无人机遥感技术在崆峒山景区生态资源保护监测中的应用

秦 雯

(兰州石化职业技术大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730060)

虽然我国工业化和城镇化进程逐步加快,但是也给自然保护地生态资源带来了一定的破坏,重视对自然保护地的生态保护已成为国内社会普遍关心的问题。在自然保护地生态资源保护监测中,收集各类信息是进行生态资源保护的有力依据。由于崆峒山景区管理局人员数量有限,无法对复杂的自然保护地生态资源进行有效的监测,因此,利用无人机是一种非常便捷、高效的手段[1-2]。在无人机技术的普及中,无人机遥感技术能够对复杂地形生态资源进行精确的探测,确保了自然保护地生态资源保护监测数据的精确度和可靠性,从而制定科学合理的保护方案,因此,无人机遥感技术在生态资源保护工作中起到了很大的作用,应用前景广阔。

1 无人机遥感系统及其技术特点概述

1.1 无人机遥感系统

无人机遥感技术是近年发展起来的一项新兴技术,融合了无人机技术、通讯技术和遥测遥控技术、遥感传感器技术、GPS差分定位技术、遥感应用技术[3-4]。具有重量轻,体积小,可以迅速抵达目的地,低成本、灵活机动等优点。此外,其核心是以高精度数字照相机等先进仪器为传感器,通过3 S测绘技术实现多维立体测绘,收集和整理有关数据,利用遥感、GIS和 GPS三大技术,对资料和信息进行识别,提高测量精度。无人机的高分辨率和实时性,与现有的地形环境保护技术相比,它具有成本低、灵活性强、结构简单、测量准确度高、工作效率高等特点,可在一定程度上适应现代生态资源护的需要,是卫星遥感无法比拟的。无人机遥感系统可以拍摄清晰的遥感影像,是自然保护地生态资源保护监测的重要组成部分,由无人机机载遥感设备、稳定系统、计算机设备等搭建而成,如图1所示。

图1 遥感设备及其控制系统

为了满足各种无人机遥感任务需要,平台搭载的遥感设备有:成像光谱仪、CCD摄录机、面阵CCD数码相机、光学胶片相机、磁测仪等。

1.2 无人机遥感技术特点

无人机遥感技术符合自然保护地保护生态资源的需要,随着应用技术突飞猛进的发展,无人机遥感技术的作用越来越明显。在小型目标监测方面,无人机遥感技术的远程控制能力更强,足以满足生态资源保护对监测的要求;与以往的传统技术相比,无人机遥感技术获取信息更加便捷、准确;在生态资源保护中,需要采用三维的方法来进行测量,而无人机遥感技术则可以为监测人员提供更加直观的测量资料,从而提高了监测的整体效果;无人机遥感系统装备有高解析度数字转换装置和数据处理装置,保证了环境监测期间获取的图像数据拥有更高的解析度;目前,无人机监测的成像精度可达0.1～0.5m,在数据转换器的帮助下,无人机拍摄到的图像会自动转化为数据,并将这些数据传输给控制系统,在作业区域进行无人机遥感监测,除了具有较高的处理速度和较高的分辨率、信息率以外,还能更好地保证数据的准确性,对生态资源保护提供有力的技术保障。本文采用的主要技术指标和参数:无人机系统机长:2.8m;翼展:3.6m;起飞速度:70km/h;最大起飞重量:50kg;任务仓尺寸:宽300mm×长500mm×高300mm;任务载荷:大于8kg;飞行速度:70～160km/h;续航时间:3～4h;控制半径:50km;飞行高度:100m～4000m;导航精度:≤80m;控制方式:程控、遥控、自主三种方式;环境温度:-10℃～+40℃;相对湿度:95±3%;风力风向:风力小于或等于4级,风向不限。面阵CCD数码相机像元素:大于3008×2000像元;存储量:大于5G;感光度:50～800;镜头焦距:20～300mm,可选。稳定平台水平稳定精度:2°;调整范围:±20°;偏流修正精度:2°;偏流修正范围:±30°。

