葉劍軍

（貴州省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站，貴州 貴陽 550000）

近年來，無人機遙感作為一種新型空間遙感得到了快速發(fā)展，并在全球范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注，很多組織或個人開始研制集成多種傳感器的無人機系統(tǒng)。傳感器設(shè)備的更新和圖像處理技術(shù)的發(fā)展為城市綠地監(jiān)測研究帶來新的契機，而消費級無人機市場占有率急劇增加，無人機與傳感器設(shè)備朝著微型化發(fā)展，為需求廣泛的城市綠地微觀尺度研究提供設(shè)備支持。目前，我國城市綠地監(jiān)測從以前粗獷地觀測向更為細(xì)致靈活地對目標(biāo)地塊進(jìn)行定期觀測轉(zhuǎn)變，微小型無人機在此方面具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是對于人和大型飛機不易到達(dá)的區(qū)域具有更為顯著的優(yōu)勢。

1 無人機系統(tǒng)

1.1 無人機類型

無人機系統(tǒng)主要由3 部分組成，即：無人駕駛飛行器、地面控制站、由地面控制站負(fù)責(zé)指揮和控制無人機的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。無人機類型多樣，因其所對應(yīng)的有效載荷、續(xù)航時間和目的不同，無人機應(yīng)用研究的尺度也不同，從而可獲得分辨率各異的遙感數(shù)據(jù)。無人機可以按動力來源、控制方式、用途、結(jié)構(gòu)、航程分為不同類型，如按照結(jié)構(gòu)分為固定翼、旋翼、多旋翼無人機；按動力來源分為油動、電動、混合動力等。關(guān)于無人機的分類目前還沒有通用的規(guī)范，常用的分類方式是依據(jù)無人機的機身重量，分為微小型（＜5kg）、小型（＜30kg） 和戰(zhàn)術(shù)型（＜150kg）。

1.2 無人機應(yīng)用領(lǐng)域

無人機的發(fā)展始于1916 年，由美國人Lawrence 和Elmer Sperry 發(fā)明了第一臺無人機。至20 世紀(jì)中后期，無人機被廣泛用于軍事領(lǐng)域，特別適用于執(zhí)行有危險、人無法進(jìn)入或涉及空中監(jiān)視時間過長的任務(wù)。20 世紀(jì)90 年代，隨著無人機技術(shù)的發(fā)展和體量的減小，無人機開始應(yīng)用于民用領(lǐng)域，并在隨后的20 年中得到迅速的發(fā)展。至今，無人機已經(jīng)進(jìn)入全民應(yīng)用階段，并被世界各地的研究人員用于各專業(yè)領(lǐng)域的全新探索。無人機在測繪地理信息、林業(yè)、農(nóng)業(yè)監(jiān)測中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，此外在考古探測、災(zāi)害響應(yīng)、氣象監(jiān)測、城市建設(shè)規(guī)劃等方面也獲得了顯著的研究成果。在城市建設(shè)規(guī)劃中，無人機可以執(zhí)行建設(shè)監(jiān)控、交通監(jiān)管和施工管控等方面的任務(wù)；在城市綠地監(jiān)測方面，無人機的使用對判別城市綠地結(jié)構(gòu)、類型、空間分布以及識別植物種類具有顯著優(yōu)勢。

1.3 無人機在城市綠地監(jiān)測中的優(yōu)勢

無人機遙感具有高時效性、高機動性、高分辨率、云下低空飛行、成本低等優(yōu)勢，為城市綠地識別與監(jiān)測提供了新的方式和視角，也可以作為地面遙感、衛(wèi)星遙感和航空遙感的補充。無人機具有的時間可調(diào)度性和高度可控性可以滿足不同綠地監(jiān)測范圍的實時數(shù)據(jù)傳輸，在非入侵式綠地探測研究中發(fā)揮著巨大的作用。無人機小型化獲得的高機動性極大支持了其在建筑與樹木密集區(qū)域的行動力。同時，其在云層下成像擁有去除大氣云層影響的特點，在較低的拍攝高度可使空間分辨率達(dá)到厘米級，還可獲取精確的三維空間數(shù)據(jù)。另外，低成本的消費級無人機的應(yīng)用能夠滿足各相關(guān)部門不同尺度城市綠地監(jiān)測的研究需求。

2 城市綠地信息提取

2.1 城市綠地制圖

城市綠地制圖關(guān)鍵在于對城市植被區(qū)域的土地覆蓋類型的識別，其使用的數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星圖像（中等分辨率或高分辨率）、航空攝影圖像（高分辨率） 和無人機圖像（超高分辨率）。其中，中等分辨率的多光譜衛(wèi)星圖像，例如LandsatTM和LandsatETM+，可以被用來量化城市植被豐度；高分辨率的IKONOS，QuickBird 等衛(wèi)星數(shù)據(jù)和航空攝影目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市植被制圖和分類識別。盡管衛(wèi)星圖像和航空攝影具有區(qū)分大面積土地覆被類型的能力，但對于城市內(nèi)部微觀尺度的植被覆蓋信息卻缺少準(zhǔn)確提取的能力。無人機遙感則為準(zhǔn)確提取和繪制城市微觀尺度的土地植被覆蓋類型提供了技術(shù)方法。

2.2 綠地特征參數(shù)

