王 新,陳 武,汪榮勝,黃志行

(1.浙江省水利防災減災重點實驗室,浙江 杭州 310020;2.浙江省河海測繪院,浙江 杭州 310008)

1 問題的提出

無人機遙感(Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing),是通過無線電遙控設備或機載計算機程控系統(tǒng)進行操控的不載人飛行器。無人機作為空中遙感平臺的微型遙感技術,其特點是:以無人機為空中平臺,遙感傳感器獲取信息,用計算機對圖像信息進行處理,并按照一定精度要求制作成圖像。無人機系統(tǒng)結構簡單、使用成本低,不但能完成有人駕駛飛機執(zhí)行的任務,更適用于有人飛機不宜執(zhí)行的任務,如危險區(qū)域的地質災害調(diào)查、空中救援指揮和環(huán)境遙感監(jiān)測。無人機遙感系統(tǒng)由于具有機動、快速、經(jīng)濟等優(yōu)勢,已經(jīng)成為世界各國爭相研究的熱點課題,現(xiàn)已逐步從研究開發(fā)發(fā)展到實際應用階段,成為未來的主要航空遙感技術之一。正由于無人機低空遙感技術的這些特點,彌補了傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感技術的不足,為水利相關領域的技術發(fā)展帶來了新的契機。本文將從無人機技術的發(fā)展、應用特點來分析和展望該技術在水利相關領域中的應用前景。

2 無人機低空遙感發(fā)展及應用特點

無人機出現(xiàn)在1917年,早期的無人駕駛飛行器的研制和應用主要用作靶機,應用范圍主要是在軍事上,后來逐漸用于作戰(zhàn)、偵察及民用遙感飛行平臺。20世紀80年代以來,隨著計算機技術、通訊技術的迅速發(fā)展以及各種數(shù)字化、重量輕、體積小、探測精度高的新型傳感器的不斷面世,無人機的性能不斷提高,應用范圍和應用領域迅速拓展。世界范圍內(nèi)的各種用途、各種性能指標的無人機的類型已達數(shù)百種之多。續(xù)航時間從1小時延長到幾十個小時,任務載荷從幾公斤到幾百公斤,這為長時間、大范圍的遙感監(jiān)測提供了保障,也為搭載多種傳感器和執(zhí)行多種任務創(chuàng)造了有利條件。

無人機機載傳感器由早期的膠片相機向大面陣數(shù)字化發(fā)展,目前國內(nèi)制造的數(shù)字航空測量相機擁有8 000多萬像素,能夠同時拍攝彩色、紅外、全色的高精度航片;中國測繪科學研究院使用多臺哈蘇相機組合照相,利用開發(fā)的軟件再進行拼接,有效地提高了遙感飛行效率;德國祿來公司推出的2 200萬像素專業(yè)相機,配備了自動保持水平和改正旋偏的相機云臺,開發(fā)了相應的成圖軟件。另外激光三維掃描儀、紅外掃描儀等小型高精度遙感器為無人機遙感的應用提供了發(fā)展的余地。

2.1 無人機遙感的應用特點

無人機為空中遙感平臺的微型航空遙感技術,具有以下特點:

(1)以無人駕駛飛機為空中平臺,以專用照相機、攝像機以及視頻無線傳輸技術獲取信息,用計算機對圖像信息進行處理,并按照一定精度要求制作成圖像。

(2)無人駕駛飛機為航空遙感提供了操作方便,易于轉場的遙感平臺。可根據(jù)不同的需要選擇不同類型的平臺。起飛降落受場地限制較小,在操場、公路或其它較開闊的地面均可起降,其穩(wěn)定性、安全性好,轉場等非常容易。

(3)多用途、多功能的影像系統(tǒng)是獲取遙感信息的重要手段。無人機遙感航拍使用的攝影、攝像器材主要是經(jīng)過改裝的CCD數(shù)字照相機,拍攝數(shù)字格式的影像,也可使用小型數(shù)字攝像機或視頻無線傳輸技術進行彩色攝制。

(4)機載系統(tǒng)可將飛機下方的地面圖像實時地傳輸?shù)降孛?實時顯示、實時記錄,用于導航和取景。

(5)無人機系統(tǒng)由于飛行高度低,獲取的遙感影像擁有較高的圖像分辨率。高分辨率航片影像的出現(xiàn)使得在較小空間尺度上觀察地表的細節(jié)變化、進行大比例尺遙感制圖以及監(jiān)測人為活動對環(huán)境的影響成為現(xiàn)實。同時高分辨率航片影像還解決了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的拍攝盲區(qū)、編程時間長、以及在南方地區(qū)由于受天氣影響,云量大,無法獲取數(shù)據(jù)等諸多困難。