2 崆峒山景区概况

崆峒山景区位于甘肃省平凉市,是国家5 A级旅游风景区、国家地质公园和国家生态旅游度假区,面积84km2,以其独特的自然风光和朴实无华的人文景观而享有盛名。崆峒山景区是六盘山山脉的一部分,作为一个动植物王国,拥有1000多种植物种类,包括蕨类植物21科18属30种,裸子植物6科9属15种,被子植物97科397属703种,森林覆盖率达90%以上。崆峒山景区有动物种类300多种,包括珍稀野生动物70余种。有七十二处洞窟,底蕴深厚。由于其独特的地理位置和丰富的自然人文资源, 对保护生物多样性、涵养水源起着举足轻重的作用。生态资源的保护对于国民经济和社会的发展起着举足轻重的作用。随着信息技术、遥感技术和智能化技术的融合应用,无人机遥感技术在自然保护地生态资源保护和监测方面的作用越来越重要。崆峒山管理局成立于1984年,是负责管理崆峒山景区的事业单位,下辖17个科室,共有301名在职员工。主要职责是:生态环境和资源监测、自然资源保护、森林防火、林政执法等。目前,保护区内的现代化科技辅助装备运用还比较落后,生态资源保护和监测主要依靠人工进行,目前仅有海康UAV-MX10B型无人机2台,无人机遥感技术在自然保护地生态资源保护中有待加强。

3 无人机遥感技术的应用

3.1 在环境监测中的应用

在环境监测领域,传统的监测手段多以点为依据,对全地区的环境质量进行评价,因而有一定的局限性。无人机遥感技术具有视野广、实时连续等优点,能够迅速判断周围的环境情况。此外,无人机遥感系统还配备了多波段成像仪,能够生成多种波段的影像,从而达到监测生态资源的目的。无人机还可以搭载移动的大气自动监测平台,对自然保护地大气情况进行监测,可以由机载取样装置进行空气取样,送回实验室进行监测与分析。通过对无人机遥感系统的监测,可以保证在高风险地区安全作业,并且可以有效地防止取样人员发生意外,从而提高整个环境监测工作的成效。

3.2 在环境应急中的应用

在环境突发事件中,利用无人机遥感技术可以克服不利条件和危险因素,快速赶赴生态资源破坏现场,观察现场情况。本系统所搭载的影像平台可以实现对生态资源破坏事件的实时监测,并可为生态资源保护决策提供精确的数据。通过无人机遥感系统远程监测收集相关数据,可以更好地解决突发事件,保障工作人员的生命安全。

3.3 在生态保护中的应用

自然保护区生态环境保护和监测一直是各级环保部门关注的重点,然而,由于自然保护地地理位置偏远、交通不便,生态资源保护工作很难进行。根据这些问题,生态资源保护部门可以通过无人机遥感技术,对有特殊保护要求的区域进行持续的遥感数据对比、分析;同时,利用无人机遥感技术生成高精度的遥感影像,对不同类型的植被、动物进行选择性筛选,从而提高生态资源保护的针对性。由于不同地域的生态环境变化是由自然和人为的综合作用造成的,所以利用无人机遥感技术进行监测,可以为生态资源保护工作提供科学的依据。

3.4 在环境监察中的应用

利用无人机遥感技术,可以从宏观上监测污染物的分布、排放状况和项目建设状况,从而为生态资源保护决策提供参考。在此过程中,还可以通过 GPS技术来跟踪非法污染源,从而达到预防污染物破坏生态资源的目的。

3.5 在建设项目生态保护管理中的应用

利用无人机遥感技术进行环境影响评估,可以为自然保护地区的地形、地貌提供准确的地图信息,特别是在自然保护地一些重要地区更是如此,为了保证生态资源的安全性,必须要有足够的影像资料来支持。目前,崆峒山环保单位仅有时效性差、清晰度低的底图,这会使环境评估工作的质量无法优化和提高。在此基础上,可以为相关部门提供实时、准确的图件,从而降低自然保护地生态资源保护调查的工作量,为生态保护部门提供更为准确、可靠的信息。通过与工程环境评价中的影像进行比对,可以更好地掌握自然保护区的拆迁情况、平面布局和生态资源情况,从而提高生态资源保护评价的科学性。

