浅论低空无人机遥感技术在水利相关领域中的应用前景

王 新,陈 武,汪荣胜,黄志行

(1.浙江省水利防灾减灾重点实验室,浙江 杭州 310020;2.浙江省河海测绘院,浙江 杭州 310008)

1 问题的提出

无人机遥感(Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing),是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器。无人机作为空中遥感平台的微型遥感技术,其特点是:以无人机为空中平台,遥感传感器获取信息,用计算机对图像信息进行处理,并按照一定精度要求制作成图像。无人机系统结构简单、使用成本低,不但能完成有人驾驶飞机执行的任务,更适用于有人飞机不宜执行的任务,如危险区域的地质灾害调查、空中救援指挥和环境遥感监测。无人机遥感系统由于具有机动、快速、经济等优势,已经成为世界各国争相研究的热点课题,现已逐步从研究开发发展到实际应用阶段,成为未来的主要航空遥感技术之一。正由于无人机低空遥感技术的这些特点,弥补了传统卫星遥感技术的不足,为水利相关领域的技术发展带来了新的契机。本文将从无人机技术的发展、应用特点来分析和展望该技术在水利相关领域中的应用前景。

2 无人机低空遥感发展及应用特点

无人机出现在1917年,早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作靶机,应用范围主要是在军事上,后来逐渐用于作战、侦察及民用遥感飞行平台。20世纪80年代以来,随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面世,无人机的性能不断提高,应用范围和应用领域迅速拓展。世界范围内的各种用途、各种性能指标的无人机的类型已达数百种之多。续航时间从1小时延长到几十个小时,任务载荷从几公斤到几百公斤,这为长时间、大范围的遥感监测提供了保障,也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。

无人机机载传感器由早期的胶片相机向大面阵数字化发展,目前国内制造的数字航空测量相机拥有8 000多万像素,能够同时拍摄彩色、红外、全色的高精度航片;中国测绘科学研究院使用多台哈苏相机组合照相,利用开发的软件再进行拼接,有效地提高了遥感飞行效率;德国禄来公司推出的2 200万像素专业相机,配备了自动保持水平和改正旋偏的相机云台,开发了相应的成图软件。另外激光三维扫描仪、红外扫描仪等小型高精度遥感器为无人机遥感的应用提供了发展的余地。

2.1 无人机遥感的应用特点

无人机为空中遥感平台的微型航空遥感技术,具有以下特点:

(1)以无人驾驶飞机为空中平台,以专用照相机、摄像机以及视频无线传输技术获取信息,用计算机对图像信息进行处理,并按照一定精度要求制作成图像。

(2)无人驾驶飞机为航空遥感提供了操作方便,易于转场的遥感平台。可根据不同的需要选择不同类型的平台。起飞降落受场地限制较小,在操场、公路或其它较开阔的地面均可起降,其稳定性、安全性好,转场等非常容易。

(3)多用途、多功能的影像系统是获取遥感信息的重要手段。无人机遥感航拍使用的摄影、摄像器材主要是经过改装的CCD数字照相机,拍摄数字格式的影像,也可使用小型数字摄像机或视频无线传输技术进行彩色摄制。

(4)机载系统可将飞机下方的地面图像实时地传输到地面,实时显示、实时记录,用于导航和取景。

(5)无人机系统由于飞行高度低,获取的遥感影像拥有较高的图像分辨率。高分辨率航片影像的出现使得在较小空间尺度上观察地表的细节变化、进行大比例尺遥感制图以及监测人为活动对环境的影响成为现实。同时高分辨率航片影像还解决了卫星数据的拍摄盲区、编程时间长、以及在南方地区由于受天气影响,云量大,无法获取数据等诸多困难。

2.2 无人机遥感的应用和实践

目前以无人驾驶飞机为空中遥感平台的技术,已经在环境监测、灾害评估等多项领域中进行了应用和实践:

(1)台湾大学理学院空间信息研究中心利用无人机拍摄低空大比例尺图像,配合FOR MOSAT2分类进行异常提取,解译桃园县非法废弃堆积物(固体垃圾等),用于环境污染和执法调查。

(2)美国Nicolas Lewyckyj等人利用UAV-RS技术在北卡罗莱纳洲进行自然灾害调查,通过正射影像处理与分析准确评估场房和村庄的损失。显示了无人机遥感技术具有的快速反映能力,为灾害的治理提供了及时、准确的数据。

(3)日本减灾组织使用RPH1和YANMAHA无人机携带高精度数码摄像机和雷达扫描仪对正在喷发的火山进行调查,无人机能抵达人们难以进入的地区快速获取现场实况,对灾情进行评估。还利用无人机对不同埋藏深度的辐射源的辐射强度的反映能力进行量化研究,为核电站及其它核设施的管理提供基础数据[1]。

(4)我国首个成立的Quickeye(快眼)应急空间信息服务中心,是我国无人机应急遥感应用的开创尝试和遥感应用典范。在不到2 a的时间内,应急空间信息服务中心已成功作业近10万km2,广泛应用于1∶1 000,1∶2 000成图,及测绘、应急领域[2]。

