無(wú)人機(jī)遙感在水環(huán)境生態(tài)恢復(fù)的應(yīng)用探析

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搞 要 目前，對(duì)于水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要靠人工采集、船只搜集。在實(shí)際操作過程當(dāng)中會(huì)造成數(shù)據(jù)搜集上的一些誤差，另一方面，船只會(huì)排出廢氣和污染物。而高分辨率、高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展，突破了傳統(tǒng)方式的水環(huán)境監(jiān)測(cè)手段，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的誕生，滿足了現(xiàn)階段精細(xì)化和動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)需要，在對(duì)生態(tài)恢復(fù)的監(jiān)測(cè)上發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 無(wú)人機(jī)水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測(cè)與恢復(fù)

1.1 水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測(cè)存在問題

近年來，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展導(dǎo)致環(huán)境更加惡化，很多地區(qū)環(huán)境生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞，加之缺乏必要的信息化管理手段，也給環(huán)境監(jiān)測(cè)帶來較大影響。依靠傳統(tǒng)遙感方式的環(huán)境監(jiān)測(cè)手段無(wú)法滿足現(xiàn)階段精細(xì)化和動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)需要，能夠解決上述問題的關(guān)鍵措施的無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)因此應(yīng)運(yùn)而生。

水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測(cè)，主要是利用水體高分辨率影像、光譜效應(yīng)、熱紅外等進(jìn)行差異化，從遙感影像的色調(diào)、灰度、結(jié)構(gòu)、紋理、光譜曲線、溫度特征等方面進(jìn)行識(shí)別。傳統(tǒng)遙感監(jiān)測(cè)存在高分?jǐn)?shù)據(jù)成像周期較長(zhǎng)、易受天氣因素影響等問題，對(duì)于治理效果的監(jiān)管存在一定滯后性。而水域因?yàn)橛辛魉?，屬于易變的監(jiān)測(cè)物，對(duì)監(jiān)測(cè)時(shí)效性要求也較高。

1.2 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)遙感作為一種低空遙感，需要多項(xiàng)技術(shù)協(xié)調(diào)配合工作，通過搭建無(wú)人機(jī)飛行器作為遙感平臺(tái)，掛載紅外光、可見光相機(jī)等設(shè)備作為任務(wù)載荷，依托遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)作為成果輸出端口，實(shí)現(xiàn)一整套連續(xù)的遙感過程。優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

第一，運(yùn)行維護(hù)成本低。與衛(wèi)星和有人機(jī)等其他遙感方式相比，無(wú)人機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)成本相對(duì)較低，工作人員運(yùn)用地面站程序即可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程遙控，并通過無(wú)人機(jī)搭載的任務(wù)載荷完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的作業(yè)操作，節(jié)約人力勞動(dòng)和時(shí)間成本。

第二，安全性高。無(wú)人機(jī)可在天氣環(huán)境較惡劣的河湖實(shí)施作業(yè)來進(jìn)行采集數(shù)據(jù)。尤其是在山洪災(zāi)害中期和后期對(duì)河流水面的監(jiān)測(cè)，無(wú)人機(jī)可代替人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，造成不必要的人員傷亡，保證人身安全。

第三，實(shí)時(shí)性好。無(wú)人機(jī)通過測(cè)控與信息傳輸系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)傳輸航拍影像，靈活度高，適用于河湖水環(huán)境的日常監(jiān)測(cè)，為河湖的生態(tài)監(jiān)測(cè)與恢復(fù)制定工作方案提供有力依據(jù)。

第四，精度高。無(wú)人機(jī)飛行高度通常為50～1000m，滿足航空攝影中的近景測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，精度較衛(wèi)星遙感有大幅度的提升，測(cè)量精度為亞米級(jí)，其范圍為0.1～0.5m。

第五，云層條件影響小。無(wú)人機(jī)遙感通過控制飛行高度，可以有效地避免云層對(duì)航拍效果的影響，同時(shí)，掛載的數(shù)碼相機(jī)可以調(diào)節(jié)光圈、快門和感光度，并運(yùn)用相關(guān)軟件對(duì)顏色、反差、亮度進(jìn)行調(diào)整和消霧處理。隨著研發(fā)技術(shù)的不斷深入，無(wú)人機(jī)的抗風(fēng)抗雨性得到很大程度的提升，可以滿足在惡劣天氣環(huán)境下執(zhí)行飛行任務(wù)。

