无人机遥感在生态修复中的应用

谢金亮 刘慧芳

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

在经济高速发展的同时，由于相关政策制度的不完善，工况企业用地污染、农业面源污染、垃圾填埋场污染现象日渐显现，生态环境问题不容忽视。新经济形态下，必须牢固树立和践行“绿水青山就是金山银山”的理念，积极推进生态文明建设，强化“土壤污染管控修复”“土地综合整治”和“绿色矿山建设”，大力整治修复生态环境，打造“山水林田湖草”生命共同体。近年来，凭借成本低、操作便捷、数据获取方便、搭载平台多样化、可控性强、数据质量高等优势，无人机遥感逐渐成为科学研究、工程设计、抢险救灾、环保督察等的重要辅助手段之一，尤其在水土保持、地质灾害调查、土地整治项目、土地监测等方面发挥了极大的优势，其在生态修复方面的应用将是未来趋势所向。本文简单介绍了无人机遥感的应用现状，并讨论了无人机在生态修复工程中的应用。

1 无人机遥感的应用现状

无人机遥感是指无人机通过搭载不同传感器，在人为控制下按照一定的航线飞行，即时获取高分辨率场地现状信息的一种技术手段[1]。将无人机航测获取的影像数据导入专业计算机软件，对图形进行矢量化处理、空间三维运算、建模反演等[2]，可以方便快捷地获取航拍场地的坡度、高程、建构筑物、植被生长情况等地面特征，有效解决了传统测量技术高成本、低效率、测量区域受限等问题，是充分获取基础数据信息的重要技术手段之一。成熟的无人机主要有旋翼与固定翼两种搭载方式，遥感传感器也越来越追求高度集成、质量轻化，无人机丰富多样的搭载平台与轻便易携带的遥感传感器相互结合，为数据获取提供了更多的便利。目前，无人机遥感技术已经被用于水土保持工程、地质灾害调查、土地整治项目、土壤污染监测等诸多领域。

1.1 水土保持工程

我国是世界上水土流失最严重的国家之一，山体滑坡、崩塌、泥石流、山洪等典型水土流失灾害具有突发性、不可控性、强破坏性等特点，灾害发生时往往使得水土保持设施被破坏，国民经济遭受重大损失。目前无人机搭载传感器作为一种新型航空遥感技术，已在生产建设项目水土保持监测、监管、工程设计、验收以及国家水土保持重点工程中发挥了重要作用。无人机影像经专业软件处理可得到DOM和DSM影像，其空间分辨率精度可达厘米级。在此基础上选用人工目视解译或面向对象自动分类法，可准确提取建设项目占地面积，生产建设活动扰动面积，以及项目区已有的各类水保工程措施、生物措施和临时措施等现状；基于获取的项目区土地利用、植被覆盖度及各类水土保持措施基础信息，进行定量分析可得到拦渣率、水土流失总治理度、土壤流失控制比、扰动土地整治率、林草植被恢复率和林草覆盖率等指标[3-4]，更好地为水土保持监测、验收工程提供技术服务。

1.2 地质灾害调查

地震、地裂缝、地面塌陷、洪水灾害、气象灾害、路桥病害等是常见的地质灾害[5]。无人机凭借其获取数据灵活方便、限制性因素少、飞行区域大、作业效率高等特点在地质灾害调查过程中发挥了极大的优势[6]。通过人工控制无人机飞行高度和飞行线路，从多角度航拍影像，保证能够从各个角度对灾害状况进行观察，从而能够获取清晰度更好、分辨率更高的影像数据，为精准定位灾害区域，形成真实的三维立体模型提供支撑[7]，从而获得更加完整、准确的数据内容。三维立体模型能够实现局部区域的放大，更精确地对地质灾害调查区域的坡度、高程、高差、微地形等进行测量，保证无人机在地质灾害调查中的实用性，为地质灾害调查提供基础保证[8]。同时，将无人机遥感系统和GIS空间分析相结合，可以对灾害事件的发生地点、受灾范围和影响程度快速准确地作出评估，同时有效预测和预警灾害的发展和演变，为灾害发生区域人员疏散转移、防灾救灾、救援抢险等提供决策支持[9]。

