劉美玲　羅克菊　陳誠(chéng)　曹楠

摘 要：近幾年環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到重視，同時(shí)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測(cè)部門嘗試將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)。它在大氣監(jiān)測(cè)、森林防火、水土保持等方面具有更大的監(jiān)測(cè)優(yōu)點(diǎn)，有利于提高監(jiān)測(cè)效率。本篇文章基于環(huán)境監(jiān)測(cè)的角度，探討無(wú)人機(jī)技術(shù)在這一方面的應(yīng)用，介紹大氣環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)、森林防火檢測(cè)、水土保持監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用。希望本文的研究能夠?yàn)樽x者提供有益參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；遙感技術(shù)

中圖分類號(hào)：P627 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）23-0007-02

我國(guó)過(guò)去幾十年的大發(fā)展是以犧牲環(huán)境為代價(jià)的發(fā)展模式，近幾年的空氣污染、異常天氣問(wèn)題，就是環(huán)境遭到破壞的集中反映。為了響應(yīng)國(guó)家環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，環(huán)保部門加強(qiáng)了環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，通過(guò)獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)制定更具針對(duì)性的環(huán)保措施。為了加強(qiáng)環(huán)保的力度，采用無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用到相關(guān)環(huán)保工作中，以科技促進(jìn)環(huán)境保護(hù)。

1 無(wú)人機(jī)運(yùn)作概述

所謂無(wú)人機(jī)技術(shù)，是指將傳感、遙測(cè)遙控、通訊、GPS定位等技術(shù)整合的綜合系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)人機(jī)各零部件的配合，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。傳感器是無(wú)人機(jī)的重要部件，隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，它呈現(xiàn)著大面積、數(shù)字化、多光譜的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)這些改進(jìn)強(qiáng)化了數(shù)據(jù)采集精度。

無(wú)人機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)主要有三大部分，即前期內(nèi)、外業(yè)以及后期內(nèi)業(yè)。其中前期內(nèi)業(yè)主要由遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)等組成，以此保障前期外業(yè)執(zhí)行的基礎(chǔ)條件；前期外業(yè)，主要是信息數(shù)據(jù)收集的過(guò)程，通過(guò)人工或自動(dòng)控制，在特定范圍內(nèi)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)，搭配GPS定位技術(shù)，確保無(wú)人機(jī)飛行方向正確；后期內(nèi)業(yè)，主要是根據(jù)前期外業(yè)的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析和整理采集數(shù)據(jù)，并基于數(shù)據(jù)結(jié)果作出方案[1]。

采用無(wú)人機(jī)具有不受空間、地形限制的優(yōu)勢(shì)，比起傳統(tǒng)的人工環(huán)境監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)效率和可操作性更強(qiáng)，獲取的信息也相對(duì)更準(zhǔn)確。無(wú)人機(jī)的監(jiān)測(cè)面積覆蓋廣，并且機(jī)身小巧、便于攜帶。無(wú)人機(jī)有充電和加油兩種供能方式，根據(jù)監(jiān)測(cè)站的條件和需要決定。部分機(jī)型的無(wú)人機(jī)，為其添加3kg的油，其續(xù)航時(shí)間達(dá)到10h。此外，無(wú)人機(jī)還朝著智能化、自動(dòng)化的趨勢(shì)發(fā)展，在未來(lái)無(wú)人機(jī)不僅能夠幫助監(jiān)測(cè)人員采集特殊地形的位置，同時(shí)還能根據(jù)監(jiān)測(cè)需要，同步分析和整理所需數(shù)據(jù)。

2 無(wú)人機(jī)應(yīng)用存在的不足

首先是設(shè)計(jì)問(wèn)題，由于無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)便攜性考慮，通常設(shè)計(jì)較小的體積，當(dāng)其飛行到一定高度后，大風(fēng)以及突發(fā)天氣，都會(huì)影響其環(huán)境監(jiān)測(cè)和飛行效果。但是增大增重?zé)o人機(jī)，那么其耗能也隨之增加，續(xù)航時(shí)間也因此變短。

