無人機(jī)環(huán)境航測(cè)

1、近年來，從空中收集自然災(zāi)害和事故現(xiàn)場(chǎng)等信息的需求日益增加。特別是無人機(jī)，因其 可以進(jìn)入人難以到達(dá)的地域中去，作為安全、高效獲取信息的手段而備受關(guān)注。無人機(jī)核輻 射監(jiān)測(cè)技術(shù)的最新發(fā)展及其發(fā)展趨勢(shì)對(duì)我國監(jiān)測(cè)體系建設(shè)的完善可以起到指導(dǎo)、借鑒的作 用。中文名：無人機(jī)核輻射監(jiān)測(cè)夕卜文名：uav environmental monitoring目錄簡(jiǎn)介無人機(jī)遙感技術(shù)無人機(jī)遙感技術(shù)無人機(jī)遙感傳感器影像拼接技術(shù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸存儲(chǔ)技術(shù)無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用無人機(jī)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用無人機(jī)在大氣環(huán)境環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用無人機(jī)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景展望與發(fā)展方向加強(qiáng)小型化、輕型化且性能優(yōu)異的機(jī)載環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備研發(fā)加

2、強(qiáng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究與軟件開發(fā)，提高數(shù)據(jù)分析的精度和效率提高數(shù)據(jù)鏈路傳輸能力簡(jiǎn)介環(huán)境監(jiān)測(cè)是環(huán)境保護(hù)工作的“哨兵”和“耳目”，是環(huán)境管理的重要組成部分，是環(huán)境 保護(hù)工作最為重要的基礎(chǔ)性和前沿性工作，尤其是伴隨著近些年來一系列環(huán)境災(zāi)害與環(huán)境事 故的頻發(fā)，環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究越來越引起國內(nèi)外政府學(xué)者的重視。如何方便、快速、低成 本的獲取精確、可靠、及時(shí)的環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料成為技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。無人機(jī)遙感技術(shù)作為繼傳統(tǒng)航空、航天遙感之后的第三代遙感技術(shù)，可快速獲取地理、 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，同時(shí)具有機(jī)動(dòng)、經(jīng)濟(jì)、 安全等優(yōu)點(diǎn)。無人機(jī)遙感技術(shù)無人機(jī)遙感技術(shù)是一個(gè)綜合、

3、系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，其中的核心關(guān)鍵技術(shù)主要包括遙感傳感 器、影像拼接技術(shù)與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸存儲(chǔ)技術(shù)3部分。無人機(jī)遙感傳感器傳感器是無人機(jī)遙感技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)備之一。20世紀(jì)8O年代以來，隨著計(jì)算機(jī) 技術(shù)的發(fā)展以及無人機(jī)遙感技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，面向環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的傳感器在 數(shù)字化、輕型化、探測(cè)精度以及種類等方面都取得了巨大進(jìn)展，極大的推動(dòng)了無人機(jī)遙感技 術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。航拍圖像傳感器：隨著CCD和CMOS圖像傳感器的日漸成熟，數(shù)碼相機(jī)的性能也不斷 提高，普通的數(shù)碼相機(jī)的分辨率也已達(dá)到了 1000萬像素以上，高分辨率的數(shù)碼相機(jī)成為無 人機(jī)低空遙感系統(tǒng)主流的傳感

4、器件。在技術(shù)上，傳感器不斷向大面陣、多光譜、數(shù)字化方向 發(fā)展，并取得了較多進(jìn)展，進(jìn)一步提高了航拍精度。機(jī)載環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器：隨著環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的不斷發(fā)展，面向水環(huán)境和大氣環(huán)境 監(jiān)測(cè)小型化、輕型化的各類機(jī)載專用監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的研制成為一個(gè)新興的領(lǐng)域。這方面的設(shè) 備從工作模式上，主要包括基于二維面狀航拍作業(yè)模式的光譜類設(shè)備（如熱紅外成像儀、輕 型紅外航掃儀、紅外掃描儀、微波輻射計(jì)等）和基于泵吸式點(diǎn)狀采樣監(jiān)測(cè)模式的機(jī)載氣體監(jiān) 測(cè)設(shè)備（如粒子探測(cè)儀、差分吸收光譜探測(cè)系統(tǒng)、電化學(xué)類氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備等）。影像拼接技術(shù)采用低空無人機(jī)遙感平臺(tái)來快速獲取研究區(qū)域的影像，影像分辨率提高的同時(shí)，單張影 像的視野范圍較小，

