基于無人機(jī)技術(shù)的自然資源調(diào)查與監(jiān)測方法研究

唐小娟

（1. 廣西壯族自治區(qū)自然資源調(diào)查監(jiān)測院；2. 自然資源部北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)自然資源監(jiān)測評(píng)價(jià)工程技術(shù)創(chuàng)新中心）

1 自然資源調(diào)查概述

1.1 傳統(tǒng)自然資源調(diào)查與監(jiān)測方法的局限性

傳統(tǒng)自然資源調(diào)查與監(jiān)測方法在實(shí)踐中存在一定的局限性，依賴人工實(shí)地考察，勞動(dòng)強(qiáng)度大且耗時(shí)耗力，難以滿足大范圍、高效率地調(diào)查與監(jiān)測需求。人工觀測受到觀測者主觀因素的影響，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確和不客觀。傳統(tǒng)的自然資源調(diào)查與監(jiān)測方法在惡劣環(huán)境和地形條件下的操作難度較大，容易導(dǎo)致人員安全風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)時(shí)性方面也存在較大問題，因?yàn)閿?shù)據(jù)的收集、整理和處理過程較為煩瑣，難以滿足快速反應(yīng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測的需求。因而傳統(tǒng)自然資源調(diào)查與監(jiān)測方法在面臨多樣化和復(fù)雜化的自然資源管理需求時(shí)，難以適應(yīng)現(xiàn)代科技和社會(huì)發(fā)展的步伐，這也催生了基于無人機(jī)技術(shù)的自然資源調(diào)查與監(jiān)測方法的應(yīng)用和發(fā)展。

1.2 無人機(jī)技術(shù)在自然資源調(diào)查與監(jiān)測領(lǐng)域的潛力與優(yōu)勢

無人機(jī)技術(shù)在自然資源調(diào)查與監(jiān)測領(lǐng)域具有巨大的潛力與優(yōu)勢，無人機(jī)具有高度的靈活性和機(jī)動(dòng)性，能夠快速部署并在復(fù)雜地形和惡劣環(huán)境中進(jìn)行高效作業(yè)，大大提高了調(diào)查與監(jiān)測的效率。搭載的遙感傳感器可以提供高分辨率和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，使得對(duì)自然資源的觀測更加精確和細(xì)致，有助于更好地了解資源分布和動(dòng)態(tài)變化。此外，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和快速反應(yīng)，對(duì)于突發(fā)事件如森林火災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害等具有很好的應(yīng)對(duì)能力。相較于傳統(tǒng)的航空遙感和衛(wèi)星遙感，無人機(jī)的部署和運(yùn)行成本更低，有利于更廣泛地應(yīng)用。此外，無人機(jī)技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的結(jié)合，可以進(jìn)一步提高自然資源調(diào)查與監(jiān)測的智能化水平，降低人工誤差，提高數(shù)據(jù)處理和分析的效率。

2 無人機(jī)技術(shù)概述

2.1 無人機(jī)的定義與分類

無人機(jī)，又稱為無人駕駛航空器或者無人飛行器，是一種可以在無須載人駕駛的情況下進(jìn)行遠(yuǎn)程操控或自主飛行的航空器。無人機(jī)可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)、用途和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分類，包括固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)、垂直起降無人機(jī)等。固定翼無人機(jī)具有較長的航程和較高的飛行速度，適用于大范圍的調(diào)查和監(jiān)測任務(wù)；旋翼和多旋翼無人機(jī)具有較好的懸停和低速飛行能力，適用于精細(xì)化觀測和特定任務(wù)的執(zhí)行；垂直起降無人機(jī)則結(jié)合了固定翼和旋翼的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的飛行性能和適應(yīng)性。

2.2 無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程

無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程可追溯到20世紀(jì)初期，最初用于軍事目的，如作為飛行訓(xùn)練的靶機(jī)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)開始承擔(dān)偵察和監(jiān)視等任務(wù)。在20世紀(jì)末和21世紀(jì)初期，無人機(jī)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大，如實(shí)施打擊任務(wù)和提供戰(zhàn)場通信支持等。此外，民用無人機(jī)技術(shù)也取得了顯著進(jìn)展，開始涉足環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)、影視制作等領(lǐng)域。隨著無人機(jī)成本的降低和飛行控制系統(tǒng)的普及，無人機(jī)在民用市場的應(yīng)用更加廣泛，如快遞配送、救援與搜救、地產(chǎn)測繪等。近年來，無人機(jī)技術(shù)在遙感領(lǐng)域取得了重要突破，成為自然資源調(diào)查與監(jiān)測的關(guān)鍵工具[1]。同時(shí)，無人機(jī)技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的融合與創(chuàng)新，進(jìn)一步拓寬了無人機(jī)的應(yīng)用范圍。

