(shí)灑水降揚(yáng)塵；對(duì)修復(fù)場(chǎng)地氣味源的監(jiān)測(cè)，可運(yùn)用無(wú)人機(jī)搭載微型光電離子化檢測(cè)器快速檢測(cè)VOCs，記錄并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)；對(duì)火災(zāi)災(zāi)情的監(jiān)測(cè)，可運(yùn)用大疆的禪思XT熱成像相機(jī)，結(jié)合紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行探測(cè)救援等都是比較好的方案。