1.3 土地整治工程

无人机航测技术的快速发展，不仅助力土地整治工作开辟了新的方向和出路，更对合理利用土地资源发挥了积极作用[10]。无人机航测技术综合了高清数码相机和GPS- RTK技术优势，可以准确完成测绘任务并精准定位像控点。无人机在土地整治项目中的应用，也对项目的检查、验收等提供巨大帮助：无人机可实现快速确定实地抽查地块位置；可快速测取整治范围内沟渠长度、硬化道路长度等线性设施基本情况；可准确统计新增耕地面积；可整体把握泵房、水池等配套设施概况，大大提高项目检查和验收的效率[11]。对无人机航拍影像进行处理后得到高分辨率正射影像，在此基础上可以提取地类、地面边界，使之与施工企业出具的项目竣工图及新增耕地图进行叠加比对，可以评估新增耕地范围线是否准确，为各级各类土地整治和高标准农田建设项目新增耕地核定提供技术支撑[12]。无人机航测技术在土地整治工程及相关项目管理工作中的应用优势明显，是今后土地整治工作发展的重要趋势。

1.4 土壤污染监测

当前，土壤污染主要表现形式为有机物污染和无机物污染，重金属污染是一种常见的工矿企业用地土壤无机物污染现象，一般包括砷、铬、镉、锌、铜、汞、铅、镍等污染物。土壤重金属污染具有可富集、难治理、易转换、难可逆等特点[13]，可加剧土壤质量退化、生态环境恶化，威胁动植物生长和人体健康，已日渐成为社会关注的热点。存在污染的土壤环境复杂，其上生长的作物和正常土壤中种植的作物相比，光谱表现不同。因此可以通过土壤光谱信息变化监测地块中重金属的含量和特征，也可以参照植被光谱数据，从而间接地去评估土壤重金属污染程度[14]。无人机搭载多光谱、高光谱获取遥感影像后，导入专业软件建立合适的模型进行光谱反演，以此来确定土壤污染分布情况，可快速掌握污染空间分布及程度，为生态环境改善、土壤质量评估及项目区规划等提供重要的科学依据和决策支撑。

2 无人机遥感在生态修复工程的应用

目前，无人机的优势已经在上述水土保持工程、地质灾害调查、土地整治项目、土壤污染监测四个方面得到广泛认可，毋庸置疑，无人机遥感技术在废弃(旧)矿山、生活垃圾填埋场及其他污染场地等的生态修复领域也能发挥很好的作用。本文基于无人机遥感在上述四个方面的应用现状，将无人机在生态修复工程中的应用分为场地调查、施工过程控制、修复后效果监测三部分进行讨论，其流程如图1所示。

2.1 场地调查

场地调查主要对项目范围内的地形地貌、土壤污染情况、植被生长情况、土地利用现状、水土流失情况进行调查。无人机遥感技术适用面积很广，100～100 000 m2的场地均可以选用无人机航测技术，其相应的误差范围约为2～20 cm[15]，可以满足场地调查的精度要求。无人机低空摄影技术获取的遥感影像数据质量都比较高，尤其是小地区或者地貌、气候条件复杂的地区。场地调查阶段，利用无人机搭载全色或光谱相机，可以快速获取高精确度、高分辨率和高时效的场地基础信息，并进一步将其加工为DEM、DSM、DTM等产品，为修复工程设计和生态景观设计提供辅助；在此基础上还可以生成三维模型，为场地立体分析与设计、三维景观数字系统构建等提供基础[16]。因此无人机通过搭载不同类型的传感器，结合Pix 4D、ArcGIS等软件，可以快速获取地形地貌、地表水、土地损毁现状、地表植被、地表扰动情况、土石方弃渣堆放情况、雨污分流设施等场地现状信息，还可以整体把握调查场地附近的居民区、医院、学校等敏感点情况，大大减少人工调查成本，提高调查质量和调查效率。结合Google Earth历史影像，可以对场地近5～10年的情况有一个宏观把控，为进一步制定场地调查与采样计划、重点评估区域的选择提供支撑。

