无人机遥感技术在自然保护区管理中的应用研究

王海霞 丁春莲 韩奋

摘 要：无人机遥感技术因其具有空间分辨率高、周期可控、受人为操作性强等特点，目前的应用较多的被应用于生态、环保等领域。文章主要介绍了无人机遥感技术在自然保护区管理中的应用及其关键技术。

关键词：无人机；无人机遥感技术；自然保护区

中图分类号：TP79 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）12-0187-02

Abstract： Unmanned aerial vehicle （UAV） remote sensing technology is widely used in ecological， environmental protection and other fields because of its high spatial resolution， controllable period， strong artificial maneuverability and so on. This paper mainly introduces the application and key technology of UAV remote sensing technology in nature reserve management.

Keywords： unmanned aerial vehicle （UAV）； UAV remote sensing technology； nature reserve

1 自然保护区的管理现状

国家级自然保护区的建立主要是为了保护濒临灭绝的珍稀动、植物资源和脆弱的生态环境系统或重要的自燃遗址，我国自1956年建立第一个国家级自然保护区鼎湖山自然保护区以来，截止2016年5月已批准建成国家级自然保护区446个，总占地面积为9415万公顷。

目前，随着遥感技术、地理信息技术、全球定位技术和计算机技术的飞速发展，很大保护区都建了基于GIS和3S的保护区信息系统，基本上是基于传统的以卫星为平台的航天遥感，这类遥感目前民用系列最高空间分辨率为0.5m，另外其存在固定的重访周期，受气候和天气影响较大。在生态学和保护生物学领域，卫星遥感提供的数据空间尺度和地面调查的数据空间尺度很难匹配[1]，迫切需要高效、低成本的解决途径。

2 无人机遥感技术介绍

2.1 无人机遥感技术的发展

无人机（unmanned aerial vehicle， UAV）是一种具有导航功能的机上无人驾驶的航空飞行器。无人机遥感（UAV remote sensing， UAVRS）是一种以UAV为平台，以各种传感器为主要载荷，飞行高度在几千米以内，能够获取遥感影像、视频等数据的无人航空遥感与摄影测量的技术[2]。UAV的研制最早开始于20世纪初，主要应用在军事领域，比较出名的如“全球鹰”、“捕食者”，主要用于军事侦察和火力打击方面。到了20世纪80年代，民用无人机才开始发展，目前无人机遥感技术已经应用到了灾后救援，国土资源监控与保护、生态环境监控、农业植保等方面。

2.2 无人机遥感系统的组成

无人机遥感系统主要由飞行系统、导航系统、通信系统、地面控制系统、遥感机载平台、动力系统六部分组成（如图1）。

3 国内外无人机遥感技术的研究现状

3.1 国内无人机遥感技术的研究现状

国内无人机遥感方面的研究目前呈上升趋势，反映出该方面的研究是目前的一种趋势。2008年李德仁等将UAVRS技术用于汶川地震救灾[3]；2009年王斌进行了基于UAVRS的土壤湿度预测模型研究；2011年邹长慧等利用UAVRS进行了贵州高原山区的生态环境研究；2012年王春振等利用该技术进行了黄河源区生态景观分析；2013年张文博利用该技术进行了土地综合整治的研究，李志斌进行了电力工程环保水保的研究，李迁进行了矿山监测研究；2014年该技术被应用到了风电类建设项目竣工环保验收方法研究、胡杨、柽柳识别与树冠提取研究、植被识别等的研究中；2015年該技术被应用到了废弃矿山地质灾害及生态移民迁出区农用地恢复调查、估算桉树蓄积量、水源地污染源监控中；2016年被应用到了露天煤矿区受损土地景观重塑与再造、饮用水源保护区环境勘查中、土壤侵蚀监测、森林病虫害图像分析算法研究、水稻长势监测中；2017年被应用到了输电线路工程中、外来物种入侵检测、山区公路高边坡面积测量、水土保持监测、森林类自然保护区中防火灭火、荒漠林大沙鼠洞群覆盖率及分布特征的研究中。

3.2 国外无人机遥感技术的研究现状

据统计在2001-2016年10月之间在生态学、环境保护、物种多样性等领域的相关论文在SCI上发表了95篇，其中在2013年以后发表的就有70篇（74%）[4]。2011年Biasio等进行基于UAV的环境监测多光谱成像系统的研究；2012年Bendig J等研究了一种用于热谱和多光谱成像的低成本微型无人机[5]；2014年Inoue T利用无人机对

