無人機遙感技術在生態環境影響評價中的應用研究

王曉臣，朱京海，梁婷，問鼎

(1.遼寧省環境工程評估審核中心， 沈陽 110161； 2.遼寧省環境保護廳， 沈陽 110161；3.遼寧省環境科學研究院， 沈陽 110161； 4.沈陽航空航天大學， 沈陽 110136)

無人機遙感技術在生態環境影響評價中的應用研究

王曉臣1，朱京海2，梁婷3，問鼎4

(1.遼寧省環境工程評估審核中心， 沈陽 110161； 2.遼寧省環境保護廳， 沈陽 110161；3.遼寧省環境科學研究院， 沈陽 110161； 4.沈陽航空航天大學， 沈陽 110136)

從建設項目生態環境影響評價對遙感技術的需求入手，無人機遙感技術具有成本低、影像精度高、實時性強、機動靈活等優點，可作為生態環境影響評價的一種重要技術手段。探討了無人機遙感技術在大型建設項目：水利工程、礦產開發、道路建設等生態環境影響評價中的應用，提出了無人機遙感系統在生態環境影響評價中應用的可行性，并指出理論與實證中存在的問題及將來發展趨勢。

無人機遙感；生態環境影響評價；應用

我國的環境影響評價主要為污染影響評價，而生態環境影響評價的內容深度不夠，沒能把整個自然環境看做一個整體，缺少整體觀念和預見性，與實際需要的生態環境影響評價存在差距。近年來，頻繁發生的霧霾、沙塵暴、水土流失等生態災害，實質上都是生態系統的完整性被破壞、人類與自然發展不和諧的結果。在環境影響評價的過程中，生態環境的評價研究相對滯后，主要以定性描述為主，定量化指標較少，在一定程度上影響了建設項目生態環境影響評價的可靠性。目前，我國各地環保部門已興建了環境監測站點，對各地區的水、空氣等生態資源狀況進行實時監測，為環境保護事業作出重大貢獻，但是該體系的設備價格昂貴，并且受到人力資源的限制，難以滿足生態環境評價和動態預測的需要，通過地面調查往往僅限于單要素評價，缺乏整體性與宏觀性，從而影響了生態環境評價結果的準確性，不能滿足我國現階段生態環境監測與評價的要求。

面對發展中出現的生態環境問題，我國必須走“預防為主”的道路。遙感技術作為當今生態環境領域最為活躍的技術之一，無人機遙感技術給生態環境影響評價帶來了福音，彌補了傳統調查手段及衛星遙感的不足，及時、快速、準確地獲得高分辨率空間遙感信息。通過空間遙感技術與GIS技術的結合，定量分析景觀斑塊、格局和土地利用空間格局的變化情況，提高了生態環境研究的廣度和深度，推動了生態環境研究的發展。同時，受到國內外研究者的青睞，也擴大了無人機遙感的應用范圍和用戶群。將無人機遙感系統應用到環境保護領域，可有效提高環境基礎數據資料的時效性、可靠性和精確性，為科學合理地規劃、保護生態環境和資源提供重要的數據支持。

本文就無人機遙感系統、生態環境影響評價概念及應用情況進行詳細綜述，旨在為我國生態環境影響評價的全面性和準確性提供良好的技術支撐。

1 概述

1.1 無人機遙感系統

無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)遙感系統是集成無人機技術、通訊技術、遙測遙控技術、遙感傳感器技術、GPS差分定位技術、遙感應用技術及計算機技術為一體的新型應用性技術。無人機具有重量輕、體積小，能夠通過地面運輸快速到達指定區域，定點起飛降落且對起降場地要求低，具有成本低、機動靈活等優勢。另外，無人機遙感高分辨率及較強的實時性也是衛星遙感所不及的。

隨著我國整體信息科學和相關應用的快速發展，我國各行業對空間數據的需求也急劇增加。但目前，對于空間數據，特別是高分辨率空間數據的獲取渠道仍然局限于外界采購，例如國外衛星遙感、大飛機航拍等，造成了數據重復采集，資金耗費等結果。微型無人機低空攝影測量作為一項空間數據獲取的重要手段，正是為適應這一需要而發展起來的一項高新技術，能夠很好地滿足現階段我國對航空遙感業務的迫切需求，對陳舊的地理資料進行更新[1- 2]。無人機遙感技術已經成為全球范圍內爭相研究的熱點課題，已逐步從研究開發階段發展到實際應用階段，有望成為未來的航空遙感主要技術之一。

1.1.1 無人機遙感系統工作原理及流程

無人機遙感系統以低速無人機為空中遙感平臺，搭載不同類型的遙感傳感器，如高分辨率的CCD數碼相機、紅外掃描儀、多光譜成像儀、輕型光學相機等獲取空間遙感信息，用計算機對圖像矯正、加工等后期處理，并按照一定精度要求制作出正射遙感影像。無人機遙感系統的工作平臺分為四個部分：有效載荷部分、飛行平臺部分、數據鏈路部分、地面系統部分，如圖1所示。

