浅谈无人机高分遥感影像在自然资源调查中的应用

方 攀 杨 晨 高 娟

河南省地质矿产勘查开发局第三地质矿产调查院 河南 信阳 464000

引言

传统意义上的影像数据来自于高分遥感影像,受天气或地形的影响,影像更新时间较长、成本较高,无法避免的造成了自然资源调查工作影像质量的参差不齐,而利用无人机高分遥感影像技术可以弥补此类问题缺陷,增强环境调查工作的精确程度。这样的结果有助于推动我国自然资源调查的信息化发展,建设完善的资源信息数据库。通常情况下自然资源调查工作是实现资源管理与经营,以及可持续发展原则的基础,但其实施过程十分复杂繁琐,应用无人机设备协助图像信息采集是目前自然资源调查的必要措施,可以满足大部分的资源探测需求。

1 无人机遥感平台及技术系现状

1.1 无人机遥感平台

无人机的应用范围随着科技的发展不断扩大,被普遍应用在影像获取技术,在自然资源调查、气象监测、突发事件处理等领域取得了一定的发展,无人机遥感是指无人机与遥感技术相结合,以实现数据快速采集与图像信息获取的作用[1]。其低损耗、低成本的可持续发展特性使人工作业需求大大减少,进而确保资源调查工作的整体效率,为我国自然资源调查与监测等领域的研究工作提供了宝贵的经验和参考依据。

1.2 无人机遥感技术的现状

目前全世界有超过三十个国家在大力发展无人机技术,作为时代发展的先进潮流,民用无人机产业开始逐渐兴起,我国无人机产业已经取得显著成效,各产品远销海外,将无人机的具体应用上升到全新高度,也促进着国民经济的发展[2]。无人机遥感技术的特点是机动灵活、高效准确、能够进行云下摄影,对于一些突发事件的处理,或者是城市建设、环境监测、资源调查等工作有很大帮助。随着最近几年的技术发展,我国已经积累出丰富的无人机遥感技术经验,将无人机遥感传感技术、遥测遥控技术、GPS定位、通讯与感应技术与驾驶技术相结合,并通过数据处理技术与计算机技术的应用,颠覆了传统的自然资源调查形式,让资源调查工作的效率进一步提升,实现自动化、信息化的调查模式。目前看来,该项技术已经成为世界各国广泛关注的科研领域。

2 无人机摄影测量系统

无人机摄影测量系统工包括五个部分,即:飞行器、飞控系统、传感器、定位导航系统以及操作软件[3]。飞行器可分为固定翼、旋翼、以及固定翼旋翼一体式飞行器共三种;飞控系统是飞行控制系统的简称,其主要工作原理是根据飞行器在空中的受力情况调节并分配动力输出;而传感器也分为正射、倾射、雷达、多光谱等多种类型,其中图像采集精度最高的是正射传感器,最高可达到7360*4912的分辨率,精度与清晰度要远远高于卫星遥感;定位导航系统用于记录飞行器信息以及与拍照瞬间的坐标信息,能够确保无人机按指定轨道、速度执行飞行与拍摄任务。相对于传统的卫星遥感,无人机高分遥感影像技术不仅分比率与精度较高,还可以根据工作进度进行调整,更加适合自然资源调查工作的应用。

对于搭载平台的选择方面,要注重自然资源调查环境,一般来说无人机主要是在1000m以下的高度进行航拍,并且大多采用多旋翼无人机,不光是出于成本的考虑,也能获得较好的稳定性,使拍摄图像较为清晰。另外,遥感系统中的传感器在必要情况下需要进行改装,以适应航拍任务的不同需求,拍摄前要进行相关的航线规划,确定好无人机的飞行参数,将航迹、起降点、高度等情况牢牢掌握,确保飞行数据与地面控制台的实时互联。无人机数字摄影测量处理平台种类繁多,其得出的技术性数据与相关技术结合可以有效处理多光谱数据。

3 无人机高分遥感影像在自然资源调查中的应用

3.1 森林资源调查的应用

我国拥有较大的森林面积,覆盖率达到12.98%,森林资源一直以来拥有一定的调查难度,这是因为交通极为不便所导致的。因此,详细准确的进行森林资源的调查工作需要在高分影像资料的帮助下获取,前文提到过现阶段国内大多采用卫星遥感影像技术,分辨率的精度无法满足全部调查工作需求,再加上森林资源调查采集区域多为山区,卫星难以匹配,导致影像获取难度大。应用无人机高分遥感影像进行森林资源调查工作,可以有效规避此类问题,因为无人机具有即时起飞的特点,能够快速进行数据分析并出图。