日本东部一片落叶阔叶林中倒下的树木进行了调查；2015年Chretien等利用从无人机遥感获得可见和热红外影像进行野生动物生物多样性研究；2016年Hodgson使用无人行对野生动物进行精确监测[6]。

4 无人机遥感技术在自然保护区管理中的应用

4.1 气象监测

借助于无人机遥感技术对自然保护区的温度、湿度、压强等气象参数进行遥感测定，分析区域气候特征，预测天气，分析大气-水-植被的相关性。

4.2 灾害预报、评估

利用无人机遥感技术对保护区内的地震、山洪、滑坡、火灾、雪灾、鼠灾、蝗虫等的灾害，进行受灾面积估测、损失估算，为救灾工作提供科学依据。

4.3 植物监测

进行保护区内的植物多样性监测及植被覆盖类型空间分布规律的研究；分析植被的垂直分布格局，进行植物的分类识别，物种群落长势及高度的测定；对植物进行病虫害情况的空间分布监测，知道保護区工作人员开展科学救助；对保护区外来物种进行检测。

4.4 动物监测

研究野生动物的种群密度、数量、年龄结构及分布情况，监测野生动物的迁徙过程，对区域生物量进行估算，进行动物个体的自动识别、体型测量等。

4.5 地形、地貌分析

对于地形比较复杂、人类无法实地观测的保护区，可建立三维地形、地貌模型，研究土地利用格局演变规律及影响因素，预测、估算地表坍塌面积，进行土壤湿度监测、预测。

4.6 环境监测

进行保护区的环境监测，对生物物种栖息地的易居性进行评价，分析环境变化对物种分布的影响，对环境污染程度监测，如检测水源污染程度及水质等。

5 自然保护区无人机遥感研究的关键技术

5.1 多平台集成技术

无人机遥感技术是遥感技术、定位导航技术、微电子控制技术，传感技术等的多平台、一体化集成技术，是实现遥控、遥测的技术保障，其集成水平直接影响到无人机的飞行控制质量和最终获得数据的精度。

5.2 图像处理技术

无人机遥感所获得的遥感影像与传统卫片相比具有像幅小，影响多的特点，所以后期影像镶嵌的工作量较大。另外无人机受风速、风向等外界因素的影响使得拍摄过程的倾角变化大而无规律，在后期影像处理时必须恰当的选择地面控制点，才能保证几何校正的精度。目前也有很多专家和学者正在研究无人机遥感影像的图像处理软件或数学模型，在一定程度上提高处理精度和效率。

5.3 导航通信技术

无人机遥感的定位导航主要依赖于卫星无线通讯技术，全球卫星定位系统中，被应用最多、影响力最大的就是美国的GPS。目前人们正在研制更加智能化，具有自适应能力的无人机导航控制算法，如人工智能、小波变化等。

5.4 防撞性能

无人机一般工作在野外或地形比较复杂的区域，一旦发生意外，无人机可能被撞坏或摔碎。因此需要不断开发和研制新型材料，在保证体积和重量相对较小的情况下使无人机具有较高的防撞性和飞行的稳定性。

6 结束语

无人机遥感技术因其具有周期可控，受气候环境影响较小，并且拍摄的影像空间分辨率高而受到广泛的关注，但其相关的技术目前还不够成熟，还有较大的提升和突破空间。另外在应用上也有待进一步开发。

参考文献：

[1]魏彦昌，等.生物多样性遥感研究进展[J].地球科学进展，2008，23（9）：924-931

[2]李德仁，李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报·信息科学版，2014，39（5）：505-514.

[3]李德仁，陈晓玲，蔡晓斌.空间信息技术用于汉川地震救灾[J].遥感学报，2008，12（6）：841-851.

[4]胡健波，张健.无人机遥感在生态学中的应用进展[J].生态学报，2018，38（1）：1-11.

[5]Bendig J， Bolten A， Bareth G.Introducing a low-cost mini-UAV for thermal-and multispectral limaging.International Archives of the Photogrammetry， Remote Sensing and Spatial Information Sciences 2012，39，345-349.

[6]Hodgson J C， Baylis S M， Mott R， Herrod A Clarke R H. Precision wildlife monitoring using unmanned aerial vehicles. Scientific Reports，2016，6：22574.