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无人机遥感技术在环境保护领域中的应用进展_朱京海

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无人机遥感技术在环境保护领域中的应用进展_朱京海

无人机遥感技术在环境保护领域中的应用进展 朱京海

无人机遥感技术在环境保护领域中的应用进展

ApplicationProgressofUAVRemoteSensingTechnology

intheFieldofEnvironmentalProtection

朱京海1,梁 婷3,徐 光2,刘家斌2,问 鼎3

(1.辽宁省环境保护厅,辽宁 沈阳 110033;2.辽宁省环境工程评估审核中心,辽宁 沈阳 110031;

3.沈阳航空航天大学能源与环境学院,辽宁 沈阳 110135)

  摘 要:从建设项目环境保护管理、环境监测、环境应急、生态保护以及环境监察等方面阐述无人机遥感技术在环境保护领域中的应用现状,并对无人机影像的后期处理常用方法及最新发展动向进行了阐述。总结了目前无人机遥感技术在环境保护领域中存在的问题,对数据后处理技术研究方向作出展望。

  关键词:无人机遥感;环境保护;应用;数据后处理  中图分类号:X324      

文献标识码:A

  Abstract:Fromtheaspectsofconstructionprojectenvironmentalmanagement,environmentalmonitoring,environmentalemergency,ecologicalprotectionandenvironmentalsupervising,thisarticleelaboratedtheapplicationstatus,commonmethodofimageprocessingandthelatestdevelopmenttrendsoftheUAVremotesensingtechnologyinthefieldofenvironmentalprotection.Also,itsummarizedtheproblemsoftheUAVremotesensingtechnologyandmadeanoutlookintheresearchdirectionofremotesensingdatapost-processingtechnology.

  Keywords:UnmannedAerialVehicle(UAV)RemoteSensing;EnvironmentalProtection;Application;DataPost-Processing  CLCnumber:X324

  随着科学技术的进步,作为获取遥感数据的新型手段,无人机遥感技术向着光谱信息成像化,雷达成像多极化,光学探测多向化,地学分析智能化,环境研究动态化以及资源研究定量化的方向发展,大大提高了遥感技术的实时性和运行性,使其向多尺度、多频率、全天候、高精度和高效快速的目标发展。无人机遥感适合于小范围的高分辨率遥感数据的即时获取,仅在环境保护领域中的应用就有建设项目环境保护管理、环境监测、环境应急、生态保护、环境监察等。

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1 无人机遥感技术应用现状

1.1 在建设项目环境保护管理中的应用  无人机遥感系统在建设项目环境保护管理方面的应用主要有建设项目环评、环保验收、水土保持监测等。

辽宁环境航空应用工程中心选用高分辨率CanonEOS5DMarkII数码相机作为无人机遥感设备,对辽宁省锦州市第二、三污水处理厂进行环境影响评价,将获取的无人机遥感影像作为底图,通过遥感目视解译,为环评工作提供数据支持和依据。在无人机传感器的视频信息传输方面,搭载相应传感器在建设项目现场环境监理中

收稿日期:2013-01-27

基金项目:中华环境保护基金辽宁环境科研教育“123工程”(CEPF2010-123-2-11)作者简介:朱京海(1960-),男,博士生导师。研究方向:环境管理。

通讯作者:梁 婷(1988-),女,硕士。研究方向:环境监测与评价。E-mail:liangting0912@163.com

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环境保护科学 第39卷 第4期 2013年8月的应用指日可待。2011年辽宁环境航空应用工程中心完成了京沪高铁和辽宁省芳山风力发电项目大比例尺航摄的面积覆盖,包括居民搬迁情况、生态恢复等,建立了无人机遥感信息分类体系和影像解译图符,出版了京沪高铁环保验收航空遥感图集,芳山环保验收航空遥感图集和杨屯风电场环保验收航空遥感图集。李营等对无人机影像武广高铁竣工环保验收信息分类体系进行研究,建立影像解译数据库和制图符号,完成了环保验收工作。同时环保验收工作还可利用建设前、中、后3期遥感图进行植被覆盖动态变化分析。梁志鑫等针对生产建设项目水土流失的问题,提出利用无人机遥感结合现有监测技术的水土保持监测新方法。利用GIS坡度分析,从DEM数据空间分析获得坡度信息,矢量图层叠加分析来划分土壤侵蚀强度,通过不同期间数据对比,得到了水土保持动态监测结果。1.2 无人机遥感技术在环境监测中的应用

无人机遥感技术应用从陆地的土地覆盖及植被变化、土壤侵蚀和地面水污染负荷产生量估算、生物栖息地评价及保护、工程选址和防护林保护规划及建设,到水域的海洋及海岸带生态环境变迁分析

