無人機遙感技術在崆峒山景區生態資源保護監測中的應用

秦 雯

(蘭州石化職業技術大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730060)

雖然我國工業化和城鎮化進程逐步加快,但是也給自然保護地生態資源帶來了一定的破壞,重視對自然保護地的生態保護已成為國內社會普遍關心的問題。在自然保護地生態資源保護監測中,收集各類信息是進行生態資源保護的有力依據。由于崆峒山景區管理局人員數量有限,無法對復雜的自然保護地生態資源進行有效的監測,因此,利用無人機是一種非常便捷、高效的手段[1-2]。在無人機技術的普及中,無人機遙感技術能夠對復雜地形生態資源進行精確的探測,確保了自然保護地生態資源保護監測數據的精確度和可靠性,從而制定科學合理的保護方案,因此,無人機遙感技術在生態資源保護工作中起到了很大的作用,應用前景廣闊。

1 無人機遙感系統及其技術特點概述

1.1 無人機遙感系統

無人機遙感技術是近年發展起來的一項新興技術,融合了無人機技術、通訊技術和遙測遙控技術、遙感傳感器技術、GPS差分定位技術、遙感應用技術[3-4]。具有重量輕,體積小,可以迅速抵達目的地,低成本、靈活機動等優點。此外,其核心是以高精度數字照相機等先進儀器為傳感器,通過3 S測繪技術實現多維立體測繪,收集和整理有關數據,利用遙感、GIS和 GPS三大技術,對資料和信息進行識別,提高測量精度。無人機的高分辨率和實時性,與現有的地形環境保護技術相比,它具有成本低、靈活性強、結構簡單、測量準確度高、工作效率高等特點,可在一定程度上適應現代生態資源護的需要,是衛星遙感無法比擬的。無人機遙感系統可以拍攝清晰的遙感影像,是自然保護地生態資源保護監測的重要組成部分,由無人機機載遙感設備、穩定系統、計算機設備等搭建而成,如圖1所示。

圖1 遙感設備及其控制系統

為了滿足各種無人機遙感任務需要,平臺搭載的遙感設備有:成像光譜儀、CCD攝錄機、面陣CCD數碼相機、光學膠片相機、磁測儀等。

1.2 無人機遙感技術特點

無人機遙感技術符合自然保護地保護生態資源的需要,隨著應用技術突飛猛進的發展,無人機遙感技術的作用越來越明顯。在小型目標監測方面,無人機遙感技術的遠程控制能力更強,足以滿足生態資源保護對監測的要求;與以往的傳統技術相比,無人機遙感技術獲取信息更加便捷、準確;在生態資源保護中,需要采用三維的方法來進行測量,而無人機遙感技術則可以為監測人員提供更加直觀的測量資料,從而提高了監測的整體效果;無人機遙感系統裝備有高解析度數字轉換裝置和數據處理裝置,保證了環境監測期間獲取的圖像數據擁有更高的解析度;目前,無人機監測的成像精度可達0.1～0.5m,在數據轉換器的幫助下,無人機拍攝到的圖像會自動轉化為數據,并將這些數據傳輸給控制系統,在作業區域進行無人機遙感監測,除了具有較高的處理速度和較高的分辨率、信息率以外,還能更好地保證數據的準確性,對生態資源保護提供有力的技術保障。本文采用的主要技術指標和參數:無人機系統機長:2.8m;翼展:3.6m;起飛速度:70km/h;最大起飛重量:50kg;任務倉尺寸:寬300mm×長500mm×高300mm;任務載荷:大于8kg;飛行速度:70～160km/h;續航時間:3～4h;控制半徑:50km;飛行高度:100m～4000m;導航精度:≤80m;控制方式:程控、遙控、自主三種方式;環境溫度:-10℃～+40℃;相對濕度:95±3%;風力風向:風力小于或等于4級,風向不限。面陣CCD數碼相機像元素:大于3008×2000像元;存儲量:大于5G;感光度:50～800;鏡頭焦距:20～300mm,可選。穩定平臺水平穩定精度:2°;調整范圍:±20°;偏流修正精度:2°;偏流修正范圍:±30°。