其次是數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，固定在無(wú)人機(jī)的數(shù)碼相機(jī)所收集的數(shù)據(jù)還不夠精確，呈現(xiàn)一些數(shù)據(jù)誤差，未能滿足特定監(jiān)測(cè)任務(wù)。采集數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤差，會(huì)影響繪制圖像的精確性。無(wú)人機(jī)企業(yè)將提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和傳輸效率，作為無(wú)人機(jī)下一階段的發(fā)展重點(diǎn)。

最后是數(shù)據(jù)處理技術(shù)，由于無(wú)人機(jī)是新興事物，對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)功能開(kāi)發(fā)還不夠完善?，F(xiàn)階段的無(wú)人機(jī)主要是將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，并根據(jù)遙感影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。環(huán)境監(jiān)測(cè)人員還需要針對(duì)無(wú)人機(jī)反饋的數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)一步糾偏和修正，如此才能得到較為準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[2]。

3 無(wú)人機(jī)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

（1）配備可見(jiàn)光相機(jī)：目前針對(duì)大氣監(jiān)測(cè)的無(wú)人機(jī)，通常采用“無(wú)人機(jī)+可見(jiàn)光云臺(tái)”的形式，這種組合不僅應(yīng)用范圍廣，并且取得的檢測(cè)效果也最好。相機(jī)本身的變焦功能，能夠在有限的飛行范圍內(nèi)，更大地?cái)U(kuò)展監(jiān)測(cè)可視范圍?？梢?jiàn)光相機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景，大部分被限制在白天或光線充足的夜晚，并且只有拍照和錄制視頻的功能，這種無(wú)人機(jī)配置不能為監(jiān)測(cè)者提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。此外，這種無(wú)人機(jī)容易受到天氣的影響，僅能在污染物可見(jiàn)度高的情況下，監(jiān)測(cè)大氣中的污染物，監(jiān)測(cè)功能較為單一。常規(guī)的可見(jiàn)光載荷，只能幫助監(jiān)測(cè)者發(fā)揮簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)作用，由于功能較少，因此很少在實(shí)際監(jiān)測(cè)任務(wù)中應(yīng)用。

（2）紅外成像功能：將紅外成像功能安裝在無(wú)人機(jī)，能夠解決可見(jiàn)光無(wú)人機(jī)無(wú)法在夜間或光線不充足的監(jiān)控問(wèn)題，擺脫了監(jiān)測(cè)時(shí)間的束縛。通過(guò)熱成像儀的熱分布可視化功能，能夠幫助工作人員進(jìn)行測(cè)溫等操作，特別是在夜間，熱源干擾項(xiàng)較少的情況下，針對(duì)排污企業(yè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)污染源頭，并依靠無(wú)人機(jī)小巧的特點(diǎn)進(jìn)行偷拍，以此掌握排污企業(yè)違規(guī)排污的證據(jù)[3]。

紅外成像功能在實(shí)際應(yīng)用階段，受到的熱源干擾因素較多，部分無(wú)人機(jī)企業(yè)在構(gòu)件模型時(shí)，忽視了安裝紅外成像模塊的問(wèn)題，在大氣監(jiān)測(cè)過(guò)程中沒(méi)能很好地聯(lián)系排放溫度與排放量，無(wú)人機(jī)采集、反饋的數(shù)據(jù)構(gòu)建計(jì)算模型困難，還需要工作人員進(jìn)一步處理和分析熱成像數(shù)據(jù)。

（3）配備氣體傳感器：采用“無(wú)人機(jī)+氣體傳感器”的組合，在此無(wú)人機(jī)安裝多種因子的氣體監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)在測(cè)區(qū)最大范圍巡航。這種無(wú)人機(jī)配置測(cè)出的數(shù)據(jù)精度、準(zhǔn)確度較高，更好地運(yùn)用到大氣監(jiān)測(cè)中。

（4）數(shù)據(jù)可視化：大氣監(jiān)測(cè)主要集中在人員密集的區(qū)域，因此有執(zhí)法的時(shí)效性，部分企業(yè)在極短的時(shí)間內(nèi)違規(guī)排放廢氣，單靠傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式，容易出現(xiàn)取證困難的問(wèn)題。利用無(wú)人機(jī)傳感器，能夠采集到排放廢氣的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，工作人員再將數(shù)據(jù)整理成Excel表格，由此得出監(jiān)測(cè)的企業(yè)是否存在違規(guī)排放的問(wèn)題。采用數(shù)據(jù)可視化的解決方案，能夠工作人員實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并揭示氣體污染物遷移規(guī)律，為大氣監(jiān)測(cè)工作提供充足的數(shù)據(jù)支持，節(jié)省處理數(shù)據(jù)的時(shí)間和人力成本。

