无人机技术在环境监测中的应用前景

刘美玲　罗克菊　陈诚　曹楠

摘 要：近几年环境问题越来越受到重视，同时随着技术的不断发展，环境监测部门尝试将无人机技术应用到环境监测。它在大气监测、森林防火、水土保持等方面具有更大的监测优点，有利于提高监测效率。本篇文章基于环境监测的角度，探讨无人机技术在这一方面的应用，介绍大气环境质量检测、森林防火检测、水土保持监测等方面的应用。希望本文的研究能够为读者提供有益参考。

关键词：无人机；环境监测；遥感技术

中图分类号：P627 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）23-0007-02

我国过去几十年的大发展是以牺牲环境为代价的发展模式，近几年的空气污染、异常天气问题，就是环境遭到破坏的集中反映。为了响应国家环保的可持续发展战略，环保部门加强了环境监测工作，通过获得的监测数据制定更具针对性的环保措施。为了加强环保的力度，采用无人机技术应用到相关环保工作中，以科技促进环境保护。

1 无人机运作概述

所谓无人机技术，是指将传感、遥测遥控、通讯、GPS定位等技术整合的综合系统，通过无人机各零部件的配合，执行数据采集、数据传输的任务。传感器是无人机的重要部件，随着技术的进步和发展，它呈现着大面积、数字化、多光谱的发展趋势，通过这些改进强化了数据采集精度。

无人机的运转主要有三大部分，即前期内、外业以及后期内业。其中前期内业主要由遥感监测系统、地面控制系统等组成，以此保障前期外业执行的基础条件；前期外业，主要是信息数据收集的过程，通过人工或自动控制，在特定范围内执行数据采集任务，搭配GPS定位技术，确保无人机飞行方向正确；后期内业，主要是根据前期外业的数据，进一步分析和整理采集数据，并基于数据结果作出方案[1]。

采用无人机具有不受空间、地形限制的优势，比起传统的人工环境监测，其监测效率和可操作性更强，获取的信息也相对更准确。无人机的监测面积覆盖广，并且机身小巧、便于携带。无人机有充电和加油两种供能方式，根据监测站的条件和需要决定。部分机型的无人机，为其添加3kg的油，其续航时间达到10h。此外，无人机还朝着智能化、自动化的趋势发展，在未来无人机不仅能够帮助监测人员采集特殊地形的位置，同时还能根据监测需要，同步分析和整理所需数据。

2 无人机应用存在的不足

首先是设计问题，由于无人机基础便携性考虑，通常设计较小的体积，当其飞行到一定高度后，大风以及突发天气，都会影响其环境监测和飞行效果。但是增大增重无人机，那么其耗能也随之增加，续航时间也因此变短。

其次是数据传输技术，固定在无人机的数码相机所收集的数据还不够精确，呈现一些数据误差，未能满足特定监测任务。采集数据产生的误差，会影响绘制图像的精确性。无人机企业将提高采集数据的准确度和传输效率，作为无人机下一阶段的发展重点。

最后是数据处理技术，由于无人机是新兴事物，对于环境监测功能开发还不够完善。现阶段的无人机主要是将采集数据传输到系统中，并根据遥感影像进行数据处理。环境监测人员还需要针对无人机反馈的数据，进行进一步纠偏和修正，如此才能得到较为准确的监测数据[2]。

3 无人机技术在环境监测中的应用

3.1 大气环境监测的应用

（1）配备可见光相机：目前针对大气监测的无人机，通常采用“无人机+可见光云台”的形式，这种组合不仅应用范围广，并且取得的检测效果也最好。相机本身的变焦功能，能够在有限的飞行范围内，更大地扩展监测可视范围。可见光相机的应用场景，大部分被限制在白天或光线充足的夜晚，并且只有拍照和录制视频的功能，这种无人机配置不能为监测者提供精准的数据支持。此外，这种无人机容易受到天气的影响，仅能在污染物可见度高的情况下，监测大气中的污染物，监测功能较为单一。常规的可见光载荷，只能帮助监测者发挥简单的监测作用，由于功能较少，因此很少在实际监测任务中应用。