3 无人机低空遥感在水利相关领域中的应用

由于无人机低空遥感的高机动性、高分辨率等特点,使其在水利行业中的应用有着得天独厚的优势,在防汛抗旱、水土保持监测、水域监测、滩涂资源调查等相关业务领域上,无人机低空遥感都能发挥其巨大的作用。

3.1 无人机遥感在防汛抗旱中的应用

无人机航空遥感技术作为一项空间数据获取的重要手段,具有续航时间长、影像实时传输、高危地区探测、成本低、机动灵活等优点,是卫星遥感与有人机航空遥感的有力补充。无人机在日常防汛检查中,可克服交通等不利因素,快速赶到出险空域,立体地查看蓄滞洪区的地形、地貌和水库、堤防险工险段。根据机上所载装备数据,实时传递影像等信息,监视险情发展,为防洪决策提供准确的信息,同时最大限度地规避了风险。小型无人机携带非常方便,到达一定区域后将其放飞,人员可以在安全地域内操控其飞行,并进行相关信息的实时采集、监控,为防汛决策提供保障。无人机防汛抗旱系统使相关的政府部门对应急突发事件的情况了解更加全面、对突发事件的反应更加迅速、相关人员之间的协调更加充分、决策更加有据。无人机的使用,还可以大大地降低工作人员的工作难度,在防汛抢险中的人身安全也可以得到进一步的保障。无人机在防汛抗旱领域能够保障政府和其他应急力量在洪涝灾害或旱情来临的时候,通过快速、及时、准确地收集到应急信息,以及多种方式进行高效地沟通,为领导提供科学的辅助决策信息[3]。

2004年7月马轮基等对暴雨引起广西桂平市蒙圩镇洪涝灾害调查进行无人机遥感监测,第一时间得到了洪涝区、退水区、非洪涝区等信息的遥感图,创造国内首次利用自控微型无人驾驶飞机对洪涝灾害的遥感监测的纪录[4]。“5.12”汶川地震发生后,无人机在堰塞湖的发展与变化监测中,也发挥了相当大的作用。2010年舟曲泥石流自然灾害发生后,无人机小组快速响应,及时获取的受灾地区的遥感影像,为灾情的快速评估提供了详细的数据。

3.2 无人机遥感在水土保持监测中的应用

我国是世界上水土流失最为严重的国家之一,由于特殊的自然地理和社会经济条件,使水土流失成为我国主要的环境问题。土壤侵蚀定量调查是水土保持研究的重要内容之一。在土壤侵蚀定量调查中,无人机遥感可以发挥重要作用,其宏观、快速、动态和经济的特点,已成为土壤侵蚀调查的重要信息源。土壤侵蚀过程极其复杂,受多种自然和人为因素的综合影响。自然因子包括气候、植被(土地覆盖)、地形、地质和土壤等,人为因素有包括土地利用 (如耕地、放牧等)、开矿和修路等。不同的土壤侵蚀类型影响因子也不同,对于水蚀来说,参考通用土壤侵蚀方程各因子指标,并考虑遥感技术与常规方法相结合方法能否获取以及是否方便在GIS中存取、表达和计算。一般选择降水、地形或坡度、沟谷密度、植被盖度、成土母质及侵蚀防治措施等作为土壤侵蚀量估算的因子指标。同时,根据不同时期土壤侵蚀强度分级的分析对比,评价水保工程治理效果,指导今后水土保持规划和设计工作。无人机可以在低空、低速的情况下对研究区进行拍摄,航拍的照片真实、直观地反应了研究范围内建设期所造成的水土流失状况、强度及分布情况。这对于利用GIS系统建立研究范围内水土流失本底数据库,确定土壤侵蚀类型、强度、程度以及地形、植被、管理措施等土壤侵蚀因子的属性提供了数据源。无人机系统获取的遥感影像能够帮助了解区域水土流失发展趋势、发生特点和现状等,以便做好区域水土保持工作规划,加快水土流失治理。无人机在水土保持监测领域以较低的成本快速清查较大范围的水土流失状况、主要土壤侵蚀影响因子,为利用GIS分析研究范围内的水土流失奠定了基础。

3.3 无人机遥感在水域动态监测中的应用

水资源是人民生活、生产不可缺少的重要资源,随着人口增长和工业发展,水资源供需矛盾日益突出,水资源的合理开发利用是当前急需解决的问题,而河流水系分布及流域面积的准确计算是开发利用的基础。目前由于时间变迁和当时技术水平的限制,许多河流水系分布、流域面积等基础资料已不能准确反映当前状况。水域动态监测调查的目标是查清研究范围内的水域变化状况,掌握真实的水域基础数据,建立和完善水域调查、水域统计和水域占补平衡制度,实现水域资源信息的社会化服务,满足经济社会发展及水域资源管理的需要。利用无人机低空遥感技术进行水资源调查速度快.准确率高,可节省大量人力、物力、财力。同时通过已有的水域动态监测更新调查成果,对水域利用状况和水域权属界线等进行全面的变更调查或更新调查,按照科学的技术流程,采用成熟的目视解译与计算机自动识别相结合的信息提取技术进行内业数据采集和图形编辑,获取每一块水域动态监测的类型、面积、权属和分布信息,建立各级互联,自动交换,信息共享的“省、市、县”水域动态监测利用数据库和管理系统。利用无人机低空遥感信息还可以监测河道变化、非法水域占用等情况,为预测河道发展趋势,水域占用执法等工作提供数据。无人机水域监测数据还可以应用到水利规划、航道开发等,具有十分可观的经济效益和显著的社会效益。