3.2 森林防火監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

針對(duì)森林防火監(jiān)測(cè)，主要在無(wú)人機(jī)上配備前視紅外線儀器、分辨率高的相機(jī)、攝像設(shè)備。搭載這些部件在設(shè)置的森林防火區(qū)域巡視，定期或不定期安排無(wú)人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)，然后拍攝特定區(qū)域的森林圖像，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備上傳至林業(yè)監(jiān)控中心，以便工作人員發(fā)現(xiàn)森林一段時(shí)間內(nèi)的變化，發(fā)現(xiàn)其中可能發(fā)生火災(zāi)的隱患，及時(shí)安排護(hù)林員進(jìn)行防火處理。借助機(jī)身上前視紅外線儀器，能夠發(fā)現(xiàn)拍照或攝像期間的溫度情況，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)相對(duì)比，工作人員獲知當(dāng)時(shí)森林處理何種狀態(tài)。在森林發(fā)生火災(zāi)時(shí)，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)方式由于煙霧太大，同時(shí)基于安全性的考慮，可安排無(wú)人機(jī)靠近監(jiān)測(cè)，并通過(guò)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)系統(tǒng)，將火情反饋給林業(yè)部門監(jiān)控中心。如此制定出更行之有效的防火策略，安排消防人員及時(shí)采取有效措施，防止火勢(shì)蔓延。

比起人工巡視的效率和時(shí)間限制，無(wú)人機(jī)在巡視時(shí)間上有更大的優(yōu)勢(shì)，在確保供能（充電、燃油）的前提下，能夠安排多架無(wú)人機(jī)進(jìn)行24小時(shí)巡視，實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋給地面工作人員，在火災(zāi)初期就采取有效的撲救措施。此外，無(wú)人機(jī)因其體積小的特點(diǎn)，可以靈活地調(diào)整飛行路線，根據(jù)監(jiān)測(cè)需要前往指定區(qū)域拍照或攝像，根據(jù)反饋的影像分析和發(fā)現(xiàn)可能存在的森林火災(zāi)隱患。將無(wú)人機(jī)應(yīng)用到火災(zāi)補(bǔ)救指揮中，根據(jù)無(wú)人機(jī)反饋的信息，迅速高效組織和部署補(bǔ)救工作，并借助通訊設(shè)備通知在現(xiàn)場(chǎng)的消防人員，并根據(jù)影像資料規(guī)劃出安全的火場(chǎng)撤離路線，確保滅火、補(bǔ)救工作有序安全進(jìn)行。

盡管盡管無(wú)人機(jī)在森林防火中有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是還有一些缺陷需要改善，如提高無(wú)人機(jī)的抗風(fēng)能力以及監(jiān)測(cè)圖像精度。對(duì)于年齡較大的護(hù)林員來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)的操作相對(duì)復(fù)雜，因此在操作界面以及操作方式上，應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)易化處理，使之上手難度降低。在人、車無(wú)法到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，部署一定數(shù)量的無(wú)人機(jī)，這樣才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)森林火情，實(shí)時(shí)掌握林火態(tài)勢(shì)，以及獲取采取滅火、補(bǔ)救措施的所需信息。

3.3 在水土保持監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

（1）監(jiān)測(cè)內(nèi)容：水土保持檢測(cè)，主要利用無(wú)人機(jī)在測(cè)區(qū)內(nèi)對(duì)地形地貌、土壤情況、水土流失等情況進(jìn)行調(diào)查，對(duì)于水土問(wèn)題嚴(yán)重的區(qū)域還需要拍照以及定位坐標(biāo)。通過(guò)這些調(diào)查工作了解水土流失問(wèn)題的嚴(yán)重性。在水土治理區(qū)域，還可利用無(wú)人機(jī)檢測(cè)該區(qū)域的土方量、水土流失量等參數(shù)，并觀察水土保持工程的建設(shè)情況和效果。對(duì)于林草植被需要進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，針對(duì)攔渣、土地防治、防洪疏導(dǎo)工程進(jìn)行調(diào)查，確保采取的水土保持措施有效性，若是相應(yīng)措施未能發(fā)揮應(yīng)有作用，工作人員可以通過(guò)無(wú)人機(jī)反饋的信息，對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)估。