（2）红外成像功能：将红外成像功能安装在无人机，能够解决可见光无人机无法在夜间或光线不充足的监控问题，摆脱了监测时间的束缚。通过热成像仪的热分布可视化功能，能够帮助工作人员进行测温等操作，特别是在夜间，热源干扰项较少的情况下，针对排污企业进行监测，能够更准确地发现污染源头，并依靠无人机小巧的特点进行偷拍，以此掌握排污企业违规排污的证据[3]。

红外成像功能在实际应用阶段，受到的热源干扰因素较多，部分无人机企业在构件模型时，忽视了安装红外成像模块的问题，在大气监测过程中没能很好地联系排放温度与排放量，无人机采集、反馈的数据构建计算模型困难，还需要工作人员进一步处理和分析热成像数据。

（3）配备气体传感器：采用“无人机+气体传感器”的组合，在此无人机安装多种因子的气体监测传感器，实现在测区最大范围巡航。这种无人机配置测出的数据精度、准确度较高，更好地运用到大气监测中。

（4）数据可视化：大气监测主要集中在人员密集的区域，因此有执法的时效性，部分企业在极短的时间内违规排放废气，单靠传统监测方式，容易出现取证困难的问题。利用无人机传感器，能够采集到排放废气的各项数据，工作人员再将数据整理成Excel表格，由此得出监测的企业是否存在违规排放的问题。采用数据可视化的解决方案，能够工作人员实时显示监测数据，并揭示气体污染物迁移规律，为大气监测工作提供充足的数据支持，节省处理数据的时间和人力成本。

3.2 森林防火监测的应用

针对森林防火监测，主要在无人机上配备前视红外线仪器、分辨率高的相机、摄像设备。搭载这些部件在设置的森林防火区域巡视，定期或不定期安排无人机执行飞行任务，然后拍摄特定区域的森林图像，并通过数据传输设备上传至林业监控中心，以便工作人员發现森林一段时间内的变化，发现其中可能发生火灾的隐患，及时安排护林员进行防火处理。借助机身上前视红外线仪器，能够发现拍照或摄像期间的温度情况，将监测数据与历史数据相对比，工作人员获知当时森林处理何种状态。在森林发生火灾时，传统的人工监测方式由于烟雾太大，同时基于安全性的考虑，可安排无人机靠近监测，并通过实时传输数据系统，将火情反馈给林业部门监控中心。如此制定出更行之有效的防火策略，安排消防人员及时采取有效措施，防止火势蔓延。

比起人工巡视的效率和时间限制，无人机在巡视时间上有更大的优势，在确保供能（充电、燃油）的前提下，能够安排多架无人机进行24小时巡视，实时将监测数据反馈给地面工作人员，在火灾初期就采取有效的扑救措施。此外，无人机因其体积小的特点，可以灵活地调整飞行路线，根据监测需要前往指定区域拍照或摄像，根据反馈的影像分析和发现可能存在的森林火灾隐患。将无人机应用到火灾补救指挥中，根据无人机反馈的信息，迅速高效组织和部署补救工作，并借助通讯设备通知在现场的消防人员，并根据影像资料规划出安全的火场撤离路线，确保灭火、补救工作有序安全进行。

尽管尽管无人机在森林防火中有诸多优点，但是还有一些缺陷需要改善，如提高无人机的抗风能力以及监测图像精度。对于年龄较大的护林员来说，无人机的操作相对复杂，因此在操作界面以及操作方式上，应进行简易化处理，使之上手难度降低。在人、车无法到达的偏远地区，部署一定数量的无人机，这样才能及时发现森林火情，实时掌握林火态势，以及获取采取灭火、补救措施的所需信息。