2.2 施工过程控制

无人机航测获取的正射影像图，分辨率较高，能够直观呈现生态恢复区域的实施状况。利用无人机航测时，既可以从整体上把握项目施工进展，也可以对重点区域重点工程措施进行放大观测，获取更多施工细节信息，有助于详细掌握项目区生态修复项目的实施成果[17]。一方面，无人机航测技术可以加强施工管理，较全面地监测施工区域，加强对建设施工单位的监管，确保将各种现场活动控制在项目区域内，将临时用地面积控制在最低限度。另一方面，对无人机航拍影像进行处理可实现对填埋土方量、土地平整面积、截排水沟修建、路基护坡修建、挡墙修建等工程进行勘查和测量，可以及时、准确、全面地反映施工进展，检查施工初期效果，及时监督施工过程，控制工程进度，把握工程质量，进而掌握生态恢复工程完成的情况。还可对施工过程实施安全监护，确保施工方在施工期间采取了足够的安全保护措施，如地上管线设置、地下管道埋设及施工作业机械加固等情况，确保安全文明施工。

2.3 修复后监测

生态修复是一项长期发展的、客观的动态过程。修复工程施工完成后，需要对各项工程措施、生物措施进行长期监测。可以将监测项目区划分为一般监测和重点监测区，根据修复项目实施方案中的监测计划，利用无人机搭载传感器，按照规划航线多角度航拍，保证其拍摄精度，将航拍影像导入专业软件进行处理，生成正射影像、DSM数字模型、三维点云数据等[18]，长期动态监测工程防治措施的治理效果以及周围植物的成活率等。对监测区域的地形、坡度、植被、排灌沟渠、道路系统以及配套与管护设施等进行科学航拍，将地面监测与航空监测相结合，可以及时对项目区治理现状进行评估，更好地推动修复区可持续发展。

2.4 应用实例

生态修复是一项复杂的任务，生态修复过程是生物修复、物理修复、化学修复以及工程技术措施的优化组合。目前，无人机已经成为各地生态修复大军中的一名“新队员”。2018年9月，河南省煤田一队生态修复研究所在巩义市圣水兴旺铝矿、张家沟大发铝土矿矿山地质环境综合治理与土地复垦工程设计中，利用无人机技术对项目的房屋建筑、农田土地、河流湖泊、山地林地等重要数据进行精确航拍勘测，获取了高分辨率的影像，科学建立三维模型，使得区域地形更加直观、全面；2019年3月以来，许昌市禹州局组织8架无人机，沿省道彭花路生态廊道两侧自东向西，对4个乡镇700余平方公里区域内矿区现状进行航空拍摄，制作分辨率为0.1 m的高清航空正射影像图，直观显示了各乡镇矿区及各企业矿坑(点)开采利用现状、边坡标高，持证矿山、废弃矿坑(点)已修复和待修复区域面积等，为市委、市政府管理决策提供详实准确的基础资料。诸如此类的例子还有很多，无人机遥感作为新型科技手段，将在助力生态修复方面发挥更大的优势。

3 结束语

无人机技术的应用为矿山生态修复基础资料的获取、工程建设的控制及修复后监测打开了新视角，有效解决了人力目之所及而难于掌握全貌的难题，为我国生态文明建设提供了有力支撑。无人机遥感作为新型科技手段目前仍存在一些问题，比如技术人员缺乏、飞行空域受限、海量数据如何实现快速处理以及如何保证模型构建的精度等。在生态文明建设大潮下，如何发挥无人机的优势，使其更好地应用在生态修复领域，推动建设美丽中国，还需要不断的探索和研究。