2 崆峒山景區概況

崆峒山景區位于甘肅省平涼市,是國家5 A級旅游風景區、國家地質公園和國家生態旅游度假區,面積84km2,以其獨特的自然風光和樸實無華的人文景觀而享有盛名。崆峒山景區是六盤山山脈的一部分,作為一個動植物王國,擁有1000多種植物種類,包括蕨類植物21科18屬30種,裸子植物6科9屬15種,被子植物97科397屬703種,森林覆蓋率達90%以上。崆峒山景區有動物種類300多種,包括珍稀野生動物70余種。有七十二處洞窟,底蘊深厚。由于其獨特的地理位置和豐富的自然人文資源, 對保護生物多樣性、涵養水源起著舉足輕重的作用。生態資源的保護對于國民經濟和社會的發展起著舉足輕重的作用。隨著信息技術、遙感技術和智能化技術的融合應用,無人機遙感技術在自然保護地生態資源保護和監測方面的作用越來越重要。崆峒山管理局成立于1984年,是負責管理崆峒山景區的事業單位,下轄17個科室,共有301名在職員工。主要職責是:生態環境和資源監測、自然資源保護、森林防火、林政執法等。目前,保護區內的現代化科技輔助裝備運用還比較落后,生態資源保護和監測主要依靠人工進行,目前僅有?？礥AV-MX10B型無人機2臺,無人機遙感技術在自然保護地生態資源保護中有待加強。

3 無人機遙感技術的應用

3.1 在環境監測中的應用

在環境監測領域,傳統的監測手段多以點為依據,對全地區的環境質量進行評價,因而有一定的局限性。無人機遙感技術具有視野廣、實時連續等優點,能夠迅速判斷周圍的環境情況。此外,無人機遙感系統還配備了多波段成像儀,能夠生成多種波段的影像,從而達到監測生態資源的目的。無人機還可以搭載移動的大氣自動監測平臺,對自然保護地大氣情況進行監測,可以由機載取樣裝置進行空氣取樣,送回實驗室進行監測與分析。通過對無人機遙感系統的監測,可以保證在高風險地區安全作業,并且可以有效地防止取樣人員發生意外,從而提高整個環境監測工作的成效。

3.2 在環境應急中的應用

在環境突發事件中,利用無人機遙感技術可以克服不利條件和危險因素,快速趕赴生態資源破壞現場,觀察現場情況。本系統所搭載的影像平臺可以實現對生態資源破壞事件的實時監測,并可為生態資源保護決策提供精確的數據。通過無人機遙感系統遠程監測收集相關數據,可以更好地解決突發事件,保障工作人員的生命安全。

3.3 在生態保護中的應用

自然保護區生態環境保護和監測一直是各級環保部門關注的重點,然而,由于自然保護地地理位置偏遠、交通不便,生態資源保護工作很難進行。根據這些問題,生態資源保護部門可以通過無人機遙感技術,對有特殊保護要求的區域進行持續的遙感數據對比、分析;同時,利用無人機遙感技術生成高精度的遙感影像,對不同類型的植被、動物進行選擇性篩選,從而提高生態資源保護的針對性。由于不同地域的生態環境變化是由自然和人為的綜合作用造成的,所以利用無人機遙感技術進行監測,可以為生態資源保護工作提供科學的依據。

3.4 在環境監察中的應用

利用無人機遙感技術,可以從宏觀上監測污染物的分布、排放狀況和項目建設狀況,從而為生態資源保護決策提供參考。在此過程中,還可以通過 GPS技術來跟蹤非法污染源,從而達到預防污染物破壞生態資源的目的。

3.5 在建設項目生態保護管理中的應用

利用無人機遙感技術進行環境影響評估,可以為自然保護地區的地形、地貌提供準確的地圖信息,特別是在自然保護地一些重要地區更是如此,為了保證生態資源的安全性,必須要有足夠的影像資料來支持。目前,崆峒山環保單位僅有時效性差、清晰度低的底圖,這會使環境評估工作的質量無法優化和提高。在此基礎上,可以為相關部門提供實時、準確的圖件,從而降低自然保護地生態資源保護調查的工作量,為生態保護部門提供更為準確、可靠的信息。通過與工程環境評價中的影像進行比對,可以更好地掌握自然保護區的拆遷情況、平面布局和生態資源情況,從而提高生態資源保護評價的科學性。

