宋晨光 郝菁 孔偉威

隨著我國環(huán)境保護(hù)壓力不斷增大，環(huán)境監(jiān)測工作任務(wù)日趨繁重。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測手段監(jiān)測周期長，監(jiān)測范圍小，缺乏時空上的連續(xù)性，難以全面、及時地反映環(huán)境質(zhì)量狀況及動態(tài)變化情況，已不能滿足現(xiàn)代化社會快速發(fā)展的需求。無人機(jī)遙感技術(shù)是繼傳統(tǒng)航空、航天遙感平臺之后的第三代遙感技術(shù)。它能夠快速獲取地理、資源、環(huán)境等空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)采集、處理和應(yīng)用分析。無人機(jī)遙感系統(tǒng)機(jī)動、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)迎合了目前環(huán)保形勢下環(huán)境監(jiān)測工作的新需求，已逐步在實(shí)際工作中獲得應(yīng)用，成為不可或缺的環(huán)境監(jiān)測手段之一。

1、 無人機(jī)分類

1.1固定翼無人機(jī)

固定翼無人機(jī)是機(jī)翼固定不變，靠流過機(jī)翼的風(fēng)提供升力，與日常乘坐的客運(yùn)飛機(jī)一樣，固定翼無人機(jī)起飛的時候需要助跑，降落的時候必須要滑行。固定翼無人機(jī)具有更高的海拔升限，更快的飛行速度，但對機(jī)械加工、氣動外型設(shè)計要求較高，近年來才在民用領(lǐng)域開展應(yīng)用。同時，固定翼無人機(jī)尺寸相對較大，操控距離較遠(yuǎn)，負(fù)載相對較大，更適用于相對較大區(qū)域、大航程及高度的任務(wù)要求，比如石油管線巡線、生態(tài)紅線區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查等。

1.2多旋翼無人機(jī)

多旋翼無人機(jī)主要靠各個機(jī)臂上的螺旋槳旋轉(zhuǎn)翼產(chǎn)生升力來平衡飛行器的重力，讓飛行器可以飛起來，飛控人員可通過改變每個旋翼的轉(zhuǎn)速來控制飛行器的平穩(wěn)和姿態(tài)。所以多旋翼飛行器可以懸停，在一定速度范圍內(nèi)以任意的速度飛行。常見的多旋翼無人機(jī)主要有四旋翼、六旋翼、八旋翼等機(jī)型。旋翼類無人機(jī)飛行速度相對較慢，但具有可定點(diǎn)懸停、垂直起降方便、機(jī)動性強(qiáng)的特點(diǎn)，在民用領(lǐng)域發(fā)展應(yīng)用迅速。多旋翼無人機(jī)一般尺寸較?。ㄖ睆酱蠖嘣?、2米以內(nèi)，某些能達(dá)到幾米），操控距離較近（一般幾公里范圍內(nèi)），飛行高度較低（幾百到上千米），負(fù)載較?。◣坠锏綆资铮嘈碛行ж?fù)載大多在10公斤以內(nèi)）。

兩種機(jī)型的各有優(yōu)勢，能夠適用于不同飛行任務(wù)，在價格方面，固定翼無人機(jī)售價在十幾萬到幾十萬不等；旋翼無人機(jī)在幾千到幾萬之間均可買到。

2、無人機(jī)遙感系統(tǒng)組成

無人機(jī)遙感系統(tǒng)的組成通常包括：飛行平臺、飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、野外保障裝備以及其他附屬設(shè)備等

2.1飛行平臺

無人機(jī)飛行平臺即無人機(jī)本身，是搭載導(dǎo)航器、傳感器等設(shè)備的載體。飛行平臺可搭載多種任務(wù)設(shè)備獲取遙感數(shù)據(jù)，利用空中和地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遙感影像的自動拍攝和獲取，同時實(shí)現(xiàn)航跡的規(guī)劃和監(jiān)控、信息數(shù)據(jù)的壓縮和自動傳輸、影像預(yù)處理等功能。

2.2飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)

飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)是保證飛行平臺以正常姿態(tài)工作的系統(tǒng)，包括飛行控制板、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS接收機(jī)、氣壓傳感器、空速傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等部件。目前大多數(shù)無人機(jī)都安裝有自動駕駛儀，無人機(jī)升空后即可按照設(shè)計好的航線自動工作，無需人為控制。

2.3地面控制系統(tǒng)

