王曉臣，朱京海，梁婷，問鼎

(1.遼寧省環(huán)境工程評(píng)估審核中心， 沈陽 110161； 2.遼寧省環(huán)境保護(hù)廳， 沈陽 110161；3.遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院， 沈陽 110161； 4.沈陽航空航天大學(xué)， 沈陽 110136)

無人機(jī)遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

王曉臣1，朱京海2，梁婷3，問鼎4

(1.遼寧省環(huán)境工程評(píng)估審核中心， 沈陽 110161； 2.遼寧省環(huán)境保護(hù)廳， 沈陽 110161；3.遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院， 沈陽 110161； 4.沈陽航空航天大學(xué)， 沈陽 110136)

從建設(shè)項(xiàng)目生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)對(duì)遙感技術(shù)的需求入手，無人機(jī)遙感技術(shù)具有成本低、影像精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，可作為生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的一種重要技術(shù)手段。探討了無人機(jī)遙感技術(shù)在大型建設(shè)項(xiàng)目：水利工程、礦產(chǎn)開發(fā)、道路建設(shè)等生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，提出了無人機(jī)遙感系統(tǒng)在生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中應(yīng)用的可行性，并指出理論與實(shí)證中存在的問題及將來發(fā)展趨勢(shì)。

無人機(jī)遙感；生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)；應(yīng)用

我國(guó)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)主要為污染影響評(píng)價(jià)，而生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的內(nèi)容深度不夠，沒能把整個(gè)自然環(huán)境看做一個(gè)整體，缺少整體觀念和預(yù)見性，與實(shí)際需要的生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)存在差距。近年來，頻繁發(fā)生的霧霾、沙塵暴、水土流失等生態(tài)災(zāi)害，實(shí)質(zhì)上都是生態(tài)系統(tǒng)的完整性被破壞、人類與自然發(fā)展不和諧的結(jié)果。在環(huán)境影響評(píng)價(jià)的過程中，生態(tài)環(huán)境的評(píng)價(jià)研究相對(duì)滯后，主要以定性描述為主，定量化指標(biāo)較少，在一定程度上影響了建設(shè)項(xiàng)目生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的可靠性。目前，我國(guó)各地環(huán)保部門已興建了環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，對(duì)各地區(qū)的水、空氣等生態(tài)資源狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為環(huán)境保護(hù)事業(yè)作出重大貢獻(xiàn)，但是該體系的設(shè)備價(jià)格昂貴，并且受到人力資源的限制，難以滿足生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的需要，通過地面調(diào)查往往僅限于單要素評(píng)價(jià)，缺乏整體性與宏觀性，從而影響了生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，不能滿足我國(guó)現(xiàn)階段生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的要求。

面對(duì)發(fā)展中出現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境問題，我國(guó)必須走“預(yù)防為主”的道路。遙感技術(shù)作為當(dāng)今生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域最為活躍的技術(shù)之一，無人機(jī)遙感技術(shù)給生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)帶來了福音，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)調(diào)查手段及衛(wèi)星遙感的不足，及時(shí)、快速、準(zhǔn)確地獲得高分辨率空間遙感信息。通過空間遙感技術(shù)與GIS技術(shù)的結(jié)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(tài)環(huán)境研究的廣度和深度，推動(dòng)了生態(tài)環(huán)境研究的發(fā)展。同時(shí)，受到國(guó)內(nèi)外研究者的青睞，也擴(kuò)大了無人機(jī)遙感的應(yīng)用范圍和用戶群。將無人機(jī)遙感系統(tǒng)應(yīng)用到環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，可有效提高環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料的時(shí)效性、可靠性和精確性，為科學(xué)合理地規(guī)劃、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和資源提供重要的數(shù)據(jù)支持。

本文就無人機(jī)遙感系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)概念及應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)綜述，旨在為我國(guó)生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的全面性和準(zhǔn)確性提供良好的技術(shù)支撐。

1 概述

1.1 無人機(jī)遙感系統(tǒng)