4 崆峒山景区在生态资源保护监测方面所面临的问题

4.1 地理条件恶劣

崆峒山景区是典型的丹霞地貌,海拔高达2123米。自然保护区群山环抱,沟壑纵横,植被茂密;局部地区岩石裸露,断崖林立,河水汹涌,一些地区光凭汽车和人工是不可能抵达的。

4.2 巡护难度大、效率低

崆峒山自然保护区巡护人员,人均管理面积约为2800亩,大部分区域为山地、林地,日常巡查工作十分困难。一些巡逻小队,距离营地足有20多公里,巡护小队基本都是徒步行进,一次来回巡护至少要2天到3天,队员经常会超负荷工作,体力消耗较大,补给吃力,耗费时间较长,效率不高。

4.3 人力巡护存在安全风险

巡护过程中经常遇到暴雨等恶劣天气,受洪水、泥石流、塌方等灾害影响较大,对相关工作人员生命安全带来严重的威胁。此外,由于我国对生态资源保护的力度不断加强,保护效果日益显现,野生动物数量明显增多,在例行巡护时,队员面临野生食肉类动物袭击的情况也与日俱增。

4.4 森林防火面临诸多挑战

近年来,国内外自然保护区森林火灾频发,例如:美国、墨西哥、国内四川等地都发生了大规模的森林火灾,给自然保护地生态环境保护以及森林防火带来了严峻的挑战;经历自然保护地森林火灾惨痛教训之后,深入分析其根源,发现问题在于自然保护区的生态资源监测工作不到位,防控不及时,当人们发现森林火灾的时候,火灾已经处于很难控制的状态。在传统森林资源监测过程中,都是在现有的调查数据的基础上进行室内分析,然后根据需要进行实地考察。但是,由于受森林内部的地貌、环境等因素的制约,使得森林防火人员很难掌握到真实的森林状况。卫星遥感技术虽然可以起到一定的帮助作用,但是由于受到大气的影响,图像的解析度很低,无法反映出森林的实际状况。调查者可以利用无人机进行作业,在复杂的丛林中,利用无人机进行地形和环境的调查,在无人机上安装高清摄像机,可以在很短的时间内完成对森林的图像采集,从而为调查人员提供准确的图像资料;它不仅能确保采集到的信息准确度,还能有效地提高工作效率,保障工作人员的人身安全,为森林资源管理的科学化以及生态建设提供更加精确的数据支撑。

5 无人机遥感技术在自然保护地生态资源保护监测中应用存在的问题

5.1 续航时间短,抗风能力差

普通无人机通常存在着续航时间不长、抗风能力较差等问题,这也是无人机无法普遍应用的原因,崆峒山景区高海拔区域的小气候变化和山间气流形成的旋风,对于小型无人机而言,这是一种致命威胁。目前市场上大多数小型无人机的续航时间只有20～30min,抗风能力只有3～5级,在高空作业时,要保证在晴朗无风的环境,并需配备多套电池以备紧急情况,使用条件苛刻,限制条件也很多,这也是为什么无人机无法在海拔较高地区使用的主要因素。但就笔者所知,这些问题并不能限制无人机技术在生态资源保护中的应用,有些燃料动力的无人机可以持续飞行5h至8h,而甲醇燃料的无人机则可以持续飞行12h。同时,其还具有6～8级的抗风性能,在晴朗天气和正常风速条件下,可以满足生态资源保护监测的要求,但是异常天气情况下,续航时间和抗风能力方面仍不理想,需要进一步加强。

5.2 数据同步差,无线信号传输存在盲点

无人机在采集到的数据之后,会将其实时传送给地面工作站,通过数据链进行数据传输,并具备远程遥控、遥测、追踪等功能。在4 G网络时代,这些问题确实很难处理,但是随着5 G技术在国内的广泛使用,数据传输将得到很大的改善;H.265和5 G技术的问世,不仅可以满足无人机远程精确操控,还可以满足数据保护,传输数据的需求。但是自然保护地人口稀少,许多地区都有信号盲区和死角,通讯网络没有完全覆盖,需要通过北斗导航加光伏中继站组网的方式,才可以让无人机在作业区域内实现无线信号的整体覆盖。

