基于低空無人機遙感技術(shù)的應用探究

李娜 溫乃瓔 侯毅葦

摘要：無人機遙感系統(tǒng)是一種新興的、可以快速獲取高精度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它具有采集數(shù)據(jù)精確、消耗成本低、工作效率高、可以快速適應多種地形等諸多優(yōu)勢。本文介紹了基于無人機的遙感系統(tǒng)的特點，并著重探討了無人機遙感系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、國土資源等領(lǐng)域的應用，最后，我們總結(jié)了無人機在實際應用過程中的優(yōu)勢和劣勢，并展望了無人機在各個領(lǐng)域未來的發(fā)展前景。

Abstract： Unmanned aerial vehicle remote sensing systems is a new type of data acquisition system that can quickly acquire high-precision data. It has many advantages such as accurate data collection， low cost， high work efficiency， and rapid adaptability to various terrains. This paper briefly introduces the characteristics of Unmanned aerial vehicle remote sensing systems， and focuses on the application of Unmanned aerial vehicle remote sensing systems in agriculture， forestry， land and resources， etc. Finally， we summarize the advantages and disadvantages of Unmanned aerial vehicles in practical applications. ， and looked forward to the future development prospects of drones in various fields.

關(guān)鍵詞：無人機遙感系統(tǒng)；航空遙感系統(tǒng)；實際應用

Key words： UAV remote sensing system；aviation remote sensing system；practical application

中圖分類號：V249.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）25-0112-02

0 引言

無人駕駛飛機系統(tǒng)（Unmanned Aerial System），即無人機，是一種不需要飛行器駕駛員上機操控的，通過旋翼或固定翼產(chǎn)生拉力或升力，并在大氣層內(nèi)飛行的飛行器。若將遙感技術(shù)與無人機系統(tǒng)結(jié)合于一體，即構(gòu)成無人機遙感系統(tǒng)（Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing System）。無人機遙感系統(tǒng)可搭載相機以及多光譜、熱紅外、激光雷達等多遙感傳感器，以機動性能較好的無人機為載體，可以快速而有效率地獲取照片、視頻、以及光譜等各種所需數(shù)據(jù)資料。相比更為傳統(tǒng)的航空、航天遙感系統(tǒng)，無人機遙感系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢。無人機可以在低空飛行，在云層下成像，這很好的改善了傳統(tǒng)航天遙感容易受到云層干擾的缺點；同時，無人機由于體積小，便攜性高，具有隨時監(jiān)測，實時傳輸?shù)哪芰?，很好的彌補了航天遙感的周期性監(jiān)測缺陷；且相比于航天遙感，無人機可以在小范圍內(nèi)高頻率的出入進行監(jiān)測，實時傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)，這對于決策的制定具有重要的意義。在科技日漸發(fā)達的今天，無人機技術(shù)也愈發(fā)成熟，同時，無人機遙感技術(shù)的應用也逐步從單一路徑走向多元化發(fā)展。從大氣污染防治，到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精準監(jiān)測、植物病蟲害監(jiān)測、森林資源監(jiān)測，再跨越到土地資源勘察、地質(zhì)災害調(diào)查、海洋污染監(jiān)測等領(lǐng)域都能見到無人遙感系統(tǒng)的身影。

1 無人機遙感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

從2010年至今，由于無人機技術(shù)的快速發(fā)展，其造價逐漸降低，在民用領(lǐng)域中得到了長足的發(fā)展，也成為了推動經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分。2015年，我國應用遙感技術(shù)的無人機已超過3000架，而預計未來5年的總需求量則是現(xiàn)在已有數(shù)量的十倍。

無人機系統(tǒng)種類繁多，按照不同的平臺構(gòu)型可以大致分為三類：固定翼無人機、旋翼無人機和無人飛艇等。固定翼無人機可以選擇兩種起降方式，一種是使用道路或其他跑道滑行起降，而另外一種則是通過彈射無人機來起飛，之后使用機內(nèi)自帶的降落傘來降落。旋翼無人機也可按其旋翼數(shù)量分為兩種，無人直升機和多旋翼無人機，旋翼無人機操作簡易，攜帶方便，機動性能強，飛行穩(wěn)定，適用于可視范圍低空勘測任務。而無人飛艇是由其腔內(nèi)氣體控制上升及下降，由發(fā)動機提供動力實現(xiàn)飛行，因此該類無人駕駛平臺受到氣候條件影響較大。