4 崆峒山景區在生態資源保護監測方面所面臨的問題

4.1 地理條件惡劣

崆峒山景區是典型的丹霞地貌,海拔高達2123米。自然保護區群山環抱,溝壑縱橫,植被茂密;局部地區巖石裸露,斷崖林立,河水洶涌,一些地區光憑汽車和人工是不可能抵達的。

4.2 巡護難度大、效率低

崆峒山自然保護區巡護人員,人均管理面積約為2800畝,大部分區域為山地、林地,日常巡查工作十分困難。一些巡邏小隊,距離營地足有20多公里,巡護小隊基本都是徒步行進,一次來回巡護至少要2天到3天,隊員經常會超負荷工作,體力消耗較大,補給吃力,耗費時間較長,效率不高。

4.3 人力巡護存在安全風險

巡護過程中經常遇到暴雨等惡劣天氣,受洪水、泥石流、塌方等災害影響較大,對相關工作人員生命安全帶來嚴重的威脅。此外,由于我國對生態資源保護的力度不斷加強,保護效果日益顯現,野生動物數量明顯增多,在例行巡護時,隊員面臨野生食肉類動物襲擊的情況也與日俱增。

4.4 森林防火面臨諸多挑戰

近年來,國內外自然保護區森林火災頻發,例如:美國、墨西哥、國內四川等地都發生了大規模的森林火災,給自然保護地生態環境保護以及森林防火帶來了嚴峻的挑戰;經歷自然保護地森林火災慘痛教訓之后,深入分析其根源,發現問題在于自然保護區的生態資源監測工作不到位,防控不及時,當人們發現森林火災的時候,火災已經處于很難控制的狀態。在傳統森林資源監測過程中,都是在現有的調查數據的基礎上進行室內分析,然后根據需要進行實地考察。但是,由于受森林內部的地貌、環境等因素的制約,使得森林防火人員很難掌握到真實的森林狀況。衛星遙感技術雖然可以起到一定的幫助作用,但是由于受到大氣的影響,圖像的解析度很低,無法反映出森林的實際狀況。調查者可以利用無人機進行作業,在復雜的叢林中,利用無人機進行地形和環境的調查,在無人機上安裝高清攝像機,可以在很短的時間內完成對森林的圖像采集,從而為調查人員提供準確的圖像資料;它不僅能確保采集到的信息準確度,還能有效地提高工作效率,保障工作人員的人身安全,為森林資源管理的科學化以及生態建設提供更加精確的數據支撐。

5 無人機遙感技術在自然保護地生態資源保護監測中應用存在的問題

5.1 續航時間短,抗風能力差

普通無人機通常存在著續航時間不長、抗風能力較差等問題,這也是無人機無法普遍應用的原因,崆峒山景區高海拔區域的小氣候變化和山間氣流形成的旋風,對于小型無人機而言,這是一種致命威脅。目前市場上大多數小型無人機的續航時間只有20～30min,抗風能力只有3～5級,在高空作業時,要保證在晴朗無風的環境,并需配備多套電池以備緊急情況,使用條件苛刻,限制條件也很多,這也是為什么無人機無法在海拔較高地區使用的主要因素。但就筆者所知,這些問題并不能限制無人機技術在生態資源保護中的應用,有些燃料動力的無人機可以持續飛行5h至8h,而甲醇燃料的無人機則可以持續飛行12h。同時,其還具有6～8級的抗風性能,在晴朗天氣和正常風速條件下,可以滿足生態資源保護監測的要求,但是異常天氣情況下,續航時間和抗風能力方面仍不理想,需要進一步加強。

5.2 數據同步差,無線信號傳輸存在盲點

無人機在采集到的數據之后,會將其實時傳送給地面工作站,通過數據鏈進行數據傳輸,并具備遠程遙控、遙測、追蹤等功能。在4 G網絡時代,這些問題確實很難處理,但是隨著5 G技術在國內的廣泛使用,數據傳輸將得到很大的改善;H.265和5 G技術的問世,不僅可以滿足無人機遠程精確操控,還可以滿足數據保護,傳輸數據的需求。但是自然保護地人口稀少,許多地區都有信號盲區和死角,通訊網絡沒有完全覆蓋,需要通過北斗導航加光伏中繼站組網的方式,才可以讓無人機在作業區域內實現無線信號的整體覆蓋。

