李娜 溫乃瓔 侯毅葦

摘要：無(wú)人機(jī)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(yīng)多種地形等諸多優(yōu)勢(shì)。本文介紹了基于無(wú)人機(jī)的遙感系統(tǒng)的特點(diǎn)，并著重探討了無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、國(guó)土資源等領(lǐng)域的應(yīng)用，最后，我們總結(jié)了無(wú)人機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，并展望了無(wú)人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域未來(lái)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(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)；航空遙感系統(tǒng)；實(shí)際應(yīng)用

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

中圖分類(lèi)號(hào)：V249.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）25-0112-02

0 引言

無(wú)人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)（Unmanned Aerial System），即無(wú)人機(jī)，是一種不需要飛行器駕駛員上機(jī)操控的，通過(guò)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(wú)人機(jī)系統(tǒng)結(jié)合于一體，即構(gòu)成無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)（Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing System）。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)可搭載相機(jī)以及多光譜、熱紅外、激光雷達(dá)等多遙感傳感器，以機(jī)動(dòng)性能較好的無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)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(diǎn)；同時(shí)，無(wú)人機(jī)由于體積小，便攜性高，具有隨時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)傳輸?shù)哪芰Γ芎玫膹浹a(bǔ)了航天遙感的周期性監(jiān)測(cè)缺陷；且相比于航天遙感，無(wú)人機(jī)可以在小范圍內(nèi)高頻率的出入進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)傳輸現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，這對(duì)于決策的制定具有重要的意義。在科技日漸發(fā)達(dá)的今天，無(wú)人機(jī)技術(shù)也愈發(fā)成熟，同時(shí)，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)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(zhǔn)監(jiān)測(cè)、植物病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、森林資源監(jiān)測(cè)，再跨越到土地資源勘察、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、海洋污染監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域都能見(jiàn)到無(wú)人遙感系統(tǒng)的身影。

1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

從2010年至今，由于無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，其造價(jià)逐漸降低，在民用領(lǐng)域中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，也成為了推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分。2015年，我國(guó)應(yīng)用遙感技術(shù)的無(wú)人機(jī)已超過(guò)3000架，而預(yù)計(jì)未來(lái)5年的總需求量則是現(xiàn)在已有數(shù)量的十倍。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)種類(lèi)繁多，按照不同的平臺(tái)構(gòu)型可以大致分為三類(lèi)：固定翼無(wú)人機(jī)、旋翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人飛艇等。固定翼無(wú)人機(jī)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(guò)彈射無(wú)人機(jī)來(lái)起飛，之后使用機(jī)內(nèi)自帶的降落傘來(lái)降落。旋翼無(wú)人機(jī)也可按其旋翼數(shù)量分為兩種，無(wú)人直升機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)，旋翼無(wú)人機(jī)操作簡(jiǎn)易，攜帶方便，機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)，飛行穩(wěn)定，適用于可視范圍低空勘測(cè)任務(wù)。而無(wú)人飛艇是由其腔內(nèi)氣體控制上升及下降，由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力實(shí)現(xiàn)飛行，因此該類(lèi)無(wú)人駕駛平臺(tái)受到氣候條件影響較大。

2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)

在農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展向機(jī)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(kāi)展對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)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(lèi)分布及數(shù)量情況、病蟲(chóng)害種類(lèi)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(fèi)時(shí)費(fèi)力，往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能將數(shù)據(jù)收集完畢，而不能進(jìn)行實(shí)時(shí)分析；其次人工采集數(shù)據(jù)盡可以進(jìn)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(xué)性，所分得出的結(jié)論往往與實(shí)際略有偏差。而使用無(wú)人機(jī)搭載遙感技術(shù)設(shè)備則可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，且可以保證數(shù)據(jù)完好無(wú)損，從而在提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上減少人的工作量，對(duì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。下面將分三個(gè)方面對(duì)農(nóng)作物的監(jiān)測(cè)進(jìn)行敘述。

2.1.1 農(nóng)作物分類(lèi)