2.2 無人機遙感的應用和實踐

目前以無人駕駛飛機為空中遙感平臺的技術,已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)測、災害評估等多項領域中進行了應用和實踐:

(1)臺灣大學理學院空間信息研究中心利用無人機拍攝低空大比例尺圖像,配合FOR MOSAT2分類進行異常提取,解譯桃園縣非法廢棄堆積物(固體垃圾等),用于環(huán)境污染和執(zhí)法調(diào)查。

(2)美國Nicolas Lewyckyj等人利用UAV-RS技術在北卡羅萊納洲進行自然災害調(diào)查,通過正射影像處理與分析準確評估場房和村莊的損失。顯示了無人機遙感技術具有的快速反映能力,為災害的治理提供了及時、準確的數(shù)據(jù)。

(3)日本減災組織使用RPH1和YANMAHA無人機攜帶高精度數(shù)碼攝像機和雷達掃描儀對正在噴發(fā)的火山進行調(diào)查,無人機能抵達人們難以進入的地區(qū)快速獲取現(xiàn)場實況,對災情進行評估。還利用無人機對不同埋藏深度的輻射源的輻射強度的反映能力進行量化研究,為核電站及其它核設施的管理提供基礎數(shù)據(jù)[1]。

(4)我國首個成立的Quickeye(快眼)應急空間信息服務中心,是我國無人機應急遙感應用的開創(chuàng)嘗試和遙感應用典范。在不到2 a的時間內(nèi),應急空間信息服務中心已成功作業(yè)近10萬km2,廣泛應用于1∶1 000,1∶2 000成圖,及測繪、應急領域[2]。

3 無人機低空遙感在水利相關領域中的應用

由于無人機低空遙感的高機動性、高分辨率等特點,使其在水利行業(yè)中的應用有著得天獨厚的優(yōu)勢,在防汛抗旱、水土保持監(jiān)測、水域監(jiān)測、灘涂資源調(diào)查等相關業(yè)務領域上,無人機低空遙感都能發(fā)揮其巨大的作用。

3.1 無人機遙感在防汛抗旱中的應用

無人機航空遙感技術作為一項空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段,具有續(xù)航時間長、影像實時傳輸、高危地區(qū)探測、成本低、機動靈活等優(yōu)點,是衛(wèi)星遙感與有人機航空遙感的有力補充。無人機在日常防汛檢查中,可克服交通等不利因素,快速趕到出險空域,立體地查看蓄滯洪區(qū)的地形、地貌和水庫、堤防險工險段。根據(jù)機上所載裝備數(shù)據(jù),實時傳遞影像等信息,監(jiān)視險情發(fā)展,為防洪決策提供準確的信息,同時最大限度地規(guī)避了風險。小型無人機攜帶非常方便,到達一定區(qū)域后將其放飛,人員可以在安全地域內(nèi)操控其飛行,并進行相關信息的實時采集、監(jiān)控,為防汛決策提供保障。無人機防汛抗旱系統(tǒng)使相關的政府部門對應急突發(fā)事件的情況了解更加全面、對突發(fā)事件的反應更加迅速、相關人員之間的協(xié)調(diào)更加充分、決策更加有據(jù)。無人機的使用,還可以大大地降低工作人員的工作難度,在防汛搶險中的人身安全也可以得到進一步的保障。無人機在防汛抗旱領域能夠保障政府和其他應急力量在洪澇災害或旱情來臨的時候,通過快速、及時、準確地收集到應急信息,以及多種方式進行高效地溝通,為領導提供科學的輔助決策信息[3]。

2004年7月馬輪基等對暴雨引起廣西桂平市蒙圩鎮(zhèn)洪澇災害調(diào)查進行無人機遙感監(jiān)測,第一時間得到了洪澇區(qū)、退水區(qū)、非洪澇區(qū)等信息的遙感圖,創(chuàng)造國內(nèi)首次利用自控微型無人駕駛飛機對洪澇災害的遙感監(jiān)測的紀錄[4]?！?.12”汶川地震發(fā)生后,無人機在堰塞湖的發(fā)展與變化監(jiān)測中,也發(fā)揮了相當大的作用。2010年舟曲泥石流自然災害發(fā)生后,無人機小組快速響應,及時獲取的受災地區(qū)的遙感影像,為災情的快速評估提供了詳細的數(shù)據(jù)。