5.3 無人機資金投入問題和專業技術人員培養問題

適合生態資源保護監測的無人機價格一般較為昂貴。從技術上講,目前的無人機遙感監測系統已經朝著微型化、輕型化、集成化方向發展,未來隨著其廣泛使用和推廣,其成本也會繼續降低到一個比較合理的水平。同時,在相關的操作和后臺的軟件應用上,也會更加簡單化、人性化。無人機操作需要經過駕駛培訓學校系統的培訓,操作人員需要拿到相關部門的執照。

6 無人機遙感技術在自然保護地生態資源保護監測中應用的優勢

6.1 利用無人機開展巡護更加便捷

無人機操作簡單,體積小,機動性強,在茂林深處、懸崖絕壁等人煙稀少的地帶均可作業,無人機速度快、機動性強,在自然保護地進行人工巡查經常要安排大量人手,特別是在高緯度地帶,由于空氣含氧量偏少,工作人員的血液缺氧會導致體能的大量消耗,而且在樹林里視野不好、被森林覆蓋的地方,用眼睛是很難發現問題的。因此,利用無人機進行中低空巡護,不但節省了大量的人手,而且效率也遠超普通的人工巡護。例如,無人機上可以搭載的紅外測溫、測距、風速、風向等多款設備,可以在山林中快速捕捉到起火地點,獲取火焰溫度、過火面積、地理坐標等信息,并利用計算機系統對火情進行精確的分析,從而為消防人員提供重要的決策依據。有些無人機還具備預先設置路線功能,可以預先設置好航向和高度,在指定的地區上空繞圈,在執行完任務后還能實現自主返回到起飛點的功能,其特點是周期短、精度高、數據收集迅速。無人機只要設定好飛行高度,再在高地上安裝信號中繼站,就能完成無人機的自動飛行,而且還能防止無人機在高地受非正常氣流的影響,也能防止無人機在叢林中失靈墜落。

6.2 利用無人機獲取信息更加精準

無人機上的數據傳送裝置,可以根據無人機駕駛員的指示,獲得目標的位置坐標,鎖定并實時向駕駛員發送圖像和信息。無人機上安裝熱成像設備,能夠在視野范圍內精確地分辨出熱源,只要將采集到的影像進行對比分析,就能精確地找到隱藏在茂林中的動物和人類;同時,對動物體內的色溫進行分析,也能反映出動物的健康、疾病和瀕死狀態。無人機遙感技術可應用于保護區鳥類、哺乳類動物的活動及生存環境的調查以及對自然保護地內的人類活動進行監測。近年來,以CMOS為代表的影像感應器日趨成熟,使得高清晰度的數字照相機在無人機生態資源保護監測中起著舉足輕重的作用。同時,隨著無人機遙感技術逐漸朝多光譜、數字化等方向的發展,無人機航拍精度將會得到極大的提高。配備了高清攝像機的無人機,可以將視野范圍內的一切目標都拍得非常清楚,同時還能利用放大功能捕捉到目標的細節,無人機可以用于偵查目標區域、偵察可疑目標、現場定位等。與無人機相匹配的后臺數據處理軟件能對采集到的圖像進行大數據分析,能夠很好地繪制出路線圖、林相圖、地形圖等,可以幫助自然保護地更好地實現生態資源保護。

6.3 利用無人機可以更好地監測生態環境

無人機可以在天空中自由飛行,具備較好的監測優勢。通過自然保護地監測,可以得到大量的生態資源保護數據,并將無人機獲取的圖像融合在一起,形成一幅清晰的立體圖像,方便用戶及時發現異常。根據生態資源保護監測的要求,可搭載各種用途的水環境和大氣環境監測的紅外熱像儀和輕型紅外航掃儀、紅外線掃描儀、微波輻射儀、粒子探測儀、差分吸收光譜探測儀、電化學檢測儀等等,功能選擇應有盡有,可以根據客戶的需要,也可以根據客戶的要求進行定制[5]。讓它更符合工作的需要。特別是在自然保護地高海拔地區,采用無人機對目標區域進行全天候、高頻次的環境和資源監測,使保護區的自然生態資源得到有效的保護。

