無人機遙感在水環境生態恢復的應用探析

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搞 要 目前，對于水環境監測數據，主要靠人工采集、船只搜集。在實際操作過程當中會造成數據搜集上的一些誤差，另一方面，船只會排出廢氣和污染物。而高分辨率、高光譜遙感技術的發展，突破了傳統方式的水環境監測手段，無人機遙感技術的誕生，滿足了現階段精細化和動態化監測需要，在對生態恢復的監測上發揮著越來越重要的作用。

1 無人機水環境生態監測與恢復

1.1 水環境生態監測存在問題

近年來，經濟的發展導致環境更加惡化，很多地區環境生態環境受到嚴重破壞，加之缺乏必要的信息化管理手段，也給環境監測帶來較大影響。依靠傳統遙感方式的環境監測手段無法滿足現階段精細化和動態化監測需要，能夠解決上述問題的關鍵措施的無人機遙感技術因此應運而生。

水環境生態監測，主要是利用水體高分辨率影像、光譜效應、熱紅外等進行差異化，從遙感影像的色調、灰度、結構、紋理、光譜曲線、溫度特征等方面進行識別。傳統遙感監測存在高分數據成像周期較長、易受天氣因素影響等問題，對于治理效果的監管存在一定滯后性。而水域因為有流速，屬于易變的監測物，對監測時效性要求也較高。

1.2 無人機監測的優勢

無人機遙感作為一種低空遙感，需要多項技術協調配合工作，通過搭建無人機飛行器作為遙感平臺，掛載紅外光、可見光相機等設備作為任務載荷，依托遙感數據處理系統作為成果輸出端口，實現一整套連續的遙感過程。優勢有以下幾點：

第一，運行維護成本低。與衛星和有人機等其他遙感方式相比，無人機的運行和維護成本相對較低，工作人員運用地面站程序即可實現對無人機的遠程遙控，并通過無人機搭載的任務載荷完成對目標區域的作業操作，節約人力勞動和時間成本。

第二，安全性高。無人機可在天氣環境較惡劣的河湖實施作業來進行采集數據。尤其是在山洪災害中期和后期對河流水面的監測，無人機可代替人員到達現場，造成不必要的人員傷亡，保證人身安全。

第三，實時性好。無人機通過測控與信息傳輸系統能夠實時傳輸航拍影像，靈活度高，適用于河湖水環境的日常監測，為河湖的生態監測與恢復制定工作方案提供有力依據。

第四，精度高。無人機飛行高度通常為50～1000m，滿足航空攝影中的近景測量標準，精度較衛星遙感有大幅度的提升，測量精度為亞米級，其范圍為0.1～0.5m。

第五，云層條件影響小。無人機遙感通過控制飛行高度，可以有效地避免云層對航拍效果的影響，同時，掛載的數碼相機可以調節光圈、快門和感光度，并運用相關軟件對顏色、反差、亮度進行調整和消霧處理。隨著研發技術的不斷深入，無人機的抗風抗雨性得到很大程度的提升，可以滿足在惡劣天氣環境下執行飛行任務。

1.3 遙感載荷

無人機執行遙感測量任務時，還需要搭載傳感器載荷，有些無人機可攜帶多種載荷。根據不同的任務，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、紅外攝像機、激光雷達、合成孔徑雷達、高光譜傳感器等。

在水資源生態監測與恢復領域，使用視場較寬的傳感器，可以一次拍攝范圍更大的相片或影像，對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，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監測與恢復領域可用于水體溫度變化的監測。

人機機載激光雷達系統集激光掃描儀、全球定位系統、（GPS）、慣性導航系統（IMU）等技術于一體，是一種主動式航空遙感設備。激光雷達傳感器可以直接以點云的形式獲得三維信息，通過測量從物體發出的激光脈沖和返回的激光脈沖之間的時間幀來測量到物體的距離，結果生成3D點云。目前，無人機激光雷達載荷主要有微型激光雷達、多脈沖激光雷達、全波形激光雷達、多光譜激光雷達、凝視成像激光雷達、多源傳感器融合激光雷達等。

高光譜數據依據地物的光譜曲線，可以對某些具有特殊光譜吸收特征的物質進行探測，進而進行精準的目標物類型區分。無人機高光譜預測技術進展成為研究大時空尺度水域富營養化現象的重點和方向，利用無人機搭載高光譜傳感器，對水體水質情況監測。