3.2 無人機遙感在水土保持監(jiān)測中的應用

我國是世界上水土流失最為嚴重的國家之一,由于特殊的自然地理和社會經(jīng)濟條件,使水土流失成為我國主要的環(huán)境問題。土壤侵蝕定量調(diào)查是水土保持研究的重要內(nèi)容之一。在土壤侵蝕定量調(diào)查中,無人機遙感可以發(fā)揮重要作用,其宏觀、快速、動態(tài)和經(jīng)濟的特點,已成為土壤侵蝕調(diào)查的重要信息源。土壤侵蝕過程極其復雜,受多種自然和人為因素的綜合影響。自然因子包括氣候、植被(土地覆蓋)、地形、地質和土壤等,人為因素有包括土地利用 (如耕地、放牧等)、開礦和修路等。不同的土壤侵蝕類型影響因子也不同,對于水蝕來說,參考通用土壤侵蝕方程各因子指標,并考慮遙感技術與常規(guī)方法相結合方法能否獲取以及是否方便在GIS中存取、表達和計算。一般選擇降水、地形或坡度、溝谷密度、植被蓋度、成土母質及侵蝕防治措施等作為土壤侵蝕量估算的因子指標。同時,根據(jù)不同時期土壤侵蝕強度分級的分析對比,評價水保工程治理效果,指導今后水土保持規(guī)劃和設計工作。無人機可以在低空、低速的情況下對研究區(qū)進行拍攝,航拍的照片真實、直觀地反應了研究范圍內(nèi)建設期所造成的水土流失狀況、強度及分布情況。這對于利用GIS系統(tǒng)建立研究范圍內(nèi)水土流失本底數(shù)據(jù)庫,確定土壤侵蝕類型、強度、程度以及地形、植被、管理措施等土壤侵蝕因子的屬性提供了數(shù)據(jù)源。無人機系統(tǒng)獲取的遙感影像能夠幫助了解區(qū)域水土流失發(fā)展趨勢、發(fā)生特點和現(xiàn)狀等,以便做好區(qū)域水土保持工作規(guī)劃,加快水土流失治理。無人機在水土保持監(jiān)測領域以較低的成本快速清查較大范圍的水土流失狀況、主要土壤侵蝕影響因子,為利用GIS分析研究范圍內(nèi)的水土流失奠定了基礎。

3.3 無人機遙感在水域動態(tài)監(jiān)測中的應用

水資源是人民生活、生產(chǎn)不可缺少的重要資源,隨著人口增長和工業(yè)發(fā)展,水資源供需矛盾日益突出,水資源的合理開發(fā)利用是當前急需解決的問題,而河流水系分布及流域面積的準確計算是開發(fā)利用的基礎。目前由于時間變遷和當時技術水平的限制,許多河流水系分布、流域面積等基礎資料已不能準確反映當前狀況。水域動態(tài)監(jiān)測調(diào)查的目標是查清研究范圍內(nèi)的水域變化狀況,掌握真實的水域基礎數(shù)據(jù),建立和完善水域調(diào)查、水域統(tǒng)計和水域占補平衡制度,實現(xiàn)水域資源信息的社會化服務,滿足經(jīng)濟社會發(fā)展及水域資源管理的需要。利用無人機低空遙感技術進行水資源調(diào)查速度快.準確率高,可節(jié)省大量人力、物力、財力。同時通過已有的水域動態(tài)監(jiān)測更新調(diào)查成果,對水域利用狀況和水域權屬界線等進行全面的變更調(diào)查或更新調(diào)查,按照科學的技術流程,采用成熟的目視解譯與計算機自動識別相結合的信息提取技術進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集和圖形編輯,獲取每一塊水域動態(tài)監(jiān)測的類型、面積、權屬和分布信息,建立各級互聯(lián),自動交換,信息共享的“省、市、縣”水域動態(tài)監(jiān)測利用數(shù)據(jù)庫和管理系統(tǒng)。利用無人機低空遙感信息還可以監(jiān)測河道變化、非法水域占用等情況,為預測河道發(fā)展趨勢,水域占用執(zhí)法等工作提供數(shù)據(jù)。無人機水域監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以應用到水利規(guī)劃、航道開發(fā)等,具有十分可觀的經(jīng)濟效益和顯著的社會效益。

3.4 無人機遙感在水利工程建設與管理中的應用

在水利工程建設與管理上涉及到水利工程建設環(huán)境影響分析評價、大型水利工程的安全監(jiān)測等,無人機低空遙感的快速實施、高分辨率數(shù)據(jù)等特點,在該領域也能發(fā)揮特殊的作用。水利工程環(huán)境影響遙感監(jiān)測包括水利工程建設引起的土地植被或生態(tài)變化、淹沒范圍、庫尾淤積、土地鹽漬化等方面的監(jiān)測內(nèi)容。利用無人機遙感的高分辨率、靈活機動等特征,可以為工程生態(tài)環(huán)境提供宏觀的科學數(shù)據(jù)和決策依據(jù),同時利用空間信息技術手段,應用無人機的高空間分辨率遙感影像以及高精度GPS系統(tǒng)相結合的方法,還可以進行大型水庫和堤防工程的建設施工監(jiān)測工作。