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的数据管理、统计查询、监测对比、分析评价等业务功能,得到东胜区土地利用动态监测结果。

闫军等对宁夏盐池县城区进行无人机航拍,对图像目视判读解译,建立遥感调查解译标志库,客观真实的统计了盐池县城区绿地面积。1.3 无人机遥感技术在环境应急中的应用  周洁萍运用无人机获取汶川地震灾区影像,并以此构建了三维可视化影像管理系统。雷添杰等利用两架“千里眼”无人机航空遥感系统拍摄了北川县震后航空影像,并用随身携带的BGAN卫星通信系统将影像发回民政部,为救灾决策提供依据。同年利用无人机对南方特大低温雨雪冰冻灾情实时监测与勘查、现场救灾指挥和调度、灾后数字地图更新与灾后重建。臧克等将无人机航片用全景制作软件PTGui一次性整体全自动化拼接,利用地震前后影像进行灾情分析与评价。吴振宇等调查。

1.4 无人机遥感技术在生态保护中的应用

中国石油大学王斌利用无人机采集的可见光及红外等信息,提出了无人机图像拼接算法,以及基于聚类分析算法的图像分割模型,研究出土壤湿度预测模型,并验证模型精度和准确性。

2011年12月辽宁省辽宁环境与航空应用工程中心采用无人机遥感系统对辽河流域现状航拍和遥感监测,影像分辨率为0.1m。遥感监测对辽河生态系统现状全面评价,还可以从宏观上观测空气、植被、土壤和水质状况,也可实时快速跟踪和监测突发环境污染事件的发展,及时制定处理措施,减少污染造成的损失。1.5 无人机遥感技术在环境监察中的应用  王思嘉研究和开发了利用无人机预报重大灾害的监测系统。杨燕明等研究了海事应用无人机的可行性。美国卡内基梅隆大学的SeanOwensetal提出了用三维地形模型融合无人机监控视频,把视频放到三维模型环境中,操作员可以不时的在环境中标记位置,无人机便会自主确定路径到达标记处。欧新伟等首次将无人机

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利用快眼无人机对宁夏古城镇

拍摄并用DPGrid软件处理航片,完成了地质灾害

,海上溢油污染等的发现和监

测,林业的现状调查与变化监测,城市的规划与环评分析[11,12],再到大气环境中的大气污染范围识别与定量评价,重大自然灾害的评估与侦察等,几乎覆盖了整个地球生态系统

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[13,14]

张磊等针对小型无人机大气数据采集与处理,设计出一种基于国产嵌入式CPU方舟GT2000无人机大气数据监测系统,并设计了系统的软件和硬件。王洋等设计了小型无人机大气数据采集系统,系统以TMS320F2812为核心,对气压高度和指示空速进行采集,采用高精度A/D转换器提高测量精度到1mV,绝对误差在2 ̄3m,提高了无人机大气数据监测的动态精度。郎城

[17]

[16]

以无人机搭载CCD相机,研究了航空

数字正射影像(DOM)的处理流程,并建立土地利用动态监测数据库模型,开发出区域土地利用动态监测系统,实现了区域土地利用动态监测

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无人机遥感技术在环境保护领域中的应用进展 朱京海

应用在兰成渝输油管道管理中,周期现场巡线,预防因隐蔽打孔盗油导致的原油泄漏、环境污染、管道材质破坏,还可对可疑人员定点盘旋跟踪,保障管道运营安全。马瑞升等[30]将无人机实时视频传输和计算机技术相结合,研制了微型无人机林火监测系统,得到的烟雾识别模型有助于提高森林火情的监测、森林安全管理和预警能力工作的自动化及信息化水平。但视频截图清晰度和视觉效果差,图像信息挖掘需进一步研究。

2.3 遥感数据后处理技术

  DarrenTurneretal对无人机超高分辨率影像利用计算机视觉模型生成点云数据,随后生成纠正图像镶嵌的自动技术,远远超过了传统平台现有的图像镶嵌精度。严格的正射校正比目前应用的空三测量更能改善空间精度,这方面还需进一步研究。无人机航空遥感系统存在的缺陷包括:无法获得姿态参数,影像纠正的难度较高,影像数量多,拼接任务重,影像的前期预处理工作量大;影像的通道数较少,自动分类精度较低,需要人工目视解译的部分比重大。解决这些问题依赖于无人机机载传感器性能的提升、分类方法的改进、遥感影像快速拼接软件的开发、遥感影像的自动识别。比如在应急方面,可以加入更多其他灾害的红外特征,起到预警多种灾害的作用。