2 無人機遙感技術(shù)在各個領(lǐng)域的應用

2.1 精準農(nóng)業(yè)監(jiān)測

在農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過程中，隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展向機械化以及溫室栽培方向的發(fā)展，農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)有了顯著的提高，農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量也在逐年增加。雖然現(xiàn)在各種生物技術(shù)的開展對農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來了革命性的變革，但傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工作，如：作物種類分布及數(shù)量情況、病蟲害種類及其損害程度、葉面積指數(shù)等數(shù)據(jù)采集工作大多停留在人工作業(yè)階段。而人工作業(yè)存在許多弊端，首先人工數(shù)據(jù)采集費時費力，往往需要較長的時間才能將數(shù)據(jù)收集完畢，而不能進行實時分析；其次人工采集數(shù)據(jù)盡可以進行小范圍內(nèi)抽樣調(diào)查，不能保證數(shù)據(jù)的完整性以及科學性，所分得出的結(jié)論往往與實際略有偏差。而使用無人機搭載遙感技術(shù)設備則可以實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的實時傳輸，且可以保證數(shù)據(jù)完好無損，從而在提高數(shù)據(jù)準確性的基礎上減少人的工作量，對農(nóng)業(yè)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。下面將分三個方面對農(nóng)作物的監(jiān)測進行敘述。

2.1.1 農(nóng)作物分類

在同一片農(nóng)田區(qū)域若分散種植了多種農(nóng)作物，則需要對農(nóng)作物的種類進行區(qū)分，若要進行作物的精確區(qū)分則需要使用無人機搭載遙感設備，為了進一步精確定量地考察分類結(jié)果的精度，可以對其抽樣并對樣本逐一使用衛(wèi)星定位的地面測量數(shù)據(jù)進行二次驗證，然后將地面測量結(jié)果數(shù)值與通過無人機采集的數(shù)據(jù)進行混淆矩陣計算，通過這種方法來確認無人機遙感系統(tǒng)在農(nóng)作物分類面積的評估精度，這樣便可以在一定精度上區(qū)分不同的農(nóng)作物種類。

2.1.2 作物病害、蟲害監(jiān)測

在實際種植中，農(nóng)作物易受到各種病害、蟲害的侵染。而當植物在受到不同病害、蟲害侵染時，在不同波段上會表現(xiàn)出不同程度的吸收和反射特性，因此使用遙感技術(shù)可以較容易發(fā)現(xiàn)。進一步地，由于受到病害、蟲害攻擊的不同植物的葉片或莖稈的特征光譜具有高度復雜性，因此對于不同植物以及相同植物的不同發(fā)展階段的病害、蟲害，可能會顯現(xiàn)多樣的光譜特征。基于此原理，可以使用無人機搭載光譜傳感儀對不同植物分別進行病害、蟲害的監(jiān)測，采集數(shù)據(jù)后進行對比分析以得到精確結(jié)果。

2.1.3 污染檢測

農(nóng)作物污染有很多方面，比較重要的污染源是來自水中的重金屬元素，在檢測污染時，無人機遙感系統(tǒng)是一個很好的使用工具。在使用無人機遙感技術(shù)進行農(nóng)田重金屬污染監(jiān)測時，最重要的任務是建立正常作物光譜參數(shù)與重金屬污染下作物光譜參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，通過二者之間的關(guān)系，得出農(nóng)作物的污染源以及污染程度。

2.2 森林資源監(jiān)測

森林作為我國生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，定時監(jiān)測就顯得十分重要。森林資源監(jiān)測的主要工作是進行植被的覆蓋率監(jiān)測。目前檢測作物覆蓋率變化的方法主要分為兩類，其一是通過森林資源衛(wèi)星反饋的各項參數(shù)以及影像數(shù)據(jù)，建立植被光譜特征相關(guān)模型，從而得出覆蓋率；其二是通過人工在地面直接采集影像數(shù)據(jù)，對影像進行圖像分類操作，從而大致得出覆蓋率。如果直接通過衛(wèi)星影像來計算覆蓋率，一是容易受到大氣層內(nèi)天氣的影響，二是由于衛(wèi)星距離地球較遠，其對空間的感知能力，以及對圖形的分辨能力被顯著降低，因此，衛(wèi)星遙感常常難以滿足作物在較小尺度上的覆蓋率變化研究需求；若使用人工地面采集影像數(shù)據(jù)獲取覆蓋率，又會造成效率過低的問題。而使用低空無人機遙感技術(shù)則可以彌補目前兩種覆蓋率變化監(jiān)測方法的短板。無人機所獲取的低空遙感數(shù)據(jù)可以通過一定的數(shù)據(jù)分析而得出植物的覆蓋率，另外，無人機遙感系統(tǒng)還可以獲取的多組連續(xù)的植物遙感數(shù)據(jù)，可以用于成區(qū)域地連續(xù)監(jiān)測植物覆蓋率的變化。然而，該方法也存在一些不足，即需要往返多次地對同一塊林地進行遙感觀測，同時還需滿足特定的觀測條件，即被觀測林區(qū)要和周圍背景存在較大差異。