5、難以形成大區(qū)域環(huán)境的整體認(rèn)知。因此，為得到整個(gè)區(qū)域的全景影像， 必須實(shí)現(xiàn)若干影像的匹配拼接。受飛行姿態(tài)穩(wěn)定性、飛行區(qū)域特殊地形、數(shù)碼相機(jī)等因素影 響，無人機(jī)遙感圖像往往具有旋轉(zhuǎn)變形大、幅寬小、數(shù)量多、重疊圖不規(guī)則、地面控制點(diǎn)難 獲取等特點(diǎn)，運(yùn)用傳統(tǒng)的航空攝影流程進(jìn)行圖像拼接相對(duì)難度較大，而且速度較慢，雖然有 少數(shù)學(xué)者進(jìn)行初步探索，但是在精度與效率方面仍有待于進(jìn)一步探索。由于現(xiàn)階段無人機(jī)主 要應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害、突發(fā)性環(huán)境污染事件等應(yīng)急業(yè)務(wù)中，因此面向環(huán)境應(yīng)急的無人機(jī)遙感圖 像的快速拼接處理技術(shù)研究相對(duì)較多，其采用流程主要是對(duì)已有影像進(jìn)行配準(zhǔn)后再幾何糾正 處理。在環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，例如海上溢油污染事

6、件發(fā)生時(shí)，大數(shù)據(jù)量圖像的快速拼接技術(shù)在 污染評(píng)估過程中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。尤其是無控制點(diǎn)或者粗略POS數(shù)據(jù)支持下的海量數(shù)據(jù) 全自動(dòng)快速拼接，如何有效提升拼接效率的同時(shí)，并保障一定的數(shù)據(jù)精度仍是當(dāng)前的研究熱 點(diǎn)之一。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸存儲(chǔ)技術(shù)無人機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸是無人機(jī)遙感系統(tǒng)的重要組成部分，決定著系統(tǒng)的規(guī)模與水 平。地面控制站與無人機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸是通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)的。除具有遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹?要功能之外，數(shù)據(jù)鏈還肩負(fù)著遙控、遙測(cè)和跟蹤定位的功能作用。早期無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈大都采 用分立體制，遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸與遙控、遙測(cè)和跟蹤定位用各自獨(dú)立的信道，設(shè)備復(fù)雜。20 世紀(jì)80年代后，為了簡(jiǎn)化設(shè)備或節(jié)省頻譜，

7、開始采用多功能合一的綜合信道體制，目前常用 的信道綜合體制是“三合一”和“四合一”綜合信道體制。所謂“三合一”綜合信道體制是 跟蹤定位、遙測(cè)、遙控的統(tǒng)一載波體制，而遙感監(jiān)測(cè)信息使用單獨(dú)的下行通道，“四合一” 綜合信道體制則是指遙感監(jiān)測(cè)信息傳輸與跟蹤定位、遙測(cè)、遙控采用統(tǒng)一的載波體制。除信道綜合技術(shù)之外，數(shù)據(jù)的壓縮、解壓縮技術(shù)也是遙感監(jiān)測(cè)信息傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。 在無人機(jī)傳感器視頻信息傳輸方面，從20世紀(jì)90年代起已開始應(yīng)用圖像數(shù)字傳輸技術(shù)，目 前已在大部分無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中使用。無人機(jī)動(dòng)態(tài)圖像壓縮編碼后，圖像/遙測(cè)復(fù)合數(shù)據(jù)速 率已減到最小為12Mb/s （例如美國的11544Mb/s，以色列的2