合成孔徑雷達(SAR)是一種高分辨率成像雷達，可在能見度極低的氣象條件下得到類似光學照相的高分辨雷達圖像，其特點是分辨率高，能全天候工作，能有效地識別偽裝和穿透掩蓋物。對于一些需要高頻監測的水環境生態，利用SAR可以忽略天氣原因對檢測工作的限制，但是在水環境生態監測于恢復領域，利用無人機搭載SAR傳感器進行數據采集還很少[1]。

2 無人機遙感在水環境生態監測與恢復中的應用

2.1 水土保持

無人機在水土保持方面主要通過搭載多光譜成像儀等設備，獲取多光譜圖像的實時數據信息，從宏觀角度來進行水環境狀況的監測。對于水域面積比較小、污染類型比較復雜、精度要求比較高的內陸水體，無人機遙感技術還無法達到監測要求。

我國的無人機遙感技術首次應用于環境監測領域的是遼寧省，其通過無人機遙感技術對遼河治理情況進行航拍和監測，得到分辨率為0.1m的實景圖像數據，通過對圖像進行評估來掌握遼河治理的實際情況，應用于物種豐富程度、河流邊坡、栽種植被以及植株成活情況等方面。

（1）對地形復雜區域進行監管。如一些高山、地形復雜的地區，既是水土保持工作的重點也是難點所在。而且很多地方瀕臨懸崖，難以靠近。而無人機遙感技術不受地形影響，能對艱難險要的部位進行全面監管，及時發現并消除水土流失隱患。

（2）對實施水土保持措施地區定量監測監管。傳統的建設生產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到位，而隨著監測與監管要求的提高，對定量的判斷更加需要。利用無人機可獲取原始影像數據，經專業軟件處理后，生成滿足工作要求得DEM、DOM等數據，分析水土保持措施位置和數量；通過三維場景建模，獲取原始地形數據，計算土石方量，將不同時間的無人機影像疊加，可分析面積的變化情況。

（3）對長線型項目進行自動巡查。傳統采用抽點檢查的方式進行監測，但是抽取的點不能體現整體的情況，不能完全徹底的體現監測效果。而利用無人機遙感技術開展監測與監管工作，可以由監測人員自主規劃飛行路線，設定無人機自動沿河流范圍進行攝影攝像，不僅可以全面了解整條線路的具體情況，還能實時發現問題，并計劃與施下一步工作，有助于監測人員快速、全面的了解水土保持工作情況。

2.2 水質監測

水生態環境系統的監測體系主要以定時定點的地面監測系統為主，衛星遙感技術為輔。與傳統的衛星遙感相比，無人機對監測目標進行快速航拍、巡查，通過大范圍、全面地搜集信息，實時傳遞現場信息，監視險情發展，進而提供水利資源調查數據，水文情況調查，無人機反演方法已經逐漸成為內陸水體水質監測評估的重要技術手段。目前，無人機遙感技術主要針對水質的富營養化、透明度、排污孔污染狀況等情況進行監測，對地表水環境狀況進行直觀監測[2]。

3 應用展望

無人機作為一種新型的遙感平臺將得到廣泛應用，為水環境生態監測與恢復提供了新的技術方法，多載荷無人機平臺的應用極大地擴展了水環境生態監測與恢復的深度和廣度，為實現精水資源監測奠定了基礎。但是一些方法和理論尚未成熟，因此為提高無人機水環境生態監測與保護領域的應用能力，可以就這幾個方面進行優化改良：

（1）規范化。隨著無人機在各領域的廣泛應用，急需對無人機或者無人機機群進行適當的監管，保證在作業過程中具有良好的協同性和高效性。

（2）集成化。受載荷及空間限制，無人機無法搭載一些高質量的分析儀、專用監測儀器和自動檢測系統等高精尖設備，因此需要在現有環境監測設備基礎上，減小重量體積，增大功能密度，研發可擴展性、高強度性。

（3）智能化。在保證無人機飛行安全的同時，研發無人機智能系統，實現無人機或無人機機群自主起降、躲避障礙物，智能跟蹤等能力，實現系統化、智能化的水質環境監測，大大節省人力、物力和時間。在水質監測中，對大面積水域的智能識別以及地形相對高度的把控將會更利于航線規劃，這樣更加智能化、安全化和簡單化的操作將會成為主流。

（4）高帶寬化。目前，高光譜傳感器在一定的波段范圍內，并不能在機上直接得到無人機遙感影像，而是后期在計算機上進行一系列復雜的數據處理，造成數據量龐大、冗余，并不能很快地滿足客戶得到所需的影像信息，所以可嘗試提高無人機數據鏈的傳輸帶寬，實現無人機高清影像或視頻長距離、低延遲和抗干擾地實時回傳。