3.3 在水土保持监测的应用

（1）监测内容：水土保持检测，主要利用无人机在测区内对地形地貌、土壤情况、水土流失等情况进行调查，对于水土问题严重的区域还需要拍照以及定位坐标。通过这些调查工作了解水土流失问题的严重性。在水土治理区域，还可利用无人机检测该区域的土方量、水土流失量等参数，并观察水土保持工程的建设情况和效果。对于林草植被需要进行持续监测，针对拦渣、土地防治、防洪疏导工程进行调查，确保采取的水土保持措施有效性，若是相应措施未能发挥应有作用，工作人员可以通过无人机反馈的信息，对其质量进行综合评估。

（2）遥测数据分析：利用无人机采集的遥感监测信息数据，对遥感结果进行简单处理后，将平面布置图、土地使用现况图相叠加，以监测区作为其中边界线。根据水土保持项目各施工节点和水土保持监测频率，进行更加全面的二次遥测，并使用GIS软件对遥测数据进行解译，从中发现测区的临时堆土、区域扰动面积的位置和数量，将其与植物水土措施的位置、数量整合。将这些数据输入到数据库中，根据不同时段、不同测区的数据进行比对分析。将遥测数据建立DEM模型，用以检测开挖土方量、填充土方量，然后再计算土方量。计算结果与历史数据进行对比，由此得知水土保持工程期的土方量变化。水土流失量同样可以用DEM模型计算，由此得到坡度分级信息，比对现有土壤侵蚀标准，估计监测范围的整体水土流失量。在水土工程完成后，再使用无人机进行全面的监测，确保该工程效果符合工程设计。

（3）无人机水土保持监测的应用趋势：受限于无人机较小的体积和飞行高度，以及水土流失区域过于复杂的地形地貌，容易在执行监测任务时受到天气的影响。针对这一问题，工作采用增加无人机荷载的方式提高抗风能力，但是这样的配置又会降低其续航时间。因此在较短的监测时间内，要求工作人员快速处理监测数据，将其与高新科技结合，配合RS、GIS软件以及遥测技术，通过无人机获取监测信息，利用GIS软件进行数据分析处理。通过这样的软、硬件改造，将监测无人机改造成集监测、数据分析和处理功能于一身的数据信息平台。借助GIS软件的模拟功能，建立反映水土保持状态的数据库，方便监测工作人员浏览、分析。

（4）在水环境监测的应用：在水环境监测中，水上无人机主要有以下应用。第一，进行安全采样。通过无人机的运用，相关工作人员无需乘船到不同采样点进行采样，身在岸边就能对无人机进行操作，使采样的工作得以完成。第二，克服不利地形。通过无人机进行采样，不但能使工作的效率得到提升，更加方便的进行部署，还能使工作的準备时间大大缩短，克服水上地形的不利干扰因素，让工作设备的路径保持直线，且性价比也更高，应用无人机大幅降低了水环境监测开支。

4 结语

综合上述，本文主要介绍了大气、森林防火以及水土保持监测几个环境监测领域。借助无人机的机动性优势，帮助工作人员在地形地貌复杂的地区，更进一步地靠近监测目标，获取实时监测数据。在应用过程中，无人机有抗风能力差、续航时间短的缺陷，在电池、材料学没有大突破的前提下，其技术改进是通过提高其数据处理速度的方式，减少无人机的续航时间。

参考文献

[1]向杰，陈建平，李诗，等.无人机遥感技术在北京首云铁矿储量动态监测中的应用[J].国土资源遥感，2018，30（03）：224-229.

[2]刘方正，杜金鸿，周越，等.无人机和地面相结合的自然保护地生物多样性监测技术与实践[J].生物多样性，2018，26（08）：905-917.

[3]段德声，钟非非.无人机倾斜摄影测量技术在区域土地利用动态监管中的应用[J].建材与装饰，2018（38）：239-240.