无人机高分遥感影像的主要应用在森林资源的动态变化与整体分析,动态变化方面利用航拍来获取高分辨率的正射影像,从而进行校正,减少了工作人员多余的调查工作量,并且对林种、地类、优势树种与面积等相关信息充分掌握。森林资源整体分析方面在于清晰的反映树木生长与病虫害情况、树叶纹理与树木表皮纹理、以及植物颜色等变量等,这些都可以通过无人机航拍实现,对整体生态系统的改善与维持起关键作用[4]。

总体来说,无人机高分遥感影像应用于森林资源调查中主要能够监测林地病虫害情况、获取树木基本信息、提取林冠层信息、森林消防监测、以及其他信息获取等。在大范围内进行森林监测,通过可见光相机等设备有效预警,精准地划分出病虫害区域;高分影像及数字摄影测量系统利用三维重建的方式生成数字模型,能够有效测算出各项数值;再通过面向对象法和目视解译法快速获取单木冠幅信息,满足林业调查基本需求;另外,森林消防问题也十分严峻,以无人机作为森林防火的平台,可以对重点区域动态检测,有利于森林火灾及其他自然灾害的提前预防。

3.2 水资源调查的应用

相关部门对水资源的调查工作也相当重视,我国水资源分布特点比较分散且广泛,常规的卫星遥感影响不能良好地适应水资源的主动性与时效性,无法满足调查要求,需要更为精确的基础影响资料辅助水资源调查工作进行,并应用于检测河流、湖泊等水崖线与面积的变化,再根据地形图与相关数据合理估算。在一些重要的水资源设备（如水库、坝区及周边设施等）的环境监测过程中,普遍采取人工作业的方式,由工作人员携带相应设备进行巡查,导致调查工作进展缓慢,不能准确地完成监测任务[5]。因此,可以利用无人机高分遥感影像进行水资源调查的环境监测、实时防控等相关工作,尤其是环境恶劣的区域或者水资源设施发生故障的情况,无人机都能做到快速反应,并及时反馈水资源动态信息,有效缓解调查工作进展缓慢的问题[6]。如果发生大面积的洪涝灾害,也可以利用无人机进行定损作业,对洪灾区域进行高空俯拍,监视灾情的发展并实时传递现场信息,为后方人员的防洪决策提供精准信息。

3.3 国土资源调查领域的应用

高分遥感影像在国土资源调查领域的应用可以从第三次全国国土调查和土地利用规划及执法检查两个角度进行探析。第三次国土调查是在第二次土地调查数据的基础上通过地方资料来绘制、了解自然资源分布图,这样看来,基础影像资料能够直接影响国土调查的结果。我国幅员辽阔,各地区调查质量参差不齐,第三次国土调查是以卫星遥感影像的方式提供基础影像资料,其中也存在部分地区采用无人机高分遥感影响技术获取资料,一定程度上提高了基础影响资料的精确度。由于卫星遥感的分辨率较低,部分地区的旱地、水田、林地等处的地物纹理极其不明显,根本不能做到精确判读,无人机的推广与应用,更加清晰地勾绘出地图边界,不但降低了失误率,还有效减少了调查工作量[7]。在国土资源调查的应用当中,还会出现人力无法到达的无人区（或偏远地区）等情况,这时无人机高分遥感影像的优势就得以体现。

结论

综上所述,在自然资源调查工作中应用无人机高分遥感影像技术有利于提升准确性与信息识别能力,能够减轻工作量,减小调查难度。从本质上讲,无人机高分遥感影像技术与卫星高分遥感影像技术并无实质性差别,都是利用飞行平台搭载高科技传感器来拍摄、处理影像,但无人机通常可以低成本、高效率地完成调查工作,再加上其灵活的机动性与主观可操控性等优点,已经越来越受到相关部门的认可。目前我国处于一种数字化、信息化的自然资源调查模式,技术的研发与创新需要更为广阔的空间,无人机高分遥感影像在自然资源调查领域的应用仍是推动我国社会发展的有效手段。