盡管就目前而言,無人機遙感技術在生態資源保護監測方面的應用還處在起步階段,許多監測傳感設備還需要不斷研發,一些新的實用功能還需要持續地改進。目前,我國已提出了構建綜合生態資源保護監測系統的設想,提高數據處理的自動化程度將是未來無人機遙感技術發展的一個主要趨勢?；跓o人機遙感技術的生態資源保護監測自動化體系,可以有效促進自然保護地區的現代化建設,推進自然保護區生態資源的監測、保護和利用。

7 應用策略與展望

7.1 應用策略

以上從多個方面分析了無人機遙感技術在生態資源保護中的作用。通過對無人機遙感技術的分析,要充分發掘其自身的優越性,利用這項技術工作人員可以實時監測和收集有效的數據,并可以利用無人機遙感技術對周圍的生態資源進行科學的評估。為了確保無人機遙感科技手段在實際中的運用效果,有關工作者要認真地研究和完善該技術使用方法。在作業過程中,有關人員應根據監測對象、破壞程度等情況,運用無人機遙感技術進行監測。在此過程中,該系統可以根據現場的具體狀況作出判斷,并提供相應的實時數據。工作人員可以利用這些數據進行生態資源保護評估,使評估的結果更加客觀、直觀。相關單位和工作人員應當科學利用無人機遙感技術,在實踐中利用該項技術的優勢,在生態資源保護措施等方面進行創新,保證無人機遙感技術的推廣和應用。只有自然保護地工作有效地實施,其內在價值才能得以充分體現。生態資源保護監測工作的質量和效率才能得到提高。

7.2 展望

一、衛星遙感圖像與無人機感測圖像的融合[6]。利用高分辨率的遙感影像和多波段的衛星遙感圖像進行融合,使其具有高分辨率和多光譜特性,可以對潛在目標進行更精確的識別和提取相關信息。圖像融合技術能夠為后續的處理提供有用的信息,從而為進一步的處理提供更多的特性。二、基于無人機遙感技術圖像分割與目標信息的提取。利用該方法可以充分利用無人機圖像中的局部信息,盡管該方法程序復雜,參數多,運算量大,但通過對參數選取方法和計算裝置的改進,將可以有效地解決這些問題;無人機遙感技術提取和識別地位目標數據具有明顯的優勢,但在地物目標邊緣識別等方面仍有待進一步加強,圖像分割技術和目標信息提取技術的融合,以便從無人機高分辨率遙感圖像中提取目標,并通過連續采集到的圖像,掌握自然保護地生態資源動態變化。研究結果顯示,利用無人機遙感技術對動態目標信息的提取是非常有前景的。在國外,已有了提取動態目標運動信息的技術,將其與GIS軟件相結合,為生態資源監測和環境應急提供了有力的技術支撐。三、紋理數據自動處理。該系統可以在同一時間搭載兩個以上的攝像機,并添加傾斜角度的俯攝,獲取多個角度影像更為有利于生態資源監測和影像評價。例如:二類森林資源監測,除分區外,也要計算樹種、密度、直徑、林木的蓄積量等。從原理上來說,利用無人機遙感技術進行的紋理分析可以實現對以上的資料的估算;即使是小斑紋的邊緣,也可以由質地學的紋理分析方法來確定。四、提高航拍圖像的清晰度。交互數據語言缺乏有效的基礎硬件和通訊接口的管理,所得到的視頻幀速率很低,造成了實時圖像的連續性不佳。在穩定技術(抗抖動)、清晰為基礎的影像過濾技術,改善影像的可視化及清晰程度仍需進一步探討。五、改進解譯方法和解譯標志的規范化。無人機遙感解譯技術是通過圖像的形態、色調和尺寸來實現的。通過對生態資源保護類型、植被分布、水系格局等圖像數據的分析,歸納出一系列適用于自然保護地的生態資源保護監測的影響評價、生態資源保護驗收、典型地質和地形地貌解釋的方法,以及相應的解譯標志,將成為未來研究的重要課題。

8 結束語

綜上所述,將無人機遙感技術用于生態資源保護監測領域,有助于提高自然保護地監測工作效率。然而,就目前無人機遙感技術在生態資源保護監測中的應用現狀而言,與實際工作中的需求還有很大距離,需要繼續加強對其技術創新領域的研究,以更好地發揮其在生態資源保護的作用,提高我國生態資源保護監測工作的整體效率。