1.3 遙感載荷

無(wú)人機(jī)執(zhí)行遙感測(cè)量任務(wù)時(shí)，還需要搭載傳感器載荷，有些無(wú)人機(jī)可攜帶多種載荷。根據(jù)不同的任務(wù)，有不同的載荷可以選擇，可選擇的載荷種類包括光電攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)、激光雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)、高光譜傳感器等。

在水資源生態(tài)監(jiān)測(cè)與恢復(fù)領(lǐng)域，使用視場(chǎng)較寬的傳感器，可以一次拍攝范圍更大的相片或影像，對(duì)于湖泊這種面積較廣的地物，拍攝一幅面積較大的圖像，能尋找更多的同名點(diǎn)，以便于后期圖像的拼接工作。

紅外傳感器也稱為前視紅外傳感器，利用紅外或熱輻射成像，紅外載荷在水資源生態(tài)監(jiān)測(cè)與恢復(fù)領(lǐng)域可用于水體溫度變化的監(jiān)測(cè)。

人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)集激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)、（GPS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（IMU）等技術(shù)于一體，是一種主動(dòng)式航空遙感設(shè)備。激光雷達(dá)傳感器可以直接以點(diǎn)云的形式獲得三維信息，通過測(cè)量從物體發(fā)出的激光脈沖和返回的激光脈沖之間的時(shí)間幀來測(cè)量到物體的距離，結(jié)果生成3D點(diǎn)云。目前，無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)載荷主要有微型激光雷達(dá)、多脈沖激光雷達(dá)、全波形激光雷達(dá)、多光譜激光雷達(dá)、凝視成像激光雷達(dá)、多源傳感器融合激光雷達(dá)等。

高光譜數(shù)據(jù)依據(jù)地物的光譜曲線，可以對(duì)某些具有特殊光譜吸收特征的物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，進(jìn)而進(jìn)行精準(zhǔn)的目標(biāo)物類型區(qū)分。無(wú)人機(jī)高光譜預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)展成為研究大時(shí)空尺度水域富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的重點(diǎn)和方向，利用無(wú)人機(jī)搭載高光譜傳感器，對(duì)水體水質(zhì)情況監(jiān)測(cè)。

合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種高分辨率成像雷達(dá)，可在能見度極低的氣象條件下得到類似光學(xué)照相的高分辨雷達(dá)圖像，其特點(diǎn)是分辨率高，能全天候工作，能有效地識(shí)別偽裝和穿透掩蓋物。對(duì)于一些需要高頻監(jiān)測(cè)的水環(huán)境生態(tài)，利用SAR可以忽略天氣原因?qū)z測(cè)工作的限制，但是在水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測(cè)于恢復(fù)領(lǐng)域，利用無(wú)人機(jī)搭載SAR傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集還很少[1]。

2 無(wú)人機(jī)遙感在水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測(cè)與恢復(fù)中的應(yīng)用

2.1 水土保持

無(wú)人機(jī)在水土保持方面主要通過搭載多光譜成像儀等設(shè)備，獲取多光譜圖像的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，從宏觀角度來進(jìn)行水環(huán)境狀況的監(jiān)測(cè)。對(duì)于水域面積比較小、污染類型比較復(fù)雜、精度要求比較高的內(nèi)陸水體，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)還無(wú)法達(dá)到監(jiān)測(cè)要求。

我國(guó)的無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)首次應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的是遼寧省，其通過無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)遼河治理情況進(jìn)行航拍和監(jiān)測(cè)，得到分辨率為0.1m的實(shí)景圖像數(shù)據(jù)，通過對(duì)圖像進(jìn)行評(píng)估來掌握遼河治理的實(shí)際情況，應(yīng)用于物種豐富程度、河流邊坡、栽種植被以及植株成活情況等方面。

（1）對(duì)地形復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行監(jiān)管。如一些高山、地形復(fù)雜的地區(qū)，既是水土保持工作的重點(diǎn)也是難點(diǎn)所在。而且很多地方瀕臨懸崖，難以靠近。而無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)不受地形影響，能對(duì)艱難險(xiǎn)要的部位進(jìn)行全面監(jiān)管，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除水土流失隱患。