地面監(jiān)控系統(tǒng)由無線電遙控器、地面供電系統(tǒng)、監(jiān)控計算機(jī)和監(jiān)控軟件等部分組成，用來時刻監(jiān)視無人機(jī)的工作狀態(tài)，其主要功能為：地面監(jiān)控站通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)向飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)和控制指令；接收、存儲、顯示、回放無人機(jī)的高度、空速、地速、方位、航向、航跡、飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)；顯示任務(wù)設(shè)備工作狀態(tài)，顯示發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)載電源電壓等數(shù)值；在機(jī)載電池電壓不足、GPS衛(wèi)星失鎖、發(fā)動機(jī)停車、無人機(jī)失速、飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)等誤差超限時，發(fā)出報警提示。

2.4任務(wù)設(shè)備

任務(wù)設(shè)備是指獲取遙感數(shù)據(jù)的傳感器及其控制裝置，工作時被固定安裝在無人機(jī)機(jī)身的任務(wù)倉內(nèi)。遙感傳感器的控制裝置通常與飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)一體化設(shè)計，具有控制載荷定點(diǎn)工作、等時間間隔工作和等距離間隔工作等功能，并可記錄工作時刻飛行平臺的經(jīng)緯度、高度和飛機(jī)姿態(tài)（如橫滾角、俯仰角航向角）等數(shù)據(jù)。

3、無人機(jī)遙感技術(shù)的特點(diǎn)

與大尺度衛(wèi)星遙感技術(shù)相比，無人機(jī)遙感技術(shù)的優(yōu)勢和特點(diǎn)鮮明{4}。

3.1響應(yīng)速度快

無人機(jī)遙感系統(tǒng)運(yùn)輸便利、升空準(zhǔn)備時間短、操作簡單，可快速到達(dá)監(jiān)測區(qū)域，機(jī)載高精度遙感載荷可以在1～2h 內(nèi)即可獲取遙感監(jiān)測結(jié)果。

3.2圖像分辨率高

無人機(jī)遙感獲技術(shù)取圖像的空間分辨率可以達(dá)到分米級，適用于1：10000或更大比例尺遙感應(yīng)用的需求。無人機(jī)搭載的高精度數(shù)碼成像設(shè)備，還具備大面積覆蓋、垂直或傾斜成像的能力。

3.3自主性強(qiáng)

無人機(jī)可按預(yù)定飛行航線自主飛行、拍攝、航線控制精度高。飛行高度可以從50m到4000m，高度控制精度一般優(yōu)于10m，速度范圍從70km/h至160km/h，均可平穩(wěn)飛行，適應(yīng)不同的遙感任務(wù)。

3.4操作簡單

無人機(jī)飛行操作自動化、智能化程度高，且操作簡單，有故障自動診斷及顯示功能，便于掌握和培訓(xùn)；一旦遙控失靈或出現(xiàn)其他故障，可自動返航到起飛點(diǎn)上空，盤旋等待；若故障解除，則按照地面人員控制繼續(xù)飛行，否則自動開傘回收。

3.5無人機(jī)遙感系統(tǒng)與有人駕駛的飛機(jī)相比，運(yùn)營成本低，飛行操控相對簡單，培訓(xùn)時間較短，設(shè)備存放、維護(hù)比較簡便，可節(jié)省調(diào)機(jī)、停機(jī)等費(fèi)用。

4、無人機(jī)遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測工作中的應(yīng)用及展望

4.1水環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用

環(huán)保部采用無人機(jī)遙感技術(shù)針對水環(huán)境監(jiān)測開展了一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)飛行區(qū)域位于江蘇省揚(yáng)州市南水北調(diào)東線工程源頭輸水水域的三江口江都水利樞紐、芒稻河及夾江的部分江段，全長11.5km，該區(qū)域水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)對于南水北調(diào)東線工程具有重要意義。

無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取前首先進(jìn)行飛行區(qū)域航線規(guī)劃，設(shè)計飛行高度、飛行距離、航速、航向與旁向重疊度，之后，測試無人機(jī)內(nèi)導(dǎo)航定位與地面測控信息傳輸系統(tǒng)，一切確認(rèn)無誤后，進(jìn)行無人機(jī)飛行航拍。

飛行搭載 CCD 光學(xué)相機(jī)的無人機(jī)平臺飛行高度為500 m，航速為110km/h，共獲取782幅航拍影像，采用專業(yè)航拍軟件處理后，獲取水源地相關(guān)區(qū)域共27.53km2 的0.1m高空間分辨率航空影像數(shù)據(jù)；搭載熱紅外攝像機(jī)的手拋無人機(jī)飛行高度為400m，航速為75km/h，獲取了水源地周邊污染源熱紅外視頻數(shù)據(jù)。在水源地污染源無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取的同時，實(shí)驗(yàn)區(qū)域的污染類型，并對水源地內(nèi)及其周邊地表覆蓋類型進(jìn)行實(shí)地踏勘，獲取了污染源及地表覆蓋的相關(guān)信息，為無人機(jī)數(shù)據(jù)后期解譯提供信息基礎(chǔ){5}。