無人機超高分辨率的影像可以滿足城市內(nèi)部綠地特征參數(shù)的采集，利用植被指數(shù)在微觀尺度上監(jiān)測植被光譜特征的變化。目前已經(jīng)定義了40 多種植被指數(shù)，主要包括歸一化植被指數(shù)、差值植被指數(shù)、垂直指數(shù)、比值植被指數(shù)等。通過無人機可獲取高時空分辨率的多光譜圖像、高光譜圖像、熱紅外圖像和可見光圖像等用于計算植被指數(shù)，從而表征植被光譜特征，并反演植被覆蓋度與葉面積指數(shù)等。植被覆蓋度的測量對于城市微觀尺度綠地規(guī)劃和研究格外重要。植被覆蓋度是地表植被垂直投影面積占總面積的百分比，是研究城市綠地生態(tài)系統(tǒng)平衡、水土流失、氣候變化和景觀組成的重要綠地指標(biāo)。

3 城市綠地變化監(jiān)測

3.1 植物生長狀況監(jiān)測

應(yīng)用無人機技術(shù)對城市綠地基礎(chǔ)設(shè)施、公園、街道綠化等進(jìn)行評估，可以有效的收集關(guān)于生長速度、物候變化、形態(tài)結(jié)構(gòu)變化等城市綠地植被生長狀況的專業(yè)信息。在遙感技術(shù)領(lǐng)域反映植被生長狀況的指標(biāo)主要有歸一化植被指數(shù)(NDVI)、差值植被指數(shù)、垂直指數(shù)、比值植被指數(shù)等，其中應(yīng)用最廣泛的是歸一化植被指數(shù)。NDVI 是一個簡單的圖形指示器，可以用來評估被觀察的目標(biāo)是否含有活的綠色植被。研究表明，NDVI 與植物冠層的光合能力和能量吸收直接相關(guān)，因此可以作為植物生命力的反映。在專業(yè)無人機系統(tǒng)的協(xié)助下，可利用多光譜、高光譜攝像機進(jìn)行成像，收集定位信息和高質(zhì)量的光譜數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場信息的采集由專業(yè)的攝影測量處理平臺Pix4D 進(jìn)行處理，從而獲得高質(zhì)量的NDVI模型。NDVI 模型中不同的顏色范圍代表了植物的健康程度，該技術(shù)為分析城市綠地所涵蓋的環(huán)境、社會和經(jīng)濟服務(wù)提供了基本的植被健康信息。Dimitrov 等通過無人機搭載多光譜成像儀“ParrotSEQUOIA”獲得NDVI 模型，評估了Karlovo部分研究區(qū)域綠色基礎(chǔ)設(shè)施的質(zhì)量，并與原位觀測進(jìn)行對比，綜合兩種方法以評估Karlovo 公園、城市森林、體育活動區(qū)和中心城鎮(zhèn)4 種不同類型區(qū)域的喬灌木植被健康狀況。

3.2 綠地災(zāi)害監(jiān)測

無人機遙感技術(shù)可以實現(xiàn)城市綠地的遠(yuǎn)程監(jiān)控與災(zāi)難的后續(xù)詳細(xì)調(diào)查，可以到達(dá)并評估從地面無法到達(dá)或看到的樹木區(qū)域。N?si 等對比研究了基于高光譜成像技術(shù)的無人機和飛機兩種系統(tǒng)對單個樹木水平上評估樹皮甲蟲對挪威云杉樹的危害的可行性，結(jié)果表明基于無人機的低成本遙感技術(shù)顯示出更高的準(zhǔn)確度。Zhang 利用無人機遙感技術(shù)對日本虎杖入侵物種分布及生境條件進(jìn)行空間分析，實例證明，無人機對于單獨的樹木或種群調(diào)查與植物入侵昆蟲和病原體等流行病的快速檢測是有效的。Kulhavy 等利用微小型無人機評估了52 棵樹的樹干狀況、生長情況、樹冠結(jié)構(gòu)、昆蟲和疾病、樹冠發(fā)育情況和預(yù)期壽命等6 個變量。

3.3 綠地污染物檢測

城市綠地生態(tài)系統(tǒng)可以通過植物葉片吸收和捕獲空氣中的污染物緩解城市空氣污染，然而污染物分布的時空演化取決于周圍環(huán)境、風(fēng)力風(fēng)向、湍流水平以及溫濕度等，因此開發(fā)能夠監(jiān)測和跟蹤污染物運動的科學(xué)技術(shù)是當(dāng)前城市綠地污染物檢測的重要任務(wù)。

微小型無人機集合多種傳感器平臺系統(tǒng)能夠及時和準(zhǔn)確地獲取這些數(shù)據(jù)，并且因為該系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程的自動化操控，操作人員不需要接觸空氣污染物，從而避免了潛在的危險。該方法不僅可以獲取包含空氣污染物濃度數(shù)據(jù)在內(nèi)的可見光圖像、光譜圖像、環(huán)境氣候參數(shù)等多源數(shù)據(jù)，還實現(xiàn)了低成本高空污染物垂直濃度數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測。

4 結(jié)語

無人機遙感對城市綠地監(jiān)測有著眾多的優(yōu)勢，但由于無人機影像的分辨率高、數(shù)據(jù)量大、圖像處理難度大等問題，對于數(shù)據(jù)的量化分析依舊存在較大的挑戰(zhàn)，這需要更加高效的圖像處理和分類方法。此外，由于無人機平臺荷載的限制，往往要求所載設(shè)備體積更小、自動化程度更高。雖然無人機系統(tǒng)在空間分辨率上相對衛(wèi)星與航空遙感具有顯著優(yōu)勢，但其遙感范圍小、時間同步性差、續(xù)航時間短的問題將極大限制其運用。