基于低空无人机遥感技术的应用探究

摘要：无人机遥感系统是一种新兴的、可以快速获取高精度数据的数据采集系统，它具有采集数据精确、消耗成本低、工作效率高、可以快速适应多种地形等诸多优势。本文介绍了基于无人机的遥感系统的特点，并着重探讨了无人机遥感系统在农业、林业、国土资源等领域的应用，最后，我们总结了无人机在实际应用过程中的优势和劣势，并展望了无人机在各个领域未来的发展前景。

Abstract： Unmanned aerial vehicle remote sensing systems is a new type of data acquisition system that can quickly acquire high-precision data. It has many advantages such as accurate data collection， low cost， high work efficiency， and rapid adaptability to various terrains. This paper briefly introduces the characteristics of Unmanned aerial vehicle remote sensing systems， and focuses on the application of Unmanned aerial vehicle remote sensing systems in agriculture， forestry， land and resources， etc. Finally， we summarize the advantages and disadvantages of Unmanned aerial vehicles in practical applications. ， and looked forward to the future development prospects of drones in various fields.

关键词：无人机遥感系统；航空遙感系统；实际应用

Key words： UAV remote sensing system；aviation remote sensing system；practical application

中图分类号：V249.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）25-0112-02

0 引言

无人驾驶飞机系统（Unmanned Aerial System），即无人机，是一种不需要飞行器驾驶员上机操控的，通过旋翼或固定翼产生拉力或升力，并在大气层内飞行的飞行器。若将遥感技术与无人机系统结合于一体，即构成无人机遥感系统（Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing System）。无人机遥感系统可搭载相机以及多光谱、热红外、激光雷达等多遥感传感器，以机动性能较好的无人机为载体，可以快速而有效率地获取照片、视频、以及光谱等各种所需数据资料。相比更为传统的航空、航天遥感系统，无人机遥感系统具有显著优势。无人机可以在低空飞行，在云层下成像，这很好的改善了传统航天遥感容易受到云层干扰的缺点；同时，无人机由于体积小，便携性高，具有随时监测，实时传输的能力，很好的弥补了航天遥感的周期性监测缺陷；且相比于航天遥感，无人机可以在小范围内高频率的出入进行监测，实时传输现场数据，这对于决策的制定具有重要的意义。在科技日渐发达的今天，无人机技术也愈发成熟，同时，无人机遥感技术的应用也逐步从单一路径走向多元化发展。从大气污染防治，到现代农业精准监测、植物病虫害监测、森林资源监测，再跨越到土地资源勘察、地质灾害调查、海洋污染监测等领域都能见到无人遥感系统的身影。

1 无人机遥感技术的发展现状

从2010年至今，由于无人机技术的快速发展，其造价逐渐降低，在民用领域中得到了长足的发展，也成为了推动经济发展的重要组成部分。2015年，我国应用遥感技术的无人机已超过3000架，而预计未来5年的总需求量则是现在已有数量的十倍。

无人机系统种类繁多，按照不同的平台构型可以大致分为三类：固定翼无人机、旋翼无人机和无人飞艇等。固定翼无人机可以选择两种起降方式，一种是使用道路或其他跑道滑行起降，而另外一种则是通过弹射无人机来起飞，之后使用机内自带的降落伞来降落。旋翼无人机也可按其旋翼数量分为两种，无人直升机和多旋翼无人机，旋翼无人机操作简易，携带方便，机动性能强，飞行稳定，适用于可视范围低空勘测任务。而无人飞艇是由其腔内气体控制上升及下降，由发动机提供动力实现飞行，因此该类无人驾驶平台受到气候条件影响较大。

2 无人机遥感技术在各个领域的应用

2.1 精准农业监测

在农业的生产过程中，随着农业的发展向机械化以及温室栽培方向的发展，农业的生产技术已经有了显著的提高，农产品的产量也在逐年增加。虽然现在各种生物技术的开展对农业的发展带来了革命性的变革，但传统的数据采集工作，如：作物种类分布及数量情况、病虫害种类及其损害程度、叶面积指数等数据采集工作大多停留在人工作业阶段。而人工作业存在许多弊端，首先人工数据采集费时费力，往往需要较长的时间才能将数据收集完毕，而不能进行实时分析；其次人工采集数据尽可以进行小范围内抽样调查，不能保证数据的完整性以及科学性，所分得出的结论往往与实际略有偏差。而使用无人机搭载遥感技术设备则可以实现检测数据的实时传输，且可以保证数据完好无损，从而在提高数据准确性的基础上减少人的工作量，对农业监测技术的发展具有重要意义。下面将分三个方面对农作物的监测进行叙述。

2.1.1 农作物分类

在同一片农田区域若分散种植了多种农作物，则需要对农作物的种类进行区分，若要进行作物的精确区分则需要使用无人机搭载遥感设备，为了进一步精确定量地考察分类结果的精度，可以对其抽样并对样本逐一使用卫星定位的地面测量数据进行二次验证，然后将地面测量结果数值与通过无人机采集的数据进行混淆矩阵计算，通过这种方法来确认无人机遥感系统在农作物分类面积的评估精度，这样便可以在一定精度上区分不同的农作物种类。