青島市屬于典型的北方缺水城市，引用地表水尤其是飲用水源地的監(jiān)測監(jiān)管顯得尤為重要，借助無人機(jī)遙感系統(tǒng)搭載的多光譜成像儀生成的多光譜圖像，可以直觀全面的監(jiān)測地表水質(zhì)量狀況，提供水質(zhì)懸浮物、透明度、水質(zhì)富營養(yǎng)化、排污口污染狀況等信息的專題圖件，從而能達(dá)到對水質(zhì)特征污染物監(jiān)視性監(jiān)測的目的，節(jié)約了人力、物力。

4.2大氣環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用

國外氣體監(jiān)測設(shè)備研究的技術(shù)比較成熟，美國MIDAC 公司研發(fā)的 Titan 氣體分析儀MIDAC 運(yùn)用了通過氣體測量池抽取與使用遠(yuǎn)程傳感技術(shù)直接在空氣中測量 2 種技術(shù)，針對污染源氣團(tuán)中不同的成分，濃度范圍以及運(yùn)行環(huán)境，使用儀器中不同的方法監(jiān)測，并且開展了多無人機(jī)協(xié)同監(jiān)測大氣污染物的研究。

國內(nèi)將無人機(jī)應(yīng)用于大氣污染物的研究開展起步較晚，目前主要用于環(huán)境應(yīng)急和簡單的大氣環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測， 其中可監(jiān)測的指標(biāo)主要包括臭氧、粒子濃度、溫度、濕度、NO2 和壓力等。中國科學(xué)院大氣物理研究所設(shè)計了2種型號微型無人機(jī)，搭載了改進(jìn)的臭氧傳感器和粒子（數(shù)濃度或質(zhì)量濃度）探測儀以及溫度濕度傳感器進(jìn)行了探空試驗(yàn)，飛行測量數(shù)據(jù)合理可信，無人機(jī)平臺、記載傳感器和地面系統(tǒng)都達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)。

結(jié)合青島市大氣污染監(jiān)測的需求，可以通過搭載相關(guān)傳感器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測大氣結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及變化，不再需要直接接觸目標(biāo)而進(jìn)行區(qū)域性的跟蹤測量，從而獲得大氣環(huán)境全面的綜合信息。例如，臭氧、甲烷等微量氣體成分具有各自分子所固有的輻射和吸收光譜，通過在無人機(jī)遙感系統(tǒng)搭載合適波段的監(jiān)測儀器，來測量大氣的散射、吸收及輻射的光譜，進(jìn)而可推算大氣污染氣體成分，為污染源解析提供新的手段。

4.3突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急監(jiān)測

在執(zhí)行環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測任務(wù)過程中，無人機(jī)能夠克服交通不利、情況危險等不利因素，快速到達(dá)人力所不能進(jìn)入的污染事故所在空域，利用搭載的拍照設(shè)備記錄事故現(xiàn)場情況，并通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將影像資料實(shí)時傳回決策中心，使得決策者第一時間掌握事故中心污染情況以及存在于事故中心的環(huán)境敏感目標(biāo)情況，為管理者提供決策依據(jù)。

青島是國內(nèi)重要的石油化工和中轉(zhuǎn)儲備基地，石化企業(yè)眾多，危險化學(xué)品生產(chǎn)企業(yè)140余家，石化化工行業(yè)近水域布局存在環(huán)境風(fēng)險。2013年，在處置“11.22”石油管線爆炸事故時，青島市就采用了無人機(jī)技術(shù)，利用其升空靈活，能快速到達(dá)人力所不能到達(dá)的范圍的特點(diǎn)，及時獲取海上溢油分布情況，為救援和及時采取污染防治措施提供了準(zhǔn)確的信息。這一寶貴的工作經(jīng)驗(yàn)為無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于青島市環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測提供了可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

5、結(jié)語

無人機(jī)遙感技術(shù)作為一項(xiàng)有潛力的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，在過去的幾十年里得到了快速的發(fā)展。目前我國已經(jīng)提出了建立“天空地”一體化環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)想，無人機(jī)在大氣、地表水、海洋環(huán)境等多個環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的研究已經(jīng)陸續(xù)開始，隨著無人機(jī)平臺技術(shù)、環(huán)境傳感器技術(shù)、環(huán)境遙感技術(shù)的不斷成熟， 基于無人機(jī)遙感技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將以其諸多難以替代的優(yōu)勢在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮日益重要的作用。