无人机遥感技术及其在环境保护领域中的应用

骆开谋 叶露

摘要 从传感器、遥感数据处理、数据传输等方面对无人机遥感（UAVRS）技术进行了综述，并对其在环境保护领域中的应用进行了阐述。

关键词 无人机遥感；环境保护；应用

中图分类号 S127 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）02-0211-02

Abstract The unmanned aerial vehicle remote sensing （UAVRS） was reviewed from the aspects of sensors， the data processing of remote sensing and data transmission. And its applications in the field of environmental protection were expounded.

Key words UAVRS；Environmental protection；Application

近年来，我国经济高速发展，但与此同时也伴随着严重的环境污染问题。据统计，过去的几十年间，我国因为环境污染和生态退化造成巨大的经济损失，而且出现了各种各样的环境问题，危害着人类的生存，主要表现在生态系统全面退化、水土严重流失、濒危物种增加、天然湿地大量消失等各种突发性环境污染事件。

针对目前我国经济发展中出现的生态环境问题，应当秉持“预防为主，防治结合”的原则。环境监测对数据的实时性要求很高，传统的地面环境监测手段在监测的时空连续性、监测范围、监测周期等方面都无法满足当前生态环境保护的需求[1]。无人机技术作为一种信号采集的新方式，成为航空、航天遥感的有力补充，是对常规生态环境监测与评估的重要补充手段。笔者从传感器、遥感数据处理和数据传输等方面对无人机遥感（UAVRS）技术进行了综述，并对其在环境保护领域中的应用进行了阐述。

1 UAVRS技术

UAVRS是将遥感技术与无人机技术相结合，并辅以通信技术和GPS差分定位技术，实现了自动化、智能化、专用化快速获取国土资源、自然环境、地震灾区等空间遥感信息，且完成遥感数据处理、建模和应用分析。因为UAVRS技术在灵活、快速、经济方面占优势，所以成为世界各国目前的热门研究课题之一[1]。

1.1 传感器

传感器是UAVRS发展的重要基础设备之一，直接关系到遥感数据的质量与精度。随着UAVRS在环境领域的逐步深入，随着计算机技术的迅猛发展，面向环境保护与监测的传感器在像素提升、探测精度、数字化等方面得到了长足发展，成为UAVRS在环境保护与监测领域应用的强大助推力。

近年来，互补型金属氧化物半导体（CMOS）和电荷耦合器件（CCD）图像传感器技术得到了快速发展。目前，高分辨率的数码相机已成为UAVRS主流的信息采集器件。例如，中国科学院遥感应用研究所创立的北京国遥万维技术公司开发的“Quikeye”系列无人机，搭配了Cannon 5D Mark Ⅱ、Cannon EOS 5D、Cannon EOS 300D等相机，影像分辨率最高达到2 100万像素，信息采集精度为0.1～0.4 m；张园等[2]进行森林调查时所用相机为索尼DSC-T90卡片机，分辨率为1 210万像素；中国测绘科学研究院研发的UAVRS-Ⅱ 型低空无人遥感监测系统搭载了像元数大于3 008×2 000的高分辨率面阵CCD数码相机，实现了大比例尺航测的面积覆盖等[3]。

在传感器方面，近年来不断向大面阵、多光谱、数字化方向发展，进一步提高了数据采集的精度。 2006年，中国科学院上海技术物理研究所贾建军等[4]从UAVRS的有效负荷特点出发，组建出一套像元数为4 096×4 096、像元大小为9 μm×9 μm、视场角宽为42°、分辨率为0.10～0.20 m，重量2 kg的大面阵CCD相机。2008年，中国科学院成都光电技术研究所钱义先等[5]设计出像素8 100万，在获取彩色、红外、全色的高精度航片的同时使视场角达到60°的彩色大面阵CCD数字航测相机。目前，最先进的产品为美国微软公司的UltraCamXp WA，该产品具有19 600万像素，连拍间隔为1.35 s，可以实现大比例尺的测图[6]。

近年来，在环境监测方面研制出一些小型化、轻型化的专门面向大气环境和水环境监测的仪器成为热门话题。UVA航空遥感质量的提升与传感器技术的发展密切相关，开发出设计成本合理、通用性强、体积小、重量轻的观测传感器是今后的奋斗目标。

1.2 遥感数据处理

与传统的航天航空影像相比，UAVRS影像数据的处理存在以下问题：①采样周期短；②分辨率高；③相幅小，图像数量多，重叠不规则；④倾斜角过大，伴随着倾斜方向不规律。

针对UAVRS图像的特殊性，其处理与一般的遥感图像处理有所不同。在环境监测的应用中，对数据的实时性要求很高，所以应做好影像的自动识别和快速拼接，以满足在环境监测中对工作的技术要求。