2.1.2 作物病害、虫害监测

在实际种植中，农作物易受到各种病害、虫害的侵染。而当植物在受到不同病害、虫害侵染时，在不同波段上会表现出不同程度的吸收和反射特性，因此使用遥感技术可以较容易发现。进一步地，由于受到病害、虫害攻击的不同植物的叶片或茎秆的特征光谱具有高度复杂性，因此对于不同植物以及相同植物的不同发展阶段的病害、虫害，可能会显现多样的光谱特征。基于此原理，可以使用无人机搭载光谱传感仪对不同植物分别进行病害、虫害的监测，采集数据后进行对比分析以得到精确结果。

2.1.3 污染检测

农作物污染有很多方面，比较重要的污染源是来自水中的重金属元素，在检测污染时，无人机遥感系统是一个很好的使用工具。在使用无人机遥感技术进行农田重金属污染监测时，最重要的任务是建立正常作物光谱参数与重金属污染下作物光谱参数之间的关联，通过二者之间的关系，得出农作物的污染源以及污染程度。

2.2 森林资源监测

森林作为我国生态环境的重要组成部分，定时监测就显得十分重要。森林资源监测的主要工作是进行植被的覆盖率监测。目前检测作物覆盖率变化的方法主要分为两类，其一是通过森林资源卫星反馈的各项参数以及影像数据，建立植被光谱特征相关模型，从而得出覆盖率；其二是通过人工在地面直接采集影像数据，对影像进行图像分类操作，从而大致得出覆盖率。如果直接通过卫星影像来计算覆盖率，一是容易受到大气层内天气的影响，二是由于卫星距离地球较远，其对空间的感知能力，以及对图形的分辨能力被显著降低，因此，卫星遥感常常难以满足作物在较小尺度上的覆盖率变化研究需求；若使用人工地面采集影像数据获取覆盖率，又会造成效率过低的问题。而使用低空无人机遥感技术则可以弥补目前两种覆盖率变化监测方法的短板。无人机所获取的低空遥感数据可以通过一定的数据分析而得出植物的覆盖率，另外，无人机遥感系统还可以获取的多组连续的植物遥感数据，可以用于成区域地连续监测植物覆盖率的变化。然而，该方法也存在一些不足，即需要往返多次地对同一块林地进行遥感观测，同时还需满足特定的观测条件，即被观测林区要和周围背景存在较大差异。

2.3 国土资源的监测

现行无人机遥感技术已具备对国土资源进行有效监测的条件。在国土资源部门的对国土资源的监测中，主要是使用实地调查、人工测量等方法，但使用这种方法存在效率低下、周期较长、成本较高等问题，并且尚有许多地方因为地形原因难以进行监测，且人为进行数据判断又会存在较大误差，而运用无人机遥感系统，以及卫星定位技术，则可以实时获取多方位的影像数据和其他资料，加之无人机灵活性好、机动性高、无视地形的优势，运用无人机进行监测可以获得更好的监测效果和省去更多的人力物力，是一种很好的监测手段。另外，我们可以将实时的无人机航拍数据与之前保存的数据做对比，就可以较为方便地发现两次监测之间发生的违法违规用地事件。无人机遥感系统在划定区域、统计面积也可以起一定作用，降低数据统计难度。

2.4 其他

无人机遥感技术在许多方面都有着机器广阔的发展前景，它相对于卫星影像具有更高的地面空间分辨率，并能带来卫星遥感所不具有的精细纹理等额外的遥感信息，可以广泛的应用于很多遥感监测领域。

3 无人机遥感技术的制约

无人机遥感技术在本身还有诸多不完善的方面，比如：承重有限、电池续航能力较弱、无人机旋翼产生的气流容易对大气等监测产生误差等，其在数据的自主性以及所获信息的安全性上还有许多不安全的因素。

3.1 数据的制约

应用无人机吊舱系统进行数据采集时，由于高空气流以及无人机旋翼产生的气流会对无人机自身的稳定性造成一定影响，导致无人机所拍摄或采集的数据具有误差。就无人机拍摄图像而言，由于无人机在悬停的过程中受到气流的扰动，所拍摄的图像会呈现重叠等现象，而无人机所搭载的拍摄设备多为数码相机，不具备广角拍摄，需使用无人机旋转带动相机旋拍，这使得图像在后期的合成过程中，具有较大难度。

3.2 无人机遥感系统的不自主性

现如今，多数无人机的飞行是依靠综合传感器与操作人员来共同完成的，而当无人机飞行到操作员目不所及之处或无人机在飞行过程中出现故障，无人机不具有自我解决问题的能力，如果飞控人员不能及时控制，无人机极有可能直接坠毁。

3.3 无人机遥感系统的信息安全

信息安全被誉为21实际最亟待解决的问题，由于无人机体积小、隐藏度高，实时采集信息时极难被发现，这使得地理信息在无人监管区域极易泄露，而电脑黑客的存在，也使得无人机所采集的信息极易被盗取，若被盗取的信息国防军事领域，后果难以估量。

3.4 无人机管理政策

无人机现已经走向民用活动，无人机的使用必须有相应的法规来制约，使用无人机也必须服从国家规定，不可在任意空域飞行。

4 总结展望

无人机遥感平台在各个应用平台都具有明显的优势及广阔的应用前景，它以其忽视地形的灵巧性、数据采集的实时性、作业效率的高超性深得各个领域的喜爱。无人机遥感技术也以其特有的优势弥补了传统航拍的不足，这对航拍遥感的发展具有重大的意义，尽管无人机遥感技术还处于发展阶段，诸多技术问题还没有攻克，但我们有理由相信，无人机发展的未来必定欣欣向荣。

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