（2）對(duì)實(shí)施水土保持措施地區(qū)定量監(jiān)測(cè)監(jiān)管。傳統(tǒng)的建設(shè)生產(chǎn)中水土保持檢查方式，大都以定性的方式檢查水土保持措施是否落實(shí)到位，而隨著監(jiān)測(cè)與監(jiān)管要求的提高，對(duì)定量的判斷更加需要。利用無(wú)人機(jī)可獲取原始影像數(shù)據(jù)，經(jīng)專業(yè)軟件處理后，生成滿足工作要求得DEM、DOM等數(shù)據(jù)，分析水土保持措施位置和數(shù)量；通過三維場(chǎng)景建模，獲取原始地形數(shù)據(jù)，計(jì)算土石方量，將不同時(shí)間的無(wú)人機(jī)影像疊加，可分析面積的變化情況。

（3）對(duì)長(zhǎng)線型項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)巡查。傳統(tǒng)采用抽點(diǎn)檢查的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是抽取的點(diǎn)不能體現(xiàn)整體的情況，不能完全徹底的體現(xiàn)監(jiān)測(cè)效果。而利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)開展監(jiān)測(cè)與監(jiān)管工作，可以由監(jiān)測(cè)人員自主規(guī)劃飛行路線，設(shè)定無(wú)人機(jī)自動(dòng)沿河流范圍進(jìn)行攝影攝像，不僅可以全面了解整條線路的具體情況，還能實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并計(jì)劃與施下一步工作，有助于監(jiān)測(cè)人員快速、全面的了解水土保持工作情況。

2.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)體系主要以定時(shí)定點(diǎn)的地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為主，衛(wèi)星遙感技術(shù)為輔。與傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感相比，無(wú)人機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行快速航拍、巡查，通過大范圍、全面地搜集信息，實(shí)時(shí)傳遞現(xiàn)場(chǎng)信息，監(jiān)視險(xiǎn)情發(fā)展，進(jìn)而提供水利資源調(diào)查數(shù)據(jù)，水文情況調(diào)查，無(wú)人機(jī)反演方法已經(jīng)逐漸成為內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)估的重要技術(shù)手段。目前，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)主要針對(duì)水質(zhì)的富營(yíng)養(yǎng)化、透明度、排污孔污染狀況等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)地表水環(huán)境狀況進(jìn)行直觀監(jiān)測(cè)[2]。

3 應(yīng)用展望

無(wú)人機(jī)作為一種新型的遙感平臺(tái)將得到廣泛應(yīng)用，為水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測(cè)與恢復(fù)提供了新的技術(shù)方法，多載荷無(wú)人機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用極大地?cái)U(kuò)展了水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測(cè)與恢復(fù)的深度和廣度，為實(shí)現(xiàn)精水資源監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。但是一些方法和理論尚未成熟，因此為提高無(wú)人機(jī)水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測(cè)與保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用能力，可以就這幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化改良：

（1）規(guī)范化。隨著無(wú)人機(jī)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，急需對(duì)無(wú)人機(jī)或者無(wú)人機(jī)機(jī)群進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋O(jiān)管，保證在作業(yè)過程中具有良好的協(xié)同性和高效性。

（2）集成化。受載荷及空間限制，無(wú)人機(jī)無(wú)法搭載一些高質(zhì)量的分析儀、專用監(jiān)測(cè)儀器和自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)等高精尖設(shè)備，因此需要在現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備基礎(chǔ)上，減小重量體積，增大功能密度，研發(fā)可擴(kuò)展性、高強(qiáng)度性。

（3）智能化。在保證無(wú)人機(jī)飛行安全的同時(shí)，研發(fā)無(wú)人機(jī)智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)或無(wú)人機(jī)機(jī)群自主起降、躲避障礙物，智能跟蹤等能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、智能化的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)，大大節(jié)省人力、物力和時(shí)間。在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，對(duì)大面積水域的智能識(shí)別以及地形相對(duì)高度的把控將會(huì)更利于航線規(guī)劃，這樣更加智能化、安全化和簡(jiǎn)單化的操作將會(huì)成為主流。

（4）高帶寬化。目前，高光譜傳感器在一定的波段范圍內(nèi)，并不能在機(jī)上直接得到無(wú)人機(jī)遙感影像，而是后期在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行一系列復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，造成數(shù)據(jù)量龐大、冗余，并不能很快地滿足客戶得到所需的影像信息，所以可嘗試提高無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的傳輸帶寬，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)高清影像或視頻長(zhǎng)距離、低延遲和抗干擾地實(shí)時(shí)回傳。