无人机遥感技术在生态环境影响评价中的应用研究

王晓臣，朱京海，梁婷，问鼎

(1.辽宁省环境工程评估审核中心， 沈阳 110161； 2.辽宁省环境保护厅， 沈阳 110161；3.辽宁省环境科学研究院， 沈阳 110161； 4.沈阳航空航天大学， 沈阳 110136)

无人机遥感技术在生态环境影响评价中的应用研究

王晓臣1，朱京海2，梁婷3，问鼎4

(1.辽宁省环境工程评估审核中心， 沈阳 110161； 2.辽宁省环境保护厅， 沈阳 110161；3.辽宁省环境科学研究院， 沈阳 110161； 4.沈阳航空航天大学， 沈阳 110136)

从建设项目生态环境影响评价对遥感技术的需求入手，无人机遥感技术具有成本低、影像精度高、实时性强、机动灵活等优点，可作为生态环境影响评价的一种重要技术手段。探讨了无人机遥感技术在大型建设项目：水利工程、矿产开发、道路建设等生态环境影响评价中的应用，提出了无人机遥感系统在生态环境影响评价中应用的可行性，并指出理论与实证中存在的问题及将来发展趋势。

无人机遥感；生态环境影响评价；应用

我国的环境影响评价主要为污染影响评价，而生态环境影响评价的内容深度不够，没能把整个自然环境看做一个整体，缺少整体观念和预见性，与实际需要的生态环境影响评价存在差距。近年来，频繁发生的雾霾、沙尘暴、水土流失等生态灾害，实质上都是生态系统的完整性被破坏、人类与自然发展不和谐的结果。在环境影响评价的过程中，生态环境的评价研究相对滞后，主要以定性描述为主，定量化指标较少，在一定程度上影响了建设项目生态环境影响评价的可靠性。目前，我国各地环保部门已兴建了环境监测站点，对各地区的水、空气等生态资源状况进行实时监测，为环境保护事业作出重大贡献，但是该体系的设备价格昂贵，并且受到人力资源的限制，难以满足生态环境评价和动态预测的需要，通过地面调查往往仅限于单要素评价，缺乏整体性与宏观性，从而影响了生态环境评价结果的准确性，不能满足我国现阶段生态环境监测与评价的要求。

面对发展中出现的生态环境问题，我国必须走“预防为主”的道路。遥感技术作为当今生态环境领域最为活跃的技术之一，无人机遥感技术给生态环境影响评价带来了福音，弥补了传统调查手段及卫星遥感的不足，及时、快速、准确地获得高分辨率空间遥感信息。通过空间遥感技术与GIS技术的结合，定量分析景观斑块、格局和土地利用空间格局的变化情况，提高了生态环境研究的广度和深度，推动了生态环境研究的发展。同时，受到国内外研究者的青睐，也扩大了无人机遥感的应用范围和用户群。将无人机遥感系统应用到环境保护领域，可有效提高环境基础数据资料的时效性、可靠性和精确性，为科学合理地规划、保护生态环境和资源提供重要的数据支持。

本文就无人机遥感系统、生态环境影响评价概念及应用情况进行详细综述，旨在为我国生态环境影响评价的全面性和准确性提供良好的技术支撑。

1 概述

1.1 无人机遥感系统

无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)遥感系统是集成无人机技术、通讯技术、遥测遥控技术、遥感传感器技术、GPS差分定位技术、遥感应用技术及计算机技术为一体的新型应用性技术。无人机具有重量轻、体积小，能够通过地面运输快速到达指定区域，定点起飞降落且对起降场地要求低，具有成本低、机动灵活等优势。另外，无人机遥感高分辨率及较强的实时性也是卫星遥感所不及的。

随着我国整体信息科学和相关应用的快速发展，我国各行业对空间数据的需求也急剧增加。但目前，对于空间数据，特别是高分辨率空间数据的获取渠道仍然局限于外界采购，例如国外卫星遥感、大飞机航拍等，造成了数据重复采集，资金耗费等结果。微型无人机低空摄影测量作为一项空间数据获取的重要手段，正是为适应这一需要而发展起来的一项高新技术，能够很好地满足现阶段我国对航空遥感业务的迫切需求，对陈旧的地理资料进行更新[1- 2]。无人机遥感技术已经成为全球范围内争相研究的热点课题，已逐步从研究开发阶段发展到实际应用阶段，有望成为未来的航空遥感主要技术之一。

