無人機遙感技術在自然保護區管理中的應用研究

王海霞 丁春蓮 韓奮

摘 要：無人機遙感技術因其具有空間分辨率高、周期可控、受人為操作性強等特點，目前的應用較多的被應用于生態、環保等領域。文章主要介紹了無人機遙感技術在自然保護區管理中的應用及其關鍵技術。

關鍵詞：無人機；無人機遙感技術；自然保護區

中圖分類號：TP79 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）12-0187-02

Abstract： Unmanned aerial vehicle （UAV） remote sensing technology is widely used in ecological， environmental protection and other fields because of its high spatial resolution， controllable period， strong artificial maneuverability and so on. This paper mainly introduces the application and key technology of UAV remote sensing technology in nature reserve management.

Keywords： unmanned aerial vehicle （UAV）； UAV remote sensing technology； nature reserve

1 自然保護區的管理現狀

國家級自然保護區的建立主要是為了保護瀕臨滅絕的珍稀動、植物資源和脆弱的生態環境系統或重要的自燃遺址，我國自1956年建立第一個國家級自然保護區鼎湖山自然保護區以來，截止2016年5月已批準建成國家級自然保護區446個，總占地面積為9415萬公頃。

目前，隨著遙感技術、地理信息技術、全球定位技術和計算機技術的飛速發展，很大保護區都建了基于GIS和3S的保護區信息系統，基本上是基于傳統的以衛星為平臺的航天遙感，這類遙感目前民用系列最高空間分辨率為0.5m，另外其存在固定的重訪周期，受氣候和天氣影響較大。在生態學和保護生物學領域，衛星遙感提供的數據空間尺度和地面調查的數據空間尺度很難匹配[1]，迫切需要高效、低成本的解決途徑。

2 無人機遙感技術介紹

2.1 無人機遙感技術的發展

無人機（unmanned aerial vehicle， UAV）是一種具有導航功能的機上無人駕駛的航空飛行器。無人機遙感（UAV remote sensing， UAVRS）是一種以UAV為平臺，以各種傳感器為主要載荷，飛行高度在幾千米以內，能夠獲取遙感影像、視頻等數據的無人航空遙感與攝影測量的技術[2]。UAV的研制最早開始于20世紀初，主要應用在軍事領域，比較出名的如“全球鷹”、“捕食者”，主要用于軍事偵察和火力打擊方面。到了20世紀80年代，民用無人機才開始發展，目前無人機遙感技術已經應用到了災后救援，國土資源監控與保護、生態環境監控、農業植保等方面。

2.2 無人機遙感系統的組成

無人機遙感系統主要由飛行系統、導航系統、通信系統、地面控制系統、遙感機載平臺、動力系統六部分組成（如圖1）。

3 國內外無人機遙感技術的研究現狀

3.1 國內無人機遙感技術的研究現狀

國內無人機遙感方面的研究目前呈上升趨勢，反映出該方面的研究是目前的一種趨勢。2008年李德仁等將UAVRS技術用于汶川地震救災[3]；2009年王斌進行了基于UAVRS的土壤濕度預測模型研究；2011年鄒長慧等利用UAVRS進行了貴州高原山區的生態環境研究；2012年王春振等利用該技術進行了黃河源區生態景觀分析；2013年張文博利用該技術進行了土地綜合整治的研究，李志斌進行了電力工程環保水保的研究，李遷進行了礦山監測研究；2014年該技術被應用到了風電類建設項目竣工環保驗收方法研究、胡楊、檉柳識別與樹冠提取研究、植被識別等的研究中；2015年該技術被應用到了廢棄礦山地質災害及生態移民遷出區農用地恢復調查、估算桉樹蓄積量、水源地污染源監控中；2016年被應用到了露天煤礦區受損土地景觀重塑與再造、飲用水源保護區環境勘查中、土壤侵蝕監測、森林病蟲害圖像分析算法研究、水稻長勢監測中；2017年被應用到了輸電線路工程中、外來物種入侵檢測、山區公路高邊坡面積測量、水土保持監測、森林類自然保護區中防火滅火、荒漠林大沙鼠洞群覆蓋率及分布特征的研究中。

3.2 國外無人機遙感技術的研究現狀

據統計在2001-2016年10月之間在生態學、環境保護、物種多樣性等領域的相關論文在SCI上發表了95篇，其中在2013年以后發表的就有70篇（74%）[4]。2011年Biasio等進行基于UAV的環境監測多光譜成像系統的研究；2012年Bendig J等研究了一種用于熱譜和多光譜成像的低成本微型無人機[5]；2014年Inoue T利用無人機對