目前，无人机遥感影像处理可以分为2类：地面准实时处理和机上实时处理。地面准实时处理是指通过固定或者移动的数据接收站，对无人机传输过来的遥感影像数据进行加工与处理；机上实时处理是将GPS、北斗定位技术、惯性导航技术、激光测距技术集成到无人机机载的激光扫描系统中，实时为遥感影像提供位置信息，从而更好地发挥无人机遥感技术的优势[7]。

1.3 数据传输

无人机遥感数据的传输包括以下2个方面：①当前飞行器的状态和遥感设备的状态，实时地将飞机的高度、速度、航向等信息反馈给操控员；②无人机遥感设备获取的遥感影像、视频等遥感信息[3]。相对而言，遥感影像的传输比设备状态信息的传输复杂得多，因为遥感影像数据量大，如果外界环境恶劣，很容易造成碼率的跳动，这将会给带宽不宽的无线信道带来挑战。针对这个问题，学者们相继推出了多种压缩数据的方法。例如，田金文等[8]将运动序列的图像转化为静态图像，再以类EBCOT算法将拼接图片压缩，结果表明该方法的运行时间优于H-264等压缩标准。

2 UAVRS技术在环境保护领域中的应用

目前，UAVRS技术在环境保护领域中的应用主要表现在以下4个方面：①自然、人为灾害的监测。救援人员往往无法第一时间到达现场，利用UAVRS技术能够实现在无伤亡的情况下获取灾情，然后及时展开救援部署。②重大建设项目环保验收。有些工程沿线交通不便，难以展开人工调查，利用UAVRS技术能够提高工作效率和精度。③环境污染的监测（水体污染、大气污染、土壤污染）。传统的环境污染监测对人力、物力、财力的消耗较大，数据不集中，不能直观反映污染的分布和格局。然而，UAVRS技术很好地弥补了传统监测方法的不足，能够及时全方位掌握污染信息，如污染源分布、污染种类等。④生态环境。例如，对森林资源进行调查；对一些山区或者高原地区进行生态环境与灾害监测；对公路路域的土地利用类型、植被覆盖、土壤侵蚀等进行监测。其中，关于水体污染的监测，内陆水体环境复杂、水域面积相对小且污染类型多样，对数据精度要求较高，在这方面应用较少。目前，主要利用UAVRS技术从宏观上观测水质，而在海洋上的应用较为成熟，监测指标主要涵盖水温、赤潮、海上溢油、水深、藻华等。

对于大气污染的监测，UAVRS技术的应用仍处于初级阶段，目前主要的应用是大气环境指标的监测，如O3、NO2、温度、湿度、粒子浓度等。

3 展望

UAVRS技术具有传统遥感所不具备的优势，将会在各种有关环境、生态保护的应用中保持强势增长与快速拓展。需求量的不断增加、使用频率的不断加大对于完善无人机遥感在环境保护中的应用体系和服务具有重要意义。

在技术研发方面，应该从各方面出发，不断加强其优势，朝小型化、自主化、智能化、模块化、集成化发展，为环保部门以及其他需要使用无人机遥感的用户提供更快、更好的服务。

参考文献

[1] 王靖.浅谈无人机遥感的发展与应用[J/OL].城市建设理论研究（电子版），2011（33）[2016-10-09]. http：//www.doc88.com/p-7397701019628.html.

[2] 张园，陶萍，梁世祥，等.无人机遥感在森林资源调查中的应用[J].西南林业大学学报，2011，31（3）：49-53.

[3] 孙杰，林宗坚，崔红霞.无人机低空遥感监测系统[J].遥感信息，2003（1）：49-51.

[4] 贾建军，舒嵘，王斌永.无人机大面阵CCD相机遥感系统[J].光电工程，2006，33（8）：90-93.

[5] 钱义先，高晓东，梁伟，等.多光谱大面阵彩色CCD数字航测相机设计[J].光子学报，2008，37（12）：2473-2477.

[6] 谢涛，刘锐，胡秋红，等.基于无人机遥感技术的环境监测研究进展[J].环境科技，2013，26（4）：55-60.

[7] 李德仁，李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报（信息科学版），2014，39（5）：505-513.

[8] 田金文，謝清鹏，谭毅华，等.无人机序列图像压缩方法研究[J].华中科技大学学报（自然科学版），2005，33（12）：76-78.