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(duì)農(nóng)作物的種類(lèi)進(jìn)行區(qū)分，若要進(jìn)行作物的精確區(qū)分則需要使用無(wú)人機(jī)搭載遙感設(shè)備，為了進(jìn)一步精確定量地考察分類(lèi)結(jié)果的精度，可以對(duì)其抽樣并對(duì)樣本逐一使用衛(wèi)星定位的地面測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行二次驗(yàn)證，然后將地面測(cè)量結(jié)果數(shù)值與通過(guò)無(wú)人機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行混淆矩陣計(jì)算，通過(guò)這種方法來(lái)確認(rèn)無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在農(nóng)作物分類(lèi)面積的評(píng)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(lèi)。

2.1.2 作物病害、蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)

在實(shí)際種植中，農(nóng)作物易受到各種病害、蟲(chóng)害的侵染。而當(dāng)植物在受到不同病害、蟲(chóng)害侵染時(shí)，在不同波段上會(huì)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(jìn)一步地，由于受到病害、蟲(chóng)害攻擊的不同植物的葉片或莖稈的特征光譜具有高度復(fù)雜性，因此對(duì)于不同植物以及相同植物的不同發(fā)展階段的病害、蟲(chóng)害，可能會(huì)顯現(xiàn)多樣的光譜特征?；诖嗽恚梢允褂脽o(wú)人機(jī)搭載光譜傳感儀對(duì)不同植物分別進(jìn)行病害、蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)，采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行對(duì)比分析以得到精確結(jié)果。

2.1.3 污染檢測(cè)

農(nóng)作物污染有很多方面，比較重要的污染源是來(lái)自水中的重金屬元素，在檢測(cè)污染時(shí)，無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)是一個(gè)很好的使用工具。在使用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田重金屬污染監(jiān)測(cè)時(shí)，最重要的任務(wù)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(guò)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(cè)

森林作為我國(guó)生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，定時(shí)監(jiān)測(cè)就顯得十分重要。森林資源監(jiān)測(cè)的主要工作是進(jìn)行植被的覆蓋率監(jiān)測(cè)。目前檢測(cè)作物覆蓋率變化的方法主要分為兩類(lèi)，其一是通過(guò)森林資源衛(wèi)星反饋的各項(xiàng)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(guò)人工在地面直接采集影像數(shù)據(jù)，對(duì)影像進(jìn)行圖像分類(lèi)操作，從而大致得出覆蓋率。如果直接通過(guò)衛(wèi)星影像來(lái)計(jì)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(yuǎn)，其對(duì)空間的感知能力，以及對(duì)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(huì)造成效率過(guò)低的問(wèn)題。而使用低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)則可以彌補(bǔ)目前兩種覆蓋率變化監(jiān)測(cè)方法的短板。無(wú)人機(jī)所獲取的低空遙感數(shù)據(jù)可以通過(guò)一定的數(shù)據(jù)分析而得出植物的覆蓋率，另外，無(wú)人機(jī)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(cè)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(duì)同一塊林地進(jìn)行遙感觀測(cè)，同時(shí)還需滿足特定的觀測(cè)條件，即被觀測(cè)林區(qū)要和周?chē)尘按嬖谳^大差異。

2.3 國(guó)土資源的監(jiān)測(cè)

現(xiàn)行無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)已具備對(duì)國(guó)土資源進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)的條件。在國(guó)土資源部門(mén)的對(duì)國(guó)土資源的監(jiān)測(cè)中，主要是使用實(shí)地調(diào)查、人工測(cè)量等方法，但使用這種方法存在效率低下、周期較長(zhǎng)、成本較高等問(wèn)題，并且尚有許多地方因?yàn)榈匦卧螂y以進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且人為進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷又會(huì)存在較大誤差，而運(yùn)用無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)，以及衛(wèi)星定位技術(shù)，則可以實(shí)時(shí)獲取多方位的影像數(shù)據(jù)和其他資料，加之無(wú)人機(jī)靈活性好、機(jī)動(dòng)性高、無(wú)視地形的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以獲得更好的監(jiān)測(cè)效果和省去更多的人力物力，是一種很好的監(jiān)測(cè)手段。另外，我們可以將實(shí)時(shí)的無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)與之前保存的數(shù)據(jù)做對(duì)比，就可以較為方便地發(fā)現(xiàn)兩次監(jiān)測(cè)之間發(fā)生的違法違規(guī)用地事件。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在劃定區(qū)域、統(tǒng)計(jì)面積也可以起一定作用，降低數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)難度。