圖1 無人機遙感系統工作原理Fig.1 Opertation theory of remote sensing system of UAV

1.1.2 技術路線

(1)前期內業。以監測區地形圖為基礎，依據監測區域地形、地貌、自然氣候設計航拍方案。主要考慮因子為控制點、航攝比例尺、重疊度、航攝時間、航拍高度等。(2)外業工作。選擇最佳航攝時間，簡易跑道，在航攝區域布設一定數量的地面控制點，無人機起飛后即可外業航攝。(3)無人機遙感數據預處理。整理獲取的單幅航片，清除異常航片；整理飛行姿態數據、曝光點坐標、控制點等數據，通過專業軟件拼接航片生成正射影像圖DOM、數字高程模型DEM等成果，拼接完成的航片糾偏、調色處理。(4)無人機遙感影像的解譯與分析。根據需要建立遙感解譯標志，解譯景觀類型，精確統計各類地塊的面積，分析DEM數據，獲取坡度信息等。

1.2 生態環境影響評價

在生態環境影響評價方法上，美國的做法比較具有代表性，以生態系統為研究對象，主要研究人類活動對生境和動物的影響[3]。現在，人們對水、氣、聲環境質量的感知更為敏感、直觀，對此的研究比較多。但生態環境影響評價的對象不像大氣、水那樣為均勻介質或單一體系，而是地域性強、類型和結構復雜的系統，具有較強的地域性特征。通過遙感手段監測工程項目生態環境，是進行生態環評的前提和基礎。無人機遙感技術應用于生態環境影響評價是必然趨勢，應用前景十分廣闊。

2 應用

隨著遙感技術和生態學理論的不斷進步，無人機遙感技術正憑借其機動靈活、高時效、高分辨率、云下作業的特性在生態環境影響評價中發揮著越來越大的作用。另外，無人機遙感系統可實現大區域、長航時、定點、定區域監測，快速獲取項目環境評價因子在空間分布及差異規律，節省了大量人力、物力、財力，具有較高的經濟效益和社會效益。

國內許多學者研究了無人機遙感系統已成功應用到環境保護的很多領域，就目前生態環境影響評價應用方面如三峽工程、京滬高鐵、武廣高鐵環保驗收[4]、風電場、煤礦等大型工程。本文以不同類型工程為研究對象進行說明。

2.1 道路建設工程

鐵路或公路建設項目由于環境線長，地域復雜，施工過程形成的便道使自然生態系統分割，導致自然景觀破碎。在項目建設過程中，對植被的影響主要是占用土地，從而對自然景觀造成影響。若以現場調查的方法評價勢必缺乏對沿線生態環境的宏觀把握。京滬高鐵的環保驗收工作啟動了無人機遙感調查監測，清晰地觀測到安全防護區內的居民拆遷情況，取棄土場占地、施工便道、路基填筑、工程臨時占地植被恢復情況等，使建設項目竣工環保驗收工作的效率得以數十倍地提升。同期，借助GIS空間分析方法，對京滬高鐵鎮江南段區域的景觀格局進行了定量分析，如圖2所示。

圖2 京滬高鐵無人機遙感影像景觀格局分類圖Fig.2 Landscape pattern classification figure of UAV remote sensing image of the Beijing-Shanghai High-speed railway

2.2 水利相關工程

無人機遙感技術在水利工程建設環境影響評價中也可發揮特殊的作用。水利工程建設的空間布局不同，形成了不同的施工方式及運營特點，生態環境信息的不確定性和難獲取性是確定生態環評范圍的難點，從而使生態環境影響定量評價變得困難。通過無人機遙感的高分辨率、靈活機動的特性，實現點線面相結合的時空監測，及時發現水利工程建設導致的土地植被變化，土地鹽漬化、淹沒范圍、庫尾淤積等生態環境問題，預測不良發展趨勢，提供宏觀的科學數據和決策依據。還可進行大型工程建設施工監測工作，為工程建成后的環境影響回顧性評價提供完整的數據。

利用無人機遙感監測建設項目的水土保持，通過影像成果繪制出項目各個分區邊界線，準確計算分區擾動土地面積；提取各分區植被覆蓋度和土地利用信息；分析DEM數據，獲取坡度信息，判別各區土壤侵蝕強度，計算施工期間棄渣量等。將這些因子的屬性作為建立GIS數據庫的水土流失本底數據，真實直觀地反映項目水土流失現狀及隱患，有助于了解項目水土流失發展趨勢，以便做好區域水土保持規劃工作。

2.3 礦產開發工程

礦產開發是對自然界的強烈改造活動，破壞了生態系統土地利用方式、能量流動的過程，導致景觀格局發生巨大變化。就煤礦而言，采煤使土地塌陷、水土流失加劇、土地退化嚴重、地下水位下降、生態環境惡化。無人機遙感系統可以智能、快速地獲取環境空間遙感信息，有利于客觀地評價建設項目的生態環境影響，繼而提出生態影響的恢復、防護和管理措施。