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)遙感系統(tǒng)是集成無人機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)、遙感應(yīng)用技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的新型應(yīng)用性技術(shù)。無人機(jī)具有重量輕、體積小，能夠通過地面運(yùn)輸快速到達(dá)指定區(qū)域，定點(diǎn)起飛降落且對(duì)起降場(chǎng)地要求低，具有成本低、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì)。另外，無人機(jī)遙感高分辨率及較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性也是衛(wèi)星遙感所不及的。

隨著我國(guó)整體信息科學(xué)和相關(guān)應(yīng)用的快速發(fā)展，我國(guó)各行業(yè)對(duì)空間數(shù)據(jù)的需求也急劇增加。但目前，對(duì)于空間數(shù)據(jù)，特別是高分辨率空間數(shù)據(jù)的獲取渠道仍然局限于外界采購(gòu)，例如國(guó)外衛(wèi)星遙感、大飛機(jī)航拍等，造成了數(shù)據(jù)重復(fù)采集，資金耗費(fèi)等結(jié)果。微型無人機(jī)低空攝影測(cè)量作為一項(xiàng)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，正是為適應(yīng)這一需要而發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，能夠很好地滿足現(xiàn)階段我國(guó)對(duì)航空遙感業(yè)務(wù)的迫切需求，對(duì)陳舊的地理資料進(jìn)行更新[1- 2]。無人機(jī)遙感技術(shù)已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)課題，已逐步從研究開發(fā)階段發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用階段，有望成為未來的航空遙感主要技術(shù)之一。

1.1.1 無人機(jī)遙感系統(tǒng)工作原理及流程

無人機(jī)遙感系統(tǒng)以低速無人機(jī)為空中遙感平臺(tái)，搭載不同類型的遙感傳感器，如高分辨率的CCD數(shù)碼相機(jī)、紅外掃描儀、多光譜成像儀、輕型光學(xué)相機(jī)等獲取空間遙感信息，用計(jì)算機(jī)對(duì)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(jī)遙感系統(tǒng)的工作平臺(tái)分為四個(gè)部分：有效載荷部分、飛行平臺(tái)部分、數(shù)據(jù)鏈路部分、地面系統(tǒng)部分，如圖1所示。

圖1 無人機(jī)遙感系統(tǒng)工作原理Fig.1 Opertation theory of remote sensing system of UAV

1.1.2 技術(shù)路線

(1)前期內(nèi)業(yè)。以監(jiān)測(cè)區(qū)地形圖為基礎(chǔ)，依據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域地形、地貌、自然氣候設(shè)計(jì)航拍方案。主要考慮因子為控制點(diǎn)、航攝比例尺、重疊度、航攝時(shí)間、航拍高度等。(2)外業(yè)工作。選擇最佳航攝時(shí)間，簡(jiǎn)易跑道，在航攝區(qū)域布設(shè)一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)，無人機(jī)起飛后即可外業(yè)航攝。(3)無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理。整理獲取的單幅航片，清除異常航片；整理飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)、曝光點(diǎn)坐標(biāo)、控制點(diǎn)等數(shù)據(jù)，通過專業(yè)軟件拼接航片生成正射影像圖DOM、數(shù)字高程模型DEM等成果，拼接完成的航片糾偏、調(diào)色處理。(4)無人機(jī)遙感影像的解譯與分析。根據(jù)需要建立遙感解譯標(biāo)志，解譯景觀類型，精確統(tǒng)計(jì)各類地塊的面積，分析DEM數(shù)據(jù)，獲取坡度信息等。

1.2 生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)

在生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法上，美國(guó)的做法比較具有代表性，以生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要研究人類活動(dòng)對(duì)生境和動(dòng)物的影響[3]。現(xiàn)在，人們對(duì)水、氣、聲環(huán)境質(zhì)量的感知更為敏感、直觀，對(duì)此的研究比較多。但生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的對(duì)象不像大氣、水那樣為均勻介質(zhì)或單一體系，而是地域性強(qiáng)、類型和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的地域性特征。通過遙感手段監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目生態(tài)環(huán)境，是進(jìn)行生態(tài)環(huán)評(píng)的前提和基礎(chǔ)。無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)是必然趨勢(shì)，應(yīng)用前景十分廣闊。