3.5 無人機遙感在灘涂資源動態(tài)監(jiān)測中的應用

隨著浙江省經(jīng)濟快速發(fā)展,近年來灘涂的開發(fā)利用變化迅速,再加上灘涂資源是在自然條件下形成的會隨著時間的推移而變化,其中錢塘江河口兩岸、三門灣、臺州灣、隘頑灣、漩門灣、甌江、飛云江及鰲江河口外兩側等均屬于淤漲型灘涂,杭州灣兩岸、蒼南琵琶門以南以及島嶼的迎風面等均屬于侵蝕性灘涂。灘涂是海水和陸地彼此強烈影響的過渡地帶,又是人類活動頻繁的地區(qū),因此灘涂處于不斷變化中,其中某種因素如海岸侵蝕、淤漲、海平面上升等的變化,和人工堤壩、圍墾、采砂等社會因素的變化,都可能會導致灘涂的擴展或退縮。浙江沿海圍海造地的歷史已有1 000多年,尤其近50 a來,圍墾工程規(guī)模大,速度快,引起灘涂的劇烈變遷,在給人類提供了更多陸地生存發(fā)展空間的同時,也帶了大量的生態(tài)環(huán)境問題,如沿海濕地面積減少,部分水文、水動力條件改變,影響航道的正常使用,漁業(yè)資源遭到破壞。研究浙江灘涂的變遷規(guī)律,對浙江乃至全國生態(tài)環(huán)境安全、經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展有深遠意義。無人機遙感技術具有宏觀、快速、實時、直觀、動態(tài)性和適用領域廣等特點,能夠捕捉到地表不易發(fā)現(xiàn)、難以識別的信息,成為研究大范圍海岸線變化具獨特優(yōu)勢的工具。無人機低空遙感技術在灘涂資源的調(diào)查中,與衛(wèi)星遙感技術相比,還有其獨特的優(yōu)勢:無人機低空遙感能夠定時、定點獲取研究區(qū)域遙感影像;而衛(wèi)星遙感一般因為過境時間、過境軌道固定,不能夠保證在低潮位時準確經(jīng)過研究區(qū),無人機由于其靈活的機動性,只要飛行條件許可,就可以獲取低潮位的灘涂遙感影像,同時結合歷史遙感數(shù)據(jù),分析灘涂淤漲趨勢,為圍墾工作提供技術依據(jù),還可以節(jié)省大量經(jīng)費,提高動態(tài)監(jiān)測效率,保障信息的時效性。

4 展 望

近些年來,由于受全球氣候變化和經(jīng)濟社會快速發(fā)展等因素影響,水資源供需矛盾更加突出,水利發(fā)展面臨著嚴峻的挑戰(zhàn),同時也帶來難得的發(fā)展機遇。正如陳雷部長強調(diào):“水利信息化建設的加快推進,有力地支撐了水利勘測、規(guī)劃、設計、科研、建設、管理、改革等各項工作,特別是在應對頻繁發(fā)生的洪澇臺風干旱災害、防范汶川特大地震次生災害、抗御南方低溫雨雪冰凍災害以及黃河水量統(tǒng)一調(diào)度、珠江壓咸補淡應急調(diào)水、北京奧運會供水安全保障、解決太湖藍藻暴發(fā)供水危機、水土保持科學考察等工作中,發(fā)揮了極其重要的作用,推動水利發(fā)展方式發(fā)生深刻轉變”[5]。無人機因其機動靈活的起降方式、低空循跡的自主飛行方式、快速響應的多數(shù)據(jù)獲取能力,在水利管理上具有巨大的應用前景,包括水域規(guī)劃、水利監(jiān)測與水利管理等。其可以搭載高分辨率數(shù)碼相機進行快速測圖,亦可搭載視頻采集設備,實時的采集并回傳即時的水文數(shù)據(jù),體現(xiàn)出分辨率高、實效性好、應急性強等優(yōu)勢,而這些正是現(xiàn)代水利管理工作的發(fā)展趨勢。綜合無人機技術的特點和實際應用效果,該技術將在我國水利的相關領域中有著相當大的應用前景。

[1]金偉,葛宏立,杜華強,等.無人機遙感發(fā)展與應用概況[J].遙感信息,2009(1):88-92.

[2]Quickeye(快眼)應急空間信息服務中心.http://supereye.ac.cn/.

[3]孫鋒.建議將無人機技術應用于我國防汛工作中[J].中國水利,2007(7):60-60.

[4]馬輪基,馬瑞升,林宗桂,等.微型無人機遙感應用初探[J].廣西氣象,2005,26(增刊I):180-181.

[5]陳雷在全國水利信息化工作會議上的講話,http://www.mwr.gov.cn