5.3 无人机资金投入问题和专业技术人员培养问题

适合生态资源保护监测的无人机价格一般较为昂贵。从技术上讲,目前的无人机遥感监测系统已经朝着微型化、轻型化、集成化方向发展,未来随着其广泛使用和推广,其成本也会继续降低到一个比较合理的水平。同时,在相关的操作和后台的软件应用上,也会更加简单化、人性化。无人机操作需要经过驾驶培训学校系统的培训,操作人员需要拿到相关部门的执照。

6 无人机遥感技术在自然保护地生态资源保护监测中应用的优势

6.1 利用无人机开展巡护更加便捷

无人机操作简单,体积小,机动性强,在茂林深处、悬崖绝壁等人烟稀少的地带均可作业,无人机速度快、机动性强,在自然保护地进行人工巡查经常要安排大量人手,特别是在高纬度地带,由于空气含氧量偏少,工作人员的血液缺氧会导致体能的大量消耗,而且在树林里视野不好、被森林覆盖的地方,用眼睛是很难发现问题的。因此,利用无人机进行中低空巡护,不但节省了大量的人手,而且效率也远超普通的人工巡护。例如,无人机上可以搭载的红外测温、测距、风速、风向等多款设备,可以在山林中快速捕捉到起火地点,获取火焰温度、过火面积、地理坐标等信息,并利用计算机系统对火情进行精确的分析,从而为消防人员提供重要的决策依据。有些无人机还具备预先设置路线功能,可以预先设置好航向和高度,在指定的地区上空绕圈,在执行完任务后还能实现自主返回到起飞点的功能,其特点是周期短、精度高、数据收集迅速。无人机只要设定好飞行高度,再在高地上安装信号中继站,就能完成无人机的自动飞行,而且还能防止无人机在高地受非正常气流的影响,也能防止无人机在丛林中失灵坠落。

6.2 利用无人机获取信息更加精准

无人机上的数据传送装置,可以根据无人机驾驶员的指示,获得目标的位置坐标,锁定并实时向驾驶员发送图像和信息。无人机上安装热成像设备,能够在视野范围内精确地分辨出热源,只要将采集到的影像进行对比分析,就能精确地找到隐藏在茂林中的动物和人类;同时,对动物体内的色温进行分析,也能反映出动物的健康、疾病和濒死状态。无人机遥感技术可应用于保护区鸟类、哺乳类动物的活动及生存环境的调查以及对自然保护地内的人类活动进行监测。近年来,以CMOS为代表的影像感应器日趋成熟,使得高清晰度的数字照相机在无人机生态资源保护监测中起着举足轻重的作用。同时,随着无人机遥感技术逐渐朝多光谱、数字化等方向的发展,无人机航拍精度将会得到极大的提高。配备了高清摄像机的无人机,可以将视野范围内的一切目标都拍得非常清楚,同时还能利用放大功能捕捉到目标的细节,无人机可以用于侦查目标区域、侦察可疑目标、现场定位等。与无人机相匹配的后台数据处理软件能对采集到的图像进行大数据分析,能够很好地绘制出路线图、林相图、地形图等,可以帮助自然保护地更好地实现生态资源保护。

6.3 利用无人机可以更好地监测生态环境

无人机可以在天空中自由飞行,具备较好的监测优势。通过自然保护地监测,可以得到大量的生态资源保护数据,并将无人机获取的图像融合在一起,形成一幅清晰的立体图像,方便用户及时发现异常。根据生态资源保护监测的要求,可搭载各种用途的水环境和大气环境监测的红外热像仪和轻型红外航扫仪、红外线扫描仪、微波辐射仪、粒子探测仪、差分吸收光谱探测仪、电化学检测仪等等,功能选择应有尽有,可以根据客户的需要,也可以根据客户的要求进行定制[5]。让它更符合工作的需要。特别是在自然保护地高海拔地区,采用无人机对目标区域进行全天候、高频次的环境和资源监测,使保护区的自然生态资源得到有效的保护。