2 應(yīng)用

隨著遙感技術(shù)和生態(tài)學(xué)理論的不斷進(jìn)步，無人機(jī)遙感技術(shù)正憑借其機(jī)動(dòng)靈活、高時(shí)效、高分辨率、云下作業(yè)的特性在生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中發(fā)揮著越來越大的作用。另外，無人機(jī)遙感系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大區(qū)域、長(zhǎng)航時(shí)、定點(diǎn)、定區(qū)域監(jiān)測(cè)，快速獲取項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)因子在空間分布及差異規(guī)律，節(jié)省了大量人力、物力、財(cái)力，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者研究了無人機(jī)遙感系統(tǒng)已成功應(yīng)用到環(huán)境保護(hù)的很多領(lǐng)域，就目前生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)應(yīng)用方面如三峽工程、京滬高鐵、武廣高鐵環(huán)保驗(yàn)收[4]、風(fēng)電場(chǎng)、煤礦等大型工程。本文以不同類型工程為研究對(duì)象進(jìn)行說明。

2.1 道路建設(shè)工程

鐵路或公路建設(shè)項(xiàng)目由于環(huán)境線長(zhǎng)，地域復(fù)雜，施工過程形成的便道使自然生態(tài)系統(tǒng)分割，導(dǎo)致自然景觀破碎。在項(xiàng)目建設(shè)過程中，對(duì)植被的影響主要是占用土地，從而對(duì)自然景觀造成影響。若以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的方法評(píng)價(jià)勢(shì)必缺乏對(duì)沿線生態(tài)環(huán)境的宏觀把握。京滬高鐵的環(huán)保驗(yàn)收工作啟動(dòng)了無人機(jī)遙感調(diào)查監(jiān)測(cè)，清晰地觀測(cè)到安全防護(hù)區(qū)內(nèi)的居民拆遷情況，取棄土場(chǎng)占地、施工便道、路基填筑、工程臨時(shí)占地植被恢復(fù)情況等，使建設(shè)項(xiàng)目竣工環(huán)保驗(yàn)收工作的效率得以數(shù)十倍地提升。同期，借助GIS空間分析方法，對(duì)京滬高鐵鎮(zhèn)江南段區(qū)域的景觀格局進(jìn)行了定量分析，如圖2所示。

圖2 京滬高鐵無人機(jī)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(guān)工程

無人機(jī)遙感技術(shù)在水利工程建設(shè)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中也可發(fā)揮特殊的作用。水利工程建設(shè)的空間布局不同，形成了不同的施工方式及運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，生態(tài)環(huán)境信息的不確定性和難獲取性是確定生態(tài)環(huán)評(píng)范圍的難點(diǎn)，從而使生態(tài)環(huán)境影響定量評(píng)價(jià)變得困難。通過無人機(jī)遙感的高分辨率、靈活機(jī)動(dòng)的特性，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)線面相結(jié)合的時(shí)空監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水利工程建設(shè)導(dǎo)致的土地植被變化，土地鹽漬化、淹沒范圍、庫(kù)尾淤積等生態(tài)環(huán)境問題，預(yù)測(cè)不良發(fā)展趨勢(shì)，提供宏觀的科學(xué)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。還可進(jìn)行大型工程建設(shè)施工監(jiān)測(cè)工作，為工程建成后的環(huán)境影響回顧性評(píng)價(jià)提供完整的數(shù)據(jù)。

利用無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)建設(shè)項(xiàng)目的水土保持，通過影像成果繪制出項(xiàng)目各個(gè)分區(qū)邊界線，準(zhǔn)確計(jì)算分區(qū)擾動(dòng)土地面積；提取各分區(qū)植被覆蓋度和土地利用信息；分析DEM數(shù)據(jù)，獲取坡度信息，判別各區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度，計(jì)算施工期間棄渣量等。將這些因子的屬性作為建立GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的水土流失本底數(shù)據(jù)，真實(shí)直觀地反映項(xiàng)目水土流失現(xiàn)狀及隱患，有助于了解項(xiàng)目水土流失發(fā)展趨勢(shì)，以便做好區(qū)域水土保持規(guī)劃工作。