為配合凌河治理工作，遼寧省環境與航空應用工程中心開展了無人機低空攝影測量，完成了阜新細河流域70余平方公里煤礦場地污染環保調查，精確地統計出了受污染土地面積，掌握了細河流域的污染狀況，詳細判別出了污染源的分布，據此制定了細河流域環境綜合整治方案，為“凈土工程”的順利推進提供了準確的基礎數據，如圖3所示。

圖3 阜新煤礦場地污染無人機遙感正射影像Fig.3 UAV remote sensing ortho-photo map of Fuxin coal mine area pollution

3 研究展望

經過各國專家多年來的研究，無人機遙感系統在理論基礎和技術方法上開始由初期探索階段走向實際應用階段，越來越多的研究者將無人機遙感系統應用到環境保護領域。由于生態環境內、外部結構聯系比較復雜，要全面分析建設工程對生態環境的影響，無人機遙感技術和相應的環境影響評價手段都需要進一步提升。

(1)生態環境遙感調查與環境影響評價體系的有效結合。就理論體系而言，生態環境影響評價與以污染物質為主要特征的工程環境影響評價不同。如何選取更為合適的環境影響評價方法，更有利于客觀地評價工程的生態環境影響，從而科學、準確地提出生態影響的防護、恢復以及管理的對策，更好地發揮無人機遙感技術在生態環境影響評價中的作用，這一問題仍需進一步加強研究探討。

(2)無人機搭載多型傳感器。目前，受載荷和空間限制，我國無人機搭載的主要為可見光傳感器。為了更好地滿足生態環境影響評價的需求，尚需研發多種適用于無人機搭載的傳感器，特別是具有重量輕、體積小、抗震性好等特征的傳感器，比如研發適用于無人機搭載的紅外傳感器、高光譜傳感器，以便用于監測水溫、植被分類等生態環境要素。

(3)無人機遙感數據的地面接收與處理。提高圖像數據傳輸能力是圖像無線傳輸系統解決的關鍵問題，可以考慮降低其傳輸系統的重量、能耗、尺寸以及提高圖像實時傳輸的距離。數據的地面接收與處理是無人機遙感系統的一個重要組成部分，通過建立固定及移動地面數據接收站以及圖像數據庫，將海量數據存儲、管理并分析，以期為生態環境影響評價提供良好的技術平臺。

[1] 朱京海, 徐光, 劉家斌. 無人機遙感系統在環境保護領域中的應用[J]. 環境保護與循環經濟, 2011(9): 45- 48.

[2] 朱京海, 梁婷, 徐光, 等. 無人機遙感技術在環境保護領域中的應用進展[J]. 環境保護科學, 2013, 39(4): 97- 100.

[3] Richards C, Host G. Examining land use influences on stream habitats and macroinvertebrates: a GIS approach[J]. Journal of the American Water Resources Association, 1994, 30(4): 729- 738.

[4] 李營, 陳忱, 張峰, 等. 無人機影像高鐵竣工環保驗收信息分類體系研究[J]. 鐵道工程學報, 2011(7): 105- 111.

[5] 張忠良, 劉勇, 王杰, 等. 基于遙感與GIS技術的鐵路建設環境影響評價方法探討[J]. 冰川凍土, 2008, 30(2): 313- 320.

[6] 謝濤, 劉銳, 胡秋紅, 等. 基于無人機遙感技術的環境監測研究進展[J]. 環境科技, 2013, 26(4): 55- 60.

Study on Application of Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing Technology in Eco-environmental Impact Assessment

WANG Xiao-chen1, ZHU Jing-hai2, LIANG Ting3, WEN Ding4

(1.Environment Engineering Assessment Center of Liaoning Province, Shenyang 110161, China;2.Department of Environmental Protection of Liaoning Province, Shenyang 110161, China;3.Liaoning Academy of Environmental Sciences, Shenyang 110161, China;4.College of Energy and Environment, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China)

Starting from the demand for remote sensing technology in eco-environmental impact assessment of construction projects, unmanned aerial vehicle (UAV) remote sensing technology will become an important technical means due to its advantages including low cost, high image accuracy, real-time and high mobility. Presented in this paper is a critical review on research and application of this technology in eco-environmental impact assessment in large-scale construction projects, especially in the fields of hydraulic engineering, mineral development and road construction. In addition, the feasibility of using UAV remote sensing system in the application of eco-environmental impact assessment, and the future development trend in theoretical research and empirical application are also pointed out.

unmanned aerial vehicle remote sensing; eco-environmental impact assessment; application

2014-05-08

王曉臣(1979—)，男，河南周口人，高級工程師，博士，主要從事環境保護研究，E-mail： wangxiao@163.com

10.14068/j.ceia.2015.02.019

X324

A

2095-6444(2015)02-0070-04