1.1.1 无人机遥感系统工作原理及流程

无人机遥感系统以低速无人机为空中遥感平台，搭载不同类型的遥感传感器，如高分辨率的CCD数码相机、红外扫描仪、多光谱成像仪、轻型光学相机等获取空间遥感信息，用计算机对图像矫正、加工等后期处理，并按照一定精度要求制作出正射遥感影像。无人机遥感系统的工作平台分为四个部分：有效载荷部分、飞行平台部分、数据链路部分、地面系统部分，如图1所示。

图1 无人机遥感系统工作原理Fig.1 Opertation theory of remote sensing system of UAV

1.1.2 技术路线

(1)前期内业。以监测区地形图为基础，依据监测区域地形、地貌、自然气候设计航拍方案。主要考虑因子为控制点、航摄比例尺、重叠度、航摄时间、航拍高度等。(2)外业工作。选择最佳航摄时间，简易跑道，在航摄区域布设一定数量的地面控制点，无人机起飞后即可外业航摄。(3)无人机遥感数据预处理。整理获取的单幅航片，清除异常航片；整理飞行姿态数据、曝光点坐标、控制点等数据，通过专业软件拼接航片生成正射影像图DOM、数字高程模型DEM等成果，拼接完成的航片纠偏、调色处理。(4)无人机遥感影像的解译与分析。根据需要建立遥感解译标志，解译景观类型，精确统计各类地块的面积，分析DEM数据，获取坡度信息等。

1.2 生态环境影响评价

在生态环境影响评价方法上，美国的做法比较具有代表性，以生态系统为研究对象，主要研究人类活动对生境和动物的影响[3]。现在，人们对水、气、声环境质量的感知更为敏感、直观，对此的研究比较多。但生态环境影响评价的对象不像大气、水那样为均匀介质或单一体系，而是地域性强、类型和结构复杂的系统，具有较强的地域性特征。通过遥感手段监测工程项目生态环境，是进行生态环评的前提和基础。无人机遥感技术应用于生态环境影响评价是必然趋势，应用前景十分广阔。

2 应用

随着遥感技术和生态学理论的不断进步，无人机遥感技术正凭借其机动灵活、高时效、高分辨率、云下作业的特性在生态环境影响评价中发挥着越来越大的作用。另外，无人机遥感系统可实现大区域、长航时、定点、定区域监测，快速获取项目环境评价因子在空间分布及差异规律，节省了大量人力、物力、财力，具有较高的经济效益和社会效益。

国内许多学者研究了无人机遥感系统已成功应用到环境保护的很多领域，就目前生态环境影响评价应用方面如三峡工程、京沪高铁、武广高铁环保验收[4]、风电场、煤矿等大型工程。本文以不同类型工程为研究对象进行说明。

2.1 道路建设工程

铁路或公路建设项目由于环境线长，地域复杂，施工过程形成的便道使自然生态系统分割，导致自然景观破碎。在项目建设过程中，对植被的影响主要是占用土地，从而对自然景观造成影响。若以现场调查的方法评价势必缺乏对沿线生态环境的宏观把握。京沪高铁的环保验收工作启动了无人机遥感调查监测，清晰地观测到安全防护区内的居民拆迁情况，取弃土场占地、施工便道、路基填筑、工程临时占地植被恢复情况等，使建设项目竣工环保验收工作的效率得以数十倍地提升。同期，借助GIS空间分析方法，对京沪高铁镇江南段区域的景观格局进行了定量分析，如图2所示。

图2 京沪高铁无人机遥感影像景观格局分类图Fig.2 Landscape pattern classification figure of UAV remote sensing image of the Beijing-Shanghai High-speed railway

2.2 水利相关工程

无人机遥感技术在水利工程建设环境影响评价中也可发挥特殊的作用。水利工程建设的空间布局不同，形成了不同的施工方式及运营特点，生态环境信息的不确定性和难获取性是确定生态环评范围的难点，从而使生态环境影响定量评价变得困难。通过无人机遥感的高分辨率、灵活机动的特性，实现点线面相结合的时空监测，及时发现水利工程建设导致的土地植被变化，土地盐渍化、淹没范围、库尾淤积等生态环境问题，预测不良发展趋势，提供宏观的科学数据和决策依据。还可进行大型工程建设施工监测工作，为工程建成后的环境影响回顾性评价提供完整的数据。