2.3 國土資源的監(jiān)測

現(xiàn)行無人機遙感技術(shù)已具備對國土資源進行有效監(jiān)測的條件。在國土資源部門的對國土資源的監(jiān)測中，主要是使用實地調(diào)查、人工測量等方法，但使用這種方法存在效率低下、周期較長、成本較高等問題，并且尚有許多地方因為地形原因難以進行監(jiān)測，且人為進行數(shù)據(jù)判斷又會存在較大誤差，而運用無人機遙感系統(tǒng)，以及衛(wèi)星定位技術(shù)，則可以實時獲取多方位的影像數(shù)據(jù)和其他資料，加之無人機靈活性好、機動性高、無視地形的優(yōu)勢，運用無人機進行監(jiān)測可以獲得更好的監(jiān)測效果和省去更多的人力物力，是一種很好的監(jiān)測手段。另外，我們可以將實時的無人機航拍數(shù)據(jù)與之前保存的數(shù)據(jù)做對比，就可以較為方便地發(fā)現(xiàn)兩次監(jiān)測之間發(fā)生的違法違規(guī)用地事件。無人機遙感系統(tǒng)在劃定區(qū)域、統(tǒng)計面積也可以起一定作用，降低數(shù)據(jù)統(tǒng)計難度。

2.4 其他

無人機遙感技術(shù)在許多方面都有著機器廣闊的發(fā)展前景，它相對于衛(wèi)星影像具有更高的地面空間分辨率，并能帶來衛(wèi)星遙感所不具有的精細紋理等額外的遙感信息，可以廣泛的應用于很多遙感監(jiān)測領(lǐng)域。

3 無人機遙感技術(shù)的制約

無人機遙感技術(shù)在本身還有諸多不完善的方面，比如：承重有限、電池續(xù)航能力較弱、無人機旋翼產(chǎn)生的氣流容易對大氣等監(jiān)測產(chǎn)生誤差等，其在數(shù)據(jù)的自主性以及所獲信息的安全性上還有許多不安全的因素。

3.1 數(shù)據(jù)的制約

應用無人機吊艙系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集時，由于高空氣流以及無人機旋翼產(chǎn)生的氣流會對無人機自身的穩(wěn)定性造成一定影響，導致無人機所拍攝或采集的數(shù)據(jù)具有誤差。就無人機拍攝圖像而言，由于無人機在懸停的過程中受到氣流的擾動，所拍攝的圖像會呈現(xiàn)重疊等現(xiàn)象，而無人機所搭載的拍攝設備多為數(shù)碼相機，不具備廣角拍攝，需使用無人機旋轉(zhuǎn)帶動相機旋拍，這使得圖像在后期的合成過程中，具有較大難度。

3.2 無人機遙感系統(tǒng)的不自主性

現(xiàn)如今，多數(shù)無人機的飛行是依靠綜合傳感器與操作人員來共同完成的，而當無人機飛行到操作員目不所及之處或無人機在飛行過程中出現(xiàn)故障，無人機不具有自我解決問題的能力，如果飛控人員不能及時控制，無人機極有可能直接墜毀。

3.3 無人機遙感系統(tǒng)的信息安全

信息安全被譽為21實際最亟待解決的問題，由于無人機體積小、隱藏度高，實時采集信息時極難被發(fā)現(xiàn)，這使得地理信息在無人監(jiān)管區(qū)域極易泄露，而電腦黑客的存在，也使得無人機所采集的信息極易被盜取，若被盜取的信息國防軍事領(lǐng)域，后果難以估量。

3.4 無人機管理政策

無人機現(xiàn)已經(jīng)走向民用活動，無人機的使用必須有相應的法規(guī)來制約，使用無人機也必須服從國家規(guī)定，不可在任意空域飛行。

4 總結(jié)展望

無人機遙感平臺在各個應用平臺都具有明顯的優(yōu)勢及廣闊的應用前景，它以其忽視地形的靈巧性、數(shù)據(jù)采集的實時性、作業(yè)效率的高超性深得各個領(lǐng)域的喜愛。無人機遙感技術(shù)也以其特有的優(yōu)勢彌補了傳統(tǒng)航拍的不足，這對航拍遙感的發(fā)展具有重大的意義，盡管無人機遙感技術(shù)還處于發(fā)展階段，諸多技術(shù)問題還沒有攻克，但我們有理由相信，無人機發(fā)展的未來必定欣欣向榮。

參考文獻：

[1]王寶國，王衛(wèi)東.無人機遙感在非戰(zhàn)爭軍事行動中的應用[J].無線互聯(lián)科技，2015（22）：139-140.

[2]徐譽遠，胡爽，王本洋.無人機遙感在我國森林資源監(jiān)測中的應用動態(tài)[J].林業(yè)與環(huán)境科學，2017，33（01）：97-101.

[3]吳永亮，陳建平，姚書朋，徐彬.無人機低空遙感技術(shù)應用[J].國土資源遙感，2017，29（04）：120-125.

[4]路寬，佘振維，王圣先.無人機遙感在森林資源監(jiān)測中的應用[J].低碳世界，2017（34）：355-356.

[5]胡健波，張健.無人機遙感在生態(tài)學中的應用進展[J].生態(tài)學報，2018，38（01）：20-30.