3 基于無人機(jī)技術(shù)的自然資源調(diào)查方法

3.1 遙感圖像采集

基于無人機(jī)技術(shù)的自然資源調(diào)查方法之遙感圖像采集包括光學(xué)遙感、紅外遙感和雷達(dá)遙感等技術(shù)。其中，光學(xué)遙感主要通過捕捉可見光、近紅外和短波紅外等波段的反射光來獲取地表信息，如地形、地貌和植被覆蓋等。由于光學(xué)遙感圖像清晰且易于理解，在自然資源調(diào)查中得到廣泛應(yīng)用；紅外遙感則利用地表物體發(fā)射的紅外輻射進(jìn)行探測，可以獲取地表溫度、水分狀況等信息，對(duì)于植被健康狀況、水資源管理等方面的研究具有重要意義；雷達(dá)遙感是利用無人機(jī)搭載的雷達(dá)系統(tǒng)向地面發(fā)射微波信號(hào)，并接收地面物體反射的信號(hào)來獲取地表信息。

3.2 數(shù)字表面模型與數(shù)字高程模型的構(gòu)建

數(shù)字表面模型（DSM）和數(shù)字高程模型（DEM）是無人機(jī)遙感技術(shù)在地形分析和地貌研究中的兩個(gè)重要產(chǎn)品。DSM是一種描述地表物體高程信息的數(shù)據(jù)模型，包括地面、植被、建筑物等所有地表要素的高程信息。而DEM則是一種僅表示地面高程的數(shù)據(jù)模型，剔除了非地面要素的影響。無人機(jī)搭載的高精度遙感傳感器，如激光雷達(dá)和攝影測量相機(jī)，可以在飛行過程中快速獲取大量高分辨率地形數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、配準(zhǔn)和校正等操作，可以構(gòu)建高精度的DSM和DEM。這兩種模型在自然資源調(diào)查中具有廣泛的應(yīng)用，如地貌特征提取、洪水模擬、土壤侵蝕分析、植被生長監(jiān)測等。通過對(duì)DSM和DEM的分析，研究者可以更加直觀地了解地形地貌特征，為自然資源保護(hù)和管理提供重要依據(jù)。

3.3 植被覆蓋與生物多樣性調(diào)查

無人機(jī)搭載的高分辨率光學(xué)遙感和多光譜傳感器可以有效捕捉植被覆蓋、類型和健康狀況等信息。通過對(duì)遙感圖像進(jìn)行處理和分析，研究者可以快速獲取植被覆蓋范圍、生長狀況、生物量等參數(shù)，為植被資源管理和生態(tài)保護(hù)提供依據(jù)。同時(shí)，無人機(jī)技術(shù)還可以輔助進(jìn)行生物多樣性調(diào)查，如通過航拍圖像捕捉野生動(dòng)物活動(dòng)，對(duì)鳥類、哺乳類和昆蟲等生物群落進(jìn)行定量和定性分析。借助無人機(jī)技術(shù)，植被覆蓋與生物多樣性調(diào)查可以在更大范圍、更短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，降低了人力和物力消耗。此外，無人機(jī)在懸停和低速飛行能力方面的優(yōu)勢，使其在復(fù)雜地形和密閉植被環(huán)境中的操作更加便捷。

3.4 地表水資源與土壤類型調(diào)查

利用無人機(jī)搭載的高分辨率光學(xué)遙感、多光譜傳感器和紅外傳感器，可以獲取地表水體的分布、水質(zhì)狀況以及水文動(dòng)態(tài)等信息。這些數(shù)據(jù)對(duì)于水資源的評(píng)估、保護(hù)和管理具有重要意義，有助于優(yōu)化水資源利用和保障水生態(tài)安全。此外，無人機(jī)技術(shù)還可以用于土壤類型調(diào)查，通過分析多光譜遙感圖像中的光譜特征，可以識(shí)別不同類型的土壤和地表覆蓋物，從而對(duì)土壤資源評(píng)估、土壤侵蝕監(jiān)測和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的地面調(diào)查相比，無人機(jī)技術(shù)在地表水資源與土壤類型調(diào)查中具有更高的效率、更大的空間覆蓋范圍和更低的成本，同時(shí)可以避免人為干擾和誤差。

4 基于無人機(jī)技術(shù)的自然資源監(jiān)測方法

4.1 森林火災(zāi)監(jiān)測與撲救

無人機(jī)搭載的高分辨率光學(xué)遙感、紅外傳感器和熱成像相機(jī)等設(shè)備可以實(shí)時(shí)捕捉森林火情的發(fā)展與變化。通過對(duì)遙感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，可以快速、準(zhǔn)確地定位火源，為火場指揮部提供第一手信息，有助于制定有效的撲救策略。同時(shí)，無人機(jī)具有較強(qiáng)的懸停和低空飛行能力，可以在復(fù)雜地形和低能見度條件下進(jìn)行火情監(jiān)測，有效降低火災(zāi)對(duì)人員和設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，還可以通過搭載撲火裝置，如投放滅火彈、噴灑滅火劑等，直接參與火災(zāi)撲救工作，提高撲救效率，對(duì)于防止森林火災(zāi)擴(kuò)大、保護(hù)自然資源和生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