2.4 其他

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在許多方面都有著機(jī)器廣闊的發(fā)展前景，它相對(duì)于衛(wèi)星影像具有更高的地面空間分辨率，并能帶來(lái)衛(wèi)星遙感所不具有的精細(xì)紋理等額外的遙感信息，可以廣泛的應(yīng)用于很多遙感監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

3 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的制約

無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)旋翼產(chǎn)生的氣流容易對(duì)大氣等監(jiān)測(cè)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(yīng)用無(wú)人機(jī)吊艙系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于高空氣流以及無(wú)人機(jī)旋翼產(chǎn)生的氣流會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)自身的穩(wěn)定性造成一定影響，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)所拍攝或采集的數(shù)據(jù)具有誤差。就無(wú)人機(jī)拍攝圖像而言，由于無(wú)人機(jī)在懸停的過(guò)程中受到氣流的擾動(dòng)，所拍攝的圖像會(huì)呈現(xiàn)重疊等現(xiàn)象，而無(wú)人機(jī)所搭載的拍攝設(shè)備多為數(shù)碼相機(jī)，不具備廣角拍攝，需使用無(wú)人機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)相機(jī)旋拍，這使得圖像在后期的合成過(guò)程中，具有較大難度。

3.2 無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的不自主性

現(xiàn)如今，多數(shù)無(wú)人機(jī)的飛行是依靠綜合傳感器與操作人員來(lái)共同完成的，而當(dāng)無(wú)人機(jī)飛行到操作員目不所及之處或無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中出現(xiàn)故障，無(wú)人機(jī)不具有自我解決問(wèn)題的能力，如果飛控人員不能及時(shí)控制，無(wú)人機(jī)極有可能直接墜毀。

3.3 無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的信息安全

信息安全被譽(yù)為21實(shí)際最亟待解決的問(wèn)題，由于無(wú)人機(jī)體積小、隱藏度高，實(shí)時(shí)采集信息時(shí)極難被發(fā)現(xiàn)，這使得地理信息在無(wú)人監(jiān)管區(qū)域極易泄露，而電腦黑客的存在，也使得無(wú)人機(jī)所采集的信息極易被盜取，若被盜取的信息國(guó)防軍事領(lǐng)域，后果難以估量。

3.4 無(wú)人機(jī)管理政策

無(wú)人機(jī)現(xiàn)已經(jīng)走向民用活動(dòng)，無(wú)人機(jī)的使用必須有相應(yīng)的法規(guī)來(lái)制約，使用無(wú)人機(jī)也必須服從國(guó)家規(guī)定，不可在任意空域飛行。

4 總結(jié)展望

無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)在各個(gè)應(yīng)用平臺(tái)都具有明顯的優(yōu)勢(shì)及廣闊的應(yīng)用前景，它以其忽視地形的靈巧性、數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、作業(yè)效率的高超性深得各個(gè)領(lǐng)域的喜愛(ài)。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)也以其特有的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航拍的不足，這對(duì)航拍遙感的發(fā)展具有重大的意義，盡管無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)還處于發(fā)展階段，諸多技術(shù)問(wèn)題還沒(méi)有攻克，但我們有理由相信，無(wú)人機(jī)發(fā)展的未來(lái)必定欣欣向榮。

參考文獻(xiàn)：

[1]王寶國(guó)，王衛(wèi)東.無(wú)人機(jī)遙感在非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)中的應(yīng)用[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2015（22）：139-140.

[2]徐譽(yù)遠(yuǎn)，胡爽，王本洋.無(wú)人機(jī)遙感在我國(guó)森林資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用動(dòng)態(tài)[J].林業(yè)與環(huán)境科學(xué)，2017，33（01）：97-101.

[3]吳永亮，陳建平，姚書(shū)朋，徐彬.無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)應(yīng)用[J].國(guó)土資源遙感，2017，29（04）：120-125.

[4]路寬，佘振維，王圣先.無(wú)人機(jī)遙感在森林資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].低碳世界，2017（34）：355-356.

[5]胡健波，張健.無(wú)人機(jī)遙感在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2018，38（01）：20-30.