2.3 礦產(chǎn)開發(fā)工程

礦產(chǎn)開發(fā)是對(duì)自然界的強(qiáng)烈改造活動(dòng)，破壞了生態(tài)系統(tǒng)土地利用方式、能量流動(dòng)的過程，導(dǎo)致景觀格局發(fā)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(yán)重、地下水位下降、生態(tài)環(huán)境惡化。無人機(jī)遙感系統(tǒng)可以智能、快速地獲取環(huán)境空間遙感信息，有利于客觀地評(píng)價(jià)建設(shè)項(xiàng)目的生態(tài)環(huán)境影響，繼而提出生態(tài)影響的恢復(fù)、防護(hù)和管理措施。

為配合凌河治理工作，遼寧省環(huán)境與航空應(yīng)用工程中心開展了無人機(jī)低空攝影測(cè)量，完成了阜新細(xì)河流域70余平方公里煤礦場(chǎng)地污染環(huán)保調(diào)查，精確地統(tǒng)計(jì)出了受污染土地面積，掌握了細(xì)河流域的污染狀況，詳細(xì)判別出了污染源的分布，據(jù)此制定了細(xì)河流域環(huán)境綜合整治方案，為“凈土工程”的順利推進(jìn)提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 阜新煤礦場(chǎng)地污染無人機(jī)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(jīng)過各國(guó)專家多年來的研究，無人機(jī)遙感系統(tǒng)在理論基礎(chǔ)和技術(shù)方法上開始由初期探索階段走向?qū)嶋H應(yīng)用階段，越來越多的研究者將無人機(jī)遙感系統(tǒng)應(yīng)用到環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域。由于生態(tài)環(huán)境內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)聯(lián)系比較復(fù)雜，要全面分析建設(shè)工程對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，無人機(jī)遙感技術(shù)和相應(yīng)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)手段都需要進(jìn)一步提升。

(1)生態(tài)環(huán)境遙感調(diào)查與環(huán)境影響評(píng)價(jià)體系的有效結(jié)合。就理論體系而言，生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)與以污染物質(zhì)為主要特征的工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)不同。如何選取更為合適的環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法，更有利于客觀地評(píng)價(jià)工程的生態(tài)環(huán)境影響，從而科學(xué)、準(zhǔn)確地提出生態(tài)影響的防護(hù)、恢復(fù)以及管理的對(duì)策，更好地發(fā)揮無人機(jī)遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的作用，這一問題仍需進(jìn)一步加強(qiáng)研究探討。

(2)無人機(jī)搭載多型傳感器。目前，受載荷和空間限制，我國(guó)無人機(jī)搭載的主要為可見光傳感器。為了更好地滿足生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的需求，尚需研發(fā)多種適用于無人機(jī)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(fā)適用于無人機(jī)搭載的紅外傳感器、高光譜傳感器，以便用于監(jiān)測(cè)水溫、植被分類等生態(tài)環(huán)境要素。

(3)無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)的地面接收與處理。提高圖像數(shù)據(jù)傳輸能力是圖像無線傳輸系統(tǒng)解決的關(guān)鍵問題，可以考慮降低其傳輸系統(tǒng)的重量、能耗、尺寸以及提高圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)木嚯x。數(shù)據(jù)的地面接收與處理是無人機(jī)遙感系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，通過建立固定及移動(dòng)地面數(shù)據(jù)接收站以及圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，將海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理并分析，以期為生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供良好的技術(shù)平臺(tái)。

[1] 朱京海, 徐光, 劉家斌. 無人機(jī)遙感系統(tǒng)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì), 2011(9): 45- 48.

[2] 朱京海, 梁婷, 徐光, 等. 無人機(jī)遙感技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 環(huán)境保護(hù)科學(xué), 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(yíng), 陳忱, 張峰, 等. 無人機(jī)影像高鐵竣工環(huán)保驗(yàn)收信息分類體系研究[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2011(7): 105- 111.

[5] 張忠良, 劉勇, 王杰, 等. 基于遙感與GIS技術(shù)的鐵路建設(shè)環(huán)境影響評(píng)價(jià)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(jī)遙感技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展[J]. 環(huán)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(jí)工程師，博士，主要從事環(huán)境保護(hù)研究，E-mail： wangxiao@163.com

10.14068/j.ceia.2015.02.019

X324

A

2095-6444(2015)02-0070-04