日本東部一片落葉闊葉林中倒下的樹木進行了調查；2015年Chretien等利用從無人機遙感獲得可見和熱紅外影像進行野生動物生物多樣性研究；2016年Hodgson使用無人行對野生動物進行精確監測[6]。

4 無人機遙感技術在自然保護區管理中的應用

4.1 氣象監測

借助于無人機遙感技術對自然保護區的溫度、濕度、壓強等氣象參數進行遙感測定，分析區域氣候特征，預測天氣，分析大氣-水-植被的相關性。

4.2 災害預報、評估

利用無人機遙感技術對保護區內的地震、山洪、滑坡、火災、雪災、鼠災、蝗蟲等的災害，進行受災面積估測、損失估算，為救災工作提供科學依據。

4.3 植物監測

進行保護區內的植物多樣性監測及植被覆蓋類型空間分布規律的研究；分析植被的垂直分布格局，進行植物的分類識別，物種群落長勢及高度的測定；對植物進行病蟲害情況的空間分布監測，知道保護區工作人員開展科學救助；對保護區外來物種進行檢測。

4.4 動物監測

研究野生動物的種群密度、數量、年齡結構及分布情況，監測野生動物的遷徙過程，對區域生物量進行估算，進行動物個體的自動識別、體型測量等。

4.5 地形、地貌分析

對于地形比較復雜、人類無法實地觀測的保護區，可建立三維地形、地貌模型，研究土地利用格局演變規律及影響因素，預測、估算地表坍塌面積，進行土壤濕度監測、預測。

4.6 環境監測

進行保護區的環境監測，對生物物種棲息地的易居性進行評價，分析環境變化對物種分布的影響，對環境污染程度監測，如檢測水源污染程度及水質等。

5 自然保護區無人機遙感研究的關鍵技術

5.1 多平臺集成技術

無人機遙感技術是遙感技術、定位導航技術、微電子控制技術，傳感技術等的多平臺、一體化集成技術，是實現遙控、遙測的技術保障，其集成水平直接影響到無人機的飛行控制質量和最終獲得數據的精度。

5.2 圖像處理技術

無人機遙感所獲得的遙感影像與傳統衛片相比具有像幅小，影響多的特點，所以后期影像鑲嵌的工作量較大。另外無人機受風速、風向等外界因素的影響使得拍攝過程的傾角變化大而無規律，在后期影像處理時必須恰當的選擇地面控制點，才能保證幾何校正的精度。目前也有很多專家和學者正在研究無人機遙感影像的圖像處理軟件或數學模型，在一定程度上提高處理精度和效率。

5.3 導航通信技術

無人機遙感的定位導航主要依賴于衛星無線通訊技術，全球衛星定位系統中，被應用最多、影響力最大的就是美國的GPS。目前人們正在研制更加智能化，具有自適應能力的無人機導航控制算法，如人工智能、小波變化等。

5.4 防撞性能

無人機一般工作在野外或地形比較復雜的區域，一旦發生意外，無人機可能被撞壞或摔碎。因此需要不斷開發和研制新型材料，在保證體積和重量相對較小的情況下使無人機具有較高的防撞性和飛行的穩定性。

6 結束語

無人機遙感技術因其具有周期可控，受氣候環境影響較小，并且拍攝的影像空間分辨率高而受到廣泛的關注，但其相關的技術目前還不夠成熟，還有較大的提升和突破空間。另外在應用上也有待進一步開發。

參考文獻：

[1]魏彥昌，等.生物多樣性遙感研究進展[J].地球科學進展，2008，23（9）：924-931

[2]李德仁，李明.無人機遙感系統的研究進展與應用前景[J].武漢大學學報·信息科學版，2014，39（5）：505-514.

[3]李德仁，陳曉玲，蔡曉斌.空間信息技術用于漢川地震救災[J].遙感學報，2008，12（6）：841-851.

[4]胡健波，張健.無人機遙感在生態學中的應用進展[J].生態學報，2018，38（1）：1-11.

[5]Bendig J， Bolten A， Bareth G.Introducing a low-cost mini-UAV for thermal-and multispectral limaging.International Archives of the Photogrammetry， Remote Sensing and Spatial Information Sciences 2012，39，345-349.

[6]Hodgson J C， Baylis S M， Mott R， Herrod A Clarke R H. Precision wildlife monitoring using unmanned aerial vehicles. Scientific Reports，2016，6：22574.