4.2 植被生長與健康狀況監(jiān)測

植被生長與健康狀況監(jiān)測是自然資源調(diào)查與監(jiān)測工作的核心內(nèi)容之一，而無人機(jī)技術(shù)為這一領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。通過無人機(jī)搭載的高分辨率光學(xué)遙感、多光譜傳感器和紅外傳感器等設(shè)備，可以實(shí)時(shí)捕捉植被的生長狀況、覆蓋范圍以及生物量等信息[2]。利用多光譜遙感數(shù)據(jù)，研究者可以計(jì)算植被指數(shù)，如歸一化差值植被指數(shù)等，從而評(píng)估植被的生長和健康狀況，用于監(jiān)測植被生長周期、評(píng)估植被生產(chǎn)力、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面具有重要意義。與傳統(tǒng)的地面觀測相比，無人機(jī)技術(shù)在植被生長與健康狀況監(jiān)測中具有更高的空間分辨率、更大的覆蓋范圍和更快的數(shù)據(jù)更新速度。此外，無人機(jī)在復(fù)雜地形和密閉植被環(huán)境中具有更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和操作便捷性，可以有效降低監(jiān)測成本和人力投入。

4.3 野生動(dòng)物種群數(shù)量與分布監(jiān)測

通過搭載高分辨率光學(xué)遙感設(shè)備和紅外傳感器，可以在較大范圍內(nèi)捕捉野生動(dòng)物的活動(dòng)軌跡和種群分布情況。實(shí)時(shí)遙感圖像的分析有助于快速評(píng)估動(dòng)物種群數(shù)量、密度以及棲息地利用等指標(biāo)，為野生動(dòng)物保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)工作提供科學(xué)依據(jù)。相較于傳統(tǒng)的地面調(diào)查方法，無人機(jī)技術(shù)在野生動(dòng)物種群數(shù)量與分布監(jiān)測中具有諸多優(yōu)勢。無人機(jī)可以在廣泛的地理范圍內(nèi)進(jìn)行高效、精確地觀測，降低了人力和物力消耗。無人機(jī)在低空飛行和懸停方面具備優(yōu)良性能，能夠在復(fù)雜地形和低能見度條件下開展監(jiān)測工作，避免人為干擾和影響野生動(dòng)物的正常生活。

4.4 地質(zhì)災(zāi)害與土壤侵蝕監(jiān)測

無人機(jī)搭載高分辨率光學(xué)遙感、紅外傳感器和雷達(dá)遙感設(shè)備，可以全面、細(xì)致地捕捉地表形態(tài)變化、裸露土地面積和地質(zhì)構(gòu)造信息。通過對(duì)遙感數(shù)據(jù)的處理與分析，可以實(shí)時(shí)評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、監(jiān)測滑坡、泥石流等災(zāi)害發(fā)展動(dòng)態(tài)，為防災(zāi)減災(zāi)決策提供重要依據(jù)。同時(shí)，無人機(jī)技術(shù)還可以有效監(jiān)測土壤侵蝕過程，評(píng)估侵蝕程度和速率，為生態(tài)修復(fù)和土地資源保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。相對(duì)于傳統(tǒng)的地面調(diào)查方法，無人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害與土壤侵蝕監(jiān)測方面具有顯著優(yōu)勢，可在更廣泛的范圍內(nèi)進(jìn)行高效、精確的觀測，降低人力和物力消耗，在復(fù)雜地形和低能見度條件下具有出色的懸停和低空飛行能力，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和連續(xù)性。

4.5 水資源質(zhì)量監(jiān)測

無人機(jī)可以在較大范圍內(nèi)實(shí)時(shí)捕捉水體的水質(zhì)狀況、水體分布和污染源等信息，利用遙感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，研究者可以迅速評(píng)估水體的污染程度、識(shí)別污染物類型，從而為水資源保護(hù)和污染治理工作提供重要依據(jù)。相較于傳統(tǒng)的地面水質(zhì)采樣和實(shí)驗(yàn)室分析方法，無人機(jī)可以在廣泛的地理范圍內(nèi)進(jìn)行高效、精確的觀測，降低了人力和物力消耗，在低空飛行和懸停方面具備優(yōu)良性能，能夠在復(fù)雜地形和低能見度條件下進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，以避免人為干擾和誤差，提高水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 結(jié)語

無人機(jī)技術(shù)在自然資源調(diào)查與監(jiān)測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，為各類自然資源的調(diào)查、監(jiān)測和保護(hù)提供有效手段。與傳統(tǒng)方法相比，無人機(jī)技術(shù)在空間分辨率、覆蓋范圍、數(shù)據(jù)更新速度以及安全性等方面具有顯著優(yōu)勢。然而，無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用仍面臨一定的技術(shù)挑戰(zhàn)和政策制約，要在技術(shù)研發(fā)、數(shù)據(jù)處理與分析、監(jiān)管政策等方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究和完善。無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將為自然資源調(diào)查與監(jiān)測領(lǐng)域帶來革新性的變革，助力實(shí)現(xiàn)自然資源的可持續(xù)管理與利用。