（2）遙測(cè)數(shù)據(jù)分析：利用無(wú)人機(jī)采集的遙感監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)，對(duì)遙感結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后，將平面布置圖、土地使用現(xiàn)況圖相疊加，以監(jiān)測(cè)區(qū)作為其中邊界線。根據(jù)水土保持項(xiàng)目各施工節(jié)點(diǎn)和水土保持監(jiān)測(cè)頻率，進(jìn)行更加全面的二次遙測(cè)，并使用GIS軟件對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，從中發(fā)現(xiàn)測(cè)區(qū)的臨時(shí)堆土、區(qū)域擾動(dòng)面積的位置和數(shù)量，將其與植物水土措施的位置、數(shù)量整合。將這些數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)不同時(shí)段、不同測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。將遙測(cè)數(shù)據(jù)建立DEM模型，用以檢測(cè)開(kāi)挖土方量、填充土方量，然后再計(jì)算土方量。計(jì)算結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，由此得知水土保持工程期的土方量變化。水土流失量同樣可以用DEM模型計(jì)算，由此得到坡度分級(jí)信息，比對(duì)現(xiàn)有土壤侵蝕標(biāo)準(zhǔn)，估計(jì)監(jiān)測(cè)范圍的整體水土流失量。在水土工程完成后，再使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)，確保該工程效果符合工程設(shè)計(jì)。

（3）無(wú)人機(jī)水土保持監(jiān)測(cè)的應(yīng)用趨勢(shì)：受限于無(wú)人機(jī)較小的體積和飛行高度，以及水土流失區(qū)域過(guò)于復(fù)雜的地形地貌，容易在執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)受到天氣的影響。針對(duì)這一問(wèn)題，工作采用增加無(wú)人機(jī)荷載的方式提高抗風(fēng)能力，但是這樣的配置又會(huì)降低其續(xù)航時(shí)間。因此在較短的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，要求工作人員快速處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將其與高新科技結(jié)合，配合RS、GIS軟件以及遙測(cè)技術(shù)，通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取監(jiān)測(cè)信息，利用GIS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。通過(guò)這樣的軟、硬件改造，將監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)改造成集監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和處理功能于一身的數(shù)據(jù)信息平臺(tái)。借助GIS軟件的模擬功能，建立反映水土保持狀態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù)，方便監(jiān)測(cè)工作人員瀏覽、分析。

（4）在水環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用：在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中，水上無(wú)人機(jī)主要有以下應(yīng)用。第一，進(jìn)行安全采樣。通過(guò)無(wú)人機(jī)的運(yùn)用，相關(guān)工作人員無(wú)需乘船到不同采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，身在岸邊就能對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行操作，使采樣的工作得以完成。第二，克服不利地形。通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行采樣，不但能使工作的效率得到提升，更加方便的進(jìn)行部署，還能使工作的準(zhǔn)備時(shí)間大大縮短，克服水上地形的不利干擾因素，讓工作設(shè)備的路徑保持直線，且性價(jià)比也更高，應(yīng)用無(wú)人機(jī)大幅降低了水環(huán)境監(jiān)測(cè)開(kāi)支。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合上述，本文主要介紹了大氣、森林防火以及水土保持監(jiān)測(cè)幾個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。借助無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性優(yōu)勢(shì)，幫助工作人員在地形地貌復(fù)雜的地區(qū)，更進(jìn)一步地靠近監(jiān)測(cè)目標(biāo)，獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在應(yīng)用過(guò)程中，無(wú)人機(jī)有抗風(fēng)能力差、續(xù)航時(shí)間短的缺陷，在電池、材料學(xué)沒(méi)有大突破的前提下，其技術(shù)改進(jìn)是通過(guò)提高其數(shù)據(jù)處理速度的方式，減少無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。

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