3.4 无人机遥感在水利工程建设与管理中的应用

在水利工程建设与管理上涉及到水利工程建设环境影响分析评价、大型水利工程的安全监测等,无人机低空遥感的快速实施、高分辨率数据等特点,在该领域也能发挥特殊的作用。水利工程环境影响遥感监测包括水利工程建设引起的土地植被或生态变化、淹没范围、库尾淤积、土地盐渍化等方面的监测内容。利用无人机遥感的高分辨率、灵活机动等特征,可以为工程生态环境提供宏观的科学数据和决策依据,同时利用空间信息技术手段,应用无人机的高空间分辨率遥感影像以及高精度GPS系统相结合的方法,还可以进行大型水库和堤防工程的建设施工监测工作。

3.5 无人机遥感在滩涂资源动态监测中的应用

随着浙江省经济快速发展,近年来滩涂的开发利用变化迅速,再加上滩涂资源是在自然条件下形成的会随着时间的推移而变化,其中钱塘江河口两岸、三门湾、台州湾、隘顽湾、漩门湾、瓯江、飞云江及鳌江河口外两侧等均属于淤涨型滩涂,杭州湾两岸、苍南琵琶门以南以及岛屿的迎风面等均属于侵蚀性滩涂。滩涂是海水和陆地彼此强烈影响的过渡地带,又是人类活动频繁的地区,因此滩涂处于不断变化中,其中某种因素如海岸侵蚀、淤涨、海平面上升等的变化,和人工堤坝、围垦、采砂等社会因素的变化,都可能会导致滩涂的扩展或退缩。浙江沿海围海造地的历史已有1 000多年,尤其近50 a来,围垦工程规模大,速度快,引起滩涂的剧烈变迁,在给人类提供了更多陆地生存发展空间的同时,也带了大量的生态环境问题,如沿海湿地面积减少,部分水文、水动力条件改变,影响航道的正常使用,渔业资源遭到破坏。研究浙江滩涂的变迁规律,对浙江乃至全国生态环境安全、经济持续发展有深远意义。无人机遥感技术具有宏观、快速、实时、直观、动态性和适用领域广等特点,能够捕捉到地表不易发现、难以识别的信息,成为研究大范围海岸线变化具独特优势的工具。无人机低空遥感技术在滩涂资源的调查中,与卫星遥感技术相比,还有其独特的优势:无人机低空遥感能够定时、定点获取研究区域遥感影像;而卫星遥感一般因为过境时间、过境轨道固定,不能够保证在低潮位时准确经过研究区,无人机由于其灵活的机动性,只要飞行条件许可,就可以获取低潮位的滩涂遥感影像,同时结合历史遥感数据,分析滩涂淤涨趋势,为围垦工作提供技术依据,还可以节省大量经费,提高动态监测效率,保障信息的时效性。

4 展 望

近些年来,由于受全球气候变化和经济社会快速发展等因素影响,水资源供需矛盾更加突出,水利发展面临着严峻的挑战,同时也带来难得的发展机遇。正如陈雷部长强调:“水利信息化建设的加快推进,有力地支撑了水利勘测、规划、设计、科研、建设、管理、改革等各项工作,特别是在应对频繁发生的洪涝台风干旱灾害、防范汶川特大地震次生灾害、抗御南方低温雨雪冰冻灾害以及黄河水量统一调度、珠江压咸补淡应急调水、北京奥运会供水安全保障、解决太湖蓝藻暴发供水危机、水土保持科学考察等工作中,发挥了极其重要的作用,推动水利发展方式发生深刻转变”[5]。无人机因其机动灵活的起降方式、低空循迹的自主飞行方式、快速响应的多数据获取能力,在水利管理上具有巨大的应用前景,包括水域规划、水利监测与水利管理等。其可以搭载高分辨率数码相机进行快速测图,亦可搭载视频采集设备,实时的采集并回传即时的水文数据,体现出分辨率高、实效性好、应急性强等优势,而这些正是现代水利管理工作的发展趋势。综合无人机技术的特点和实际应用效果,该技术将在我国水利的相关领域中有着相当大的应用前景。

[1]金伟,葛宏立,杜华强,等.无人机遥感发展与应用概况[J].遥感信息,2009(1):88-92.

[2]Quickeye(快眼)应急空间信息服务中心.http://supereye.ac.cn/.

[3]孙锋.建议将无人机技术应用于我国防汛工作中[J].中国水利,2007(7):60-60.

[4]马轮基,马瑞升,林宗桂,等.微型无人机遥感应用初探[J].广西气象,2005,26(增刊I):180-181.

[5]陈雷在全国水利信息化工作会议上的讲话,http://www.mwr.gov.cn