利用无人机遥感监测建设项目的水土保持，通过影像成果绘制出项目各个分区边界线，准确计算分区扰动土地面积；提取各分区植被覆盖度和土地利用信息；分析DEM数据，获取坡度信息，判别各区土壤侵蚀强度，计算施工期间弃渣量等。将这些因子的属性作为建立GIS数据库的水土流失本底数据，真实直观地反映项目水土流失现状及隐患，有助于了解项目水土流失发展趋势，以便做好区域水土保持规划工作。

2.3 矿产开发工程

矿产开发是对自然界的强烈改造活动，破坏了生态系统土地利用方式、能量流动的过程，导致景观格局发生巨大变化。就煤矿而言，采煤使土地塌陷、水土流失加剧、土地退化严重、地下水位下降、生态环境恶化。无人机遥感系统可以智能、快速地获取环境空间遥感信息，有利于客观地评价建设项目的生态环境影响，继而提出生态影响的恢复、防护和管理措施。

为配合凌河治理工作，辽宁省环境与航空应用工程中心开展了无人机低空摄影测量，完成了阜新细河流域70余平方公里煤矿场地污染环保调查，精确地统计出了受污染土地面积，掌握了细河流域的污染状况，详细判别出了污染源的分布，据此制定了细河流域环境综合整治方案，为“净土工程”的顺利推进提供了准确的基础数据，如图3所示。

图3 阜新煤矿场地污染无人机遥感正射影像Fig.3 UAV remote sensing ortho-photo map of Fuxin coal mine area pollution

3 研究展望

经过各国专家多年来的研究，无人机遥感系统在理论基础和技术方法上开始由初期探索阶段走向实际应用阶段，越来越多的研究者将无人机遥感系统应用到环境保护领域。由于生态环境内、外部结构联系比较复杂，要全面分析建设工程对生态环境的影响，无人机遥感技术和相应的环境影响评价手段都需要进一步提升。

(1)生态环境遥感调查与环境影响评价体系的有效结合。就理论体系而言，生态环境影响评价与以污染物质为主要特征的工程环境影响评价不同。如何选取更为合适的环境影响评价方法，更有利于客观地评价工程的生态环境影响，从而科学、准确地提出生态影响的防护、恢复以及管理的对策，更好地发挥无人机遥感技术在生态环境影响评价中的作用，这一问题仍需进一步加强研究探讨。

(2)无人机搭载多型传感器。目前，受载荷和空间限制，我国无人机搭载的主要为可见光传感器。为了更好地满足生态环境影响评价的需求，尚需研发多种适用于无人机搭载的传感器，特别是具有重量轻、体积小、抗震性好等特征的传感器，比如研发适用于无人机搭载的红外传感器、高光谱传感器，以便用于监测水温、植被分类等生态环境要素。

(3)无人机遥感数据的地面接收与处理。提高图像数据传输能力是图像无线传输系统解决的关键问题，可以考虑降低其传输系统的重量、能耗、尺寸以及提高图像实时传输的距离。数据的地面接收与处理是无人机遥感系统的一个重要组成部分，通过建立固定及移动地面数据接收站以及图像数据库，将海量数据存储、管理并分析，以期为生态环境影响评价提供良好的技术平台。

[1] 朱京海, 徐光, 刘家斌. 无人机遥感系统在环境保护领域中的应用[J]. 环境保护与循环经济, 2011(9): 45- 48.

[2] 朱京海, 梁婷, 徐光, 等. 无人机遥感技术在环境保护领域中的应用进展[J]. 环境保护科学, 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] 李营, 陈忱, 张峰, 等. 无人机影像高铁竣工环保验收信息分类体系研究[J]. 铁道工程学报, 2011(7): 105- 111.

[5] 张忠良, 刘勇, 王杰, 等. 基于遥感与GIS技术的铁路建设环境影响评价方法探讨[J]. 冰川冻土, 2008, 30(2): 313- 320.

[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.

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

王晓臣(1979—)，男，河南周口人，高级工程师，博士，主要从事环境保护研究，E-mail： wangxiao@163.com

10.14068/j.ceia.2015.02.019

X324

A

2095-6444(2015)02-0070-04