8、12Mb/s），對(duì)應(yīng)的圖像分辨 率可達(dá)720X576。無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用無人機(jī)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用由于內(nèi)陸水體環(huán)境復(fù)雜、水域面積相對(duì)小且污染類型多樣，對(duì)數(shù)據(jù)精度要求較高，因此 目前無人機(jī)遙感技術(shù)在內(nèi)陸水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究相對(duì)較少，主要是利用無人機(jī)環(huán)境遙感 技術(shù)從宏觀上觀測(cè)水質(zhì)狀況，航拍制作分辨率為0.1m的實(shí)景圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)追 蹤和監(jiān)測(cè)突發(fā)環(huán)境污染事件的發(fā)展，而在海洋中應(yīng)用技術(shù)相對(duì)較為成熟，監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要涵蓋 了水溫、赤潮、海上溢油、水深、藻華等，傳感器包括照相機(jī)、多光譜成像儀CCD攝影機(jī)、 輕型紅外航掃儀、激光測(cè)深儀、成像光譜儀、化學(xué)傳感器等。無人機(jī)在大氣環(huán)境環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)

9、用近幾年來，國內(nèi)對(duì)于無人機(jī)應(yīng)用與大氣污染物的研究才剛剛開展，目前主要用于環(huán)境應(yīng) 急和簡(jiǎn)單的大氣環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)，其中可監(jiān)測(cè)的指標(biāo)主要包括臭氧、粒子濃度、溫度、濕度、 NO2和壓力等，如中國科學(xué)院大氣物理研究所設(shè)計(jì)了2種型號(hào)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(cè)儀以及溫度濕度傳感器進(jìn)行了探空試驗(yàn)，飛行測(cè)量 數(shù)據(jù)合理可信，無人機(jī)平臺(tái)、記載傳感器和地面系統(tǒng)都達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)；中科院安徽光機(jī)所 利用大氣物理研究所研制的無人飛機(jī)平臺(tái)，搭載自主研發(fā)的大氣污染差分吸收光譜探測(cè)系 統(tǒng)，成功獲取大氣污染成分NO2等的二維時(shí)空分布。無人機(jī)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用目前，無人機(jī)遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)

10、測(cè)中的應(yīng)用，從領(lǐng)域上來看，主要體現(xiàn)在災(zāi)害監(jiān)測(cè)、 森林資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境等方面；應(yīng)用方式表現(xiàn)為利用數(shù)碼相機(jī)或光譜類設(shè)備（如紅外攝影 機(jī)、紅外掃描儀、微波輻射計(jì)等）獲取遙感影像，通過數(shù)據(jù)拼接與處理，實(shí)現(xiàn)宏觀環(huán)境監(jiān)測(cè) 或大范圍監(jiān)測(cè)指標(biāo)（如土地利用、植被覆蓋等）提取。（1）森林資源調(diào)查方面，可選用索尼DSC-90數(shù)碼相機(jī)作為影像傳感設(shè)備，結(jié)合地理信 息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)，以森林資源二類調(diào)查為例進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。（2）生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面，以高分辨率數(shù)碼單反相機(jī)作為圖像獲取傳感器、 綜合運(yùn)用地面監(jiān)控軟件、影像處理軟件和無線電遙控系統(tǒng)的無人機(jī)低空航拍遙感系統(tǒng)對(duì)生態(tài) 環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)

11、測(cè)等眾多領(lǐng)域有著十分重要的實(shí)際意義。（3）路域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，將無人機(jī)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)與遙感圖像處理系統(tǒng)的集成，結(jié) 合采用地下電子標(biāo)識(shí)系統(tǒng)輔助解譯公路路域的土地利用類型、植被覆蓋和土壤侵蝕等生態(tài)環(huán) 境要素定位變化信息，能構(gòu)建公路路域生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)公路路域生態(tài)環(huán)境的快 速監(jiān)測(cè)調(diào)查。無人機(jī)遙感系統(tǒng)的低空飛行、成本低廉，機(jī)動(dòng)靈活，能快速響應(yīng)拍攝任務(wù)等優(yōu) 點(diǎn)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有較大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但受限于無人機(jī)高分辨率圖像處理技術(shù)及任務(wù)載 荷等方面限制，目前應(yīng)用仍處于探討階段，實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用尚少。前景展望與發(fā)展方向無人機(jī)遙感技術(shù)作為繼航空、航天遙感之后的第三代遙感技術(shù)，有效彌補(bǔ)了當(dāng)前衛(wèi)星遙 感和航