尽管就目前而言,无人机遥感技术在生态资源保护监测方面的应用还处在起步阶段,许多监测传感设备还需要不断研发,一些新的实用功能还需要持续地改进。目前,我国已提出了构建综合生态资源保护监测系统的设想,提高数据处理的自动化程度将是未来无人机遥感技术发展的一个主要趋势。基于无人机遥感技术的生态资源保护监测自动化体系,可以有效促进自然保护地区的现代化建设,推进自然保护区生态资源的监测、保护和利用。

7 应用策略与展望

7.1 应用策略

以上从多个方面分析了无人机遥感技术在生态资源保护中的作用。通过对无人机遥感技术的分析,要充分发掘其自身的优越性,利用这项技术工作人员可以实时监测和收集有效的数据,并可以利用无人机遥感技术对周围的生态资源进行科学的评估。为了确保无人机遥感科技手段在实际中的运用效果,有关工作者要认真地研究和完善该技术使用方法。在作业过程中,有关人员应根据监测对象、破坏程度等情况,运用无人机遥感技术进行监测。在此过程中,该系统可以根据现场的具体状况作出判断,并提供相应的实时数据。工作人员可以利用这些数据进行生态资源保护评估,使评估的结果更加客观、直观。相关单位和工作人员应当科学利用无人机遥感技术,在实践中利用该项技术的优势,在生态资源保护措施等方面进行创新,保证无人机遥感技术的推广和应用。只有自然保护地工作有效地实施,其内在价值才能得以充分体现。生态资源保护监测工作的质量和效率才能得到提高。

7.2 展望

一、卫星遥感图像与无人机感测图像的融合[6]。利用高分辨率的遥感影像和多波段的卫星遥感图像进行融合,使其具有高分辨率和多光谱特性,可以对潜在目标进行更精确的识别和提取相关信息。图像融合技术能够为后续的处理提供有用的信息,从而为进一步的处理提供更多的特性。二、基于无人机遥感技术图像分割与目标信息的提取。利用该方法可以充分利用无人机图像中的局部信息,尽管该方法程序复杂,参数多,运算量大,但通过对参数选取方法和计算装置的改进,将可以有效地解决这些问题;无人机遥感技术提取和识别地位目标数据具有明显的优势,但在地物目标边缘识别等方面仍有待进一步加强,图像分割技术和目标信息提取技术的融合,以便从无人机高分辨率遥感图像中提取目标,并通过连续采集到的图像,掌握自然保护地生态资源动态变化。研究结果显示,利用无人机遥感技术对动态目标信息的提取是非常有前景的。在国外,已有了提取动态目标运动信息的技术,将其与GIS软件相结合,为生态资源监测和环境应急提供了有力的技术支撑。三、纹理数据自动处理。该系统可以在同一时间搭载两个以上的摄像机,并添加倾斜角度的俯摄,获取多个角度影像更为有利于生态资源监测和影像评价。例如:二类森林资源监测,除分区外,也要计算树种、密度、直径、林木的蓄积量等。从原理上来说,利用无人机遥感技术进行的纹理分析可以实现对以上的资料的估算;即使是小斑纹的边缘,也可以由质地学的纹理分析方法来确定。四、提高航拍图像的清晰度。交互数据语言缺乏有效的基础硬件和通讯接口的管理,所得到的视频帧速率很低,造成了实时图像的连续性不佳。在稳定技术(抗抖动)、清晰为基础的影像过滤技术,改善影像的可视化及清晰程度仍需进一步探讨。五、改进解译方法和解译标志的规范化。无人机遥感解译技术是通过图像的形态、色调和尺寸来实现的。通过对生态资源保护类型、植被分布、水系格局等图像数据的分析,归纳出一系列适用于自然保护地的生态资源保护监测的影响评价、生态资源保护验收、典型地质和地形地貌解释的方法,以及相应的解译标志,将成为未来研究的重要课题。

8 结束语

综上所述,将无人机遥感技术用于生态资源保护监测领域,有助于提高自然保护地监测工作效率。然而,就目前无人机遥感技术在生态资源保护监测中的应用现状而言,与实际工作中的需求还有很大距离,需要继续加强对其技术创新领域的研究,以更好地发挥其在生态资源保护的作用,提高我国生态资源保护监测工作的整体效率。