2.4 无人机遥感市场不够规范,需要技术投入

无人机遥感系统业内处理没有明确的技术路线和规范,亦没有一套专业理论指导。现在使用的图像处理软件处于探索时期,软件和硬件的设计需要技术投入。针对特定区域需要制定相应的技术规范,无人机行业前景相当广阔,无论是军用还是民用,无人机遥感系统将朝着模块化、系列化和标准化的趋势发展,应用范围极其广泛,前景喜人。

[33]

2 存在问题及对策

为了将无人机遥感技术更好的应用于环境保护领域,无人机遥感技术有待在无人机设计、遥感传感器、姿态控制、数据传输和存储、图像智能快速拼接与自动识别、系统总体集成等方面取得突破。2.1 无人机设计技术

  无人机体积小、质量轻,对起飞、降落场地有一定要求,受工作区地形地貌等条件的限制,尤其天气状况影响较大,若遇大风天气,则无法进行拍摄。起降场地可以采用弹射起飞、伞降、撞网回收解决不利地形起降问题。飞机设计需寻求各要求(载重、航时、作业环境、作业特点、起飞降落条件、抗风性能、展开时间)上的平衡,技术许可的条件下尽可能满足需求。中科院遥感所已研制一套无人机高精度航磁探测系统,解决了磁干扰自动补偿校正技术和多路信息全自动同步采样技术等关键技术,达到多探头,多参量,数字化,全自动,低功耗和高环境适应性的国内先进水平。2.2 遥感传感器技术

由于无人机航拍图像像幅小、基高比小,相同的重叠度情况下,需要更多的控制点;飞行姿态不稳定,造成航拍旋偏角、俯仰、滚动,甚至导致连接有问题;传感器采用非专业相机,光敏度、像点位移、存在镜头畸变、以及其它未知的系统误差。JoshuaKelceyetal研究了无人机6波段多光谱传感器纠正技术,用于改善影像质量。无人机遥感系统的性能还有很大的提升空间,采用多光谱传感器和性能更好的无线数据链路将极大地提升系统的作业效率和影像的清晰度。

[32]

[31]

3 数据后处理技术展望

3.1 无人机遥感影像与卫星遥感影像图像融合

高分辨率的无人机遥感影像与多波段卫星遥感影像进行图像融合,这种像素级的图像融合形成一幅新的图像,此图像既有高分辨率又有多波段,能够更准确识别提取潜在的目标。图像融合可以增加图像的有用信息,以便进行可靠的分段,为下一步处理提供更多特征。

3.2 无人机遥感影像分割及地面目标信息提取技术

实现影像分割方法能够较好的发挥无人机影像局部信息丰富的优势,虽然方法程序复杂、参数多、运算量大,但是随着参数选择策略的研究及计算设备的改进,这些缺点都可以克服;

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环境保护科学 第39卷 第4期 2013年8月面向对象的地物提取方法在识别地物方面具有明显优势,但在精确定位地物边缘方面并不是最优的;

利用影像分割算法与面向对象的地物提取方法,目前已经实现了从无人机高分辨率遥感影像中提取车辆,在此基础上,从连续拍摄的无人机影像序列中获得车辆的运动信息。研究表明无人机遥感影像在提取动态目标运动信息方面具有很大的挖掘潜力。提取动态目标运动信息这种技术国外已经实现,将遥感视频影像与GIS软件结合集成技术可以为环境监察、环境应急提供很好的技术支持。3.3 计算机自动进行纹理信息分析

无人机可同时装载两台或多台相机,增加有倾角的俯拍,多视角图像更加有助于环境监测、环境影像评价的发展。

例如在森林资源二类调查中,除了区划,还要确定小班的树种、密度、直径,推算森林蓄积量等。无人机航片分辨率高,具有非常丰富的纹理信息,理论上讲,存在着用计算机自动进行纹理分析对上述数据进行估计的可能,甚至小班边界也有可能通过纹理分析自动确定。3.4 提高视频截图清晰度

交互式数据语言对于底层硬件和通信接口的管理能力不强,获得的视频帧率偏低,导致实时视频的连贯性较差。计算机软件稳像技术(防抖)和基于清晰度的图像筛选技术加入到软件功能中,提高视觉效果和视频截图清晰度的技术有待研究。3.5 完善解译方法与解译标志的规范化

无人机遥感解译利用影像的形状、色调、大小、阴影等,结合影像上与地质体有关的土地利用类型、植被分布、水系格局等特征,总结出一套适合环境影响评价、生态类环保验收、典型地质以及地形地貌的解译方法,并且形成相关的解译标志,将是一个研究课题。参考文献

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