12、空遙感的技術(shù)缺陷，而且具有價(jià)格便宜、安全性好、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技 術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及人們對(duì)環(huán)保監(jiān)測(cè)的要求的進(jìn)一步提高，其在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用將越來 越廣泛而深入。加強(qiáng)小型化、輕型化且性能優(yōu)異的機(jī)載環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備研發(fā)我國無人機(jī)遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用尚處于發(fā)展初期階段，受載荷和空間限制，傳 統(tǒng)的大部分環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器無法滿足系統(tǒng)要求，而現(xiàn)使用的大部分設(shè)備如高質(zhì)量的分析儀、 專用監(jiān)測(cè)儀器和自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等多是國外引進(jìn)的，價(jià)格昂貴，因此我國需要加強(qiáng)體積小、重 量輕、精度高、存儲(chǔ)量大、性能優(yōu)異的機(jī)載環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的研發(fā)，即在現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備基 礎(chǔ)上，減小重量體積，增大功能密度?？刹扇〉拇胧┲饕?/p>

13、：利用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，降 低傳感器組件的體積和重量；改進(jìn)內(nèi)部布局，提高集成度，拓展無人機(jī)的任務(wù)能力；研 發(fā)可擴(kuò)展性和測(cè)控能力強(qiáng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，如能夠進(jìn)行多種質(zhì)量（空氣、水質(zhì)、噪聲）自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及污水、廢氣、污染源主要污染物排放總量在線連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；集成多種新 技術(shù)以提高效能。除此之外，面向大氣、水等環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的無人機(jī)遙感技術(shù)尚處于初級(jí)階 段，在很多指標(biāo)監(jiān)測(cè)方面的傳感器有待于進(jìn)一步開發(fā)。在技術(shù)上，在設(shè)備小型化、輕型化、 集成化的背景下，可發(fā)展紅外、紫外遙感遙測(cè)儀器儀表和基于激光光源的監(jiān)測(cè)靈敏度更高的 長(zhǎng)光程吸收光譜儀（激光雷達(dá)），用于城市大氣環(huán)境和城市污染源的高時(shí)空分辨率探測(cè)；研 制開發(fā)便攜

14、式現(xiàn)場(chǎng)污染事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)儀器。加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究與軟件開發(fā)，提高數(shù)據(jù)分析的精度和效率無人機(jī)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過程中有其自身的特殊性，如低空飛行、姿態(tài)不穩(wěn)定、姿態(tài)參數(shù) 少等。傳統(tǒng)航空數(shù)據(jù)處理方式在無人機(jī)數(shù)據(jù)處理過程中的適用性往往相對(duì)較差，開展針對(duì)無 人機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)與軟件開發(fā)，提高數(shù)據(jù)分析的精度和自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)遙感技 術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用重要手段之一。例如，針對(duì)無人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)，應(yīng)加強(qiáng)無控制點(diǎn)、 姿態(tài)參數(shù)少情況下的圖像匹配與糾正技術(shù)研究，開發(fā)相關(guān)軟件，提高影像數(shù)據(jù)處理的精度與 效率；而針對(duì)其他環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)，如何與地面監(jiān)測(cè)指標(biāo)集成處理，實(shí)現(xiàn)空地一體化數(shù)據(jù) 綜合應(yīng)用也是無人機(jī)遙感技術(shù)研發(fā)的一個(gè)重要方向。提高數(shù)據(jù)鏈路傳輸能力隨著無人機(jī)機(jī)載能力與數(shù)據(jù)精度需求的提高，對(duì)數(shù)據(jù)鏈傳輸能力在數(shù)據(jù)傳輸速率、抗干 擾能力以及作用距離等方面提出了更高的要求。而無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)主要表現(xiàn)在 無線傳輸環(huán)境的半物理仿真、基于軟件無線電的自適應(yīng)數(shù)字下變頻技術(shù)、非對(duì)稱調(diào)制的抗干 擾體制和基于圖形化編程語言Agilent VEE以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的微波儀表功能集成與遠(yuǎn)程控制技 術(shù)。除加強(qiáng)上述關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)攻關(guān)之外，數(shù)據(jù)鏈的通用化、系列化與模塊化