中文名：無人機核輻射監(jiān)測
外文名：uav environmental monitoring
目錄
簡介
無人機遙感技術(shù)
·無人機遙感傳感器
·影像拼接技術(shù)
·數(shù)據(jù)實時傳輸存儲技術(shù)
無人機在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用
·無人機在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用
·無人機在大氣環(huán)境環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用
·無人機在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用
前景展望與發(fā)展方向
·加強小型化、輕型化且性能優(yōu)異的機載環(huán)境監(jiān)測設(shè)備研發(fā)
·加強數(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
簡介
環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護工作的“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、及時的環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料成為技術(shù)研究的重點和難點。
無人機遙感技術(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，同時具有機動、經(jīng)濟、安全等優(yōu)點。
無人機遙感技術(shù)
無人機遙感技術(shù)是一個綜合、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)實時傳輸存儲技術(shù)3部分。
無人機遙感傳感器
傳感器是無人機遙感技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)備之一。20世紀(jì)8O年代以來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及無人機遙感技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，面向環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的傳感器在數(shù)字化、輕型化、探測精度以及種類等方面都取得了巨大進展，極大的推動了無人機遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，其主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
1. 航拍圖像傳感器：隨著CCD和CMOS圖像傳感器的日漸成熟，數(shù)碼相機的性能也不斷提高，普通的數(shù)碼相機的分辨率也已達(dá)到了1000萬像素以上，高分辨率的數(shù)碼相機成為無人機低空遙感系統(tǒng)主流的傳感器件。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，并取得了較多進展，進一步提高了航拍精度。
2. 機載環(huán)境監(jiān)測傳感器：隨著環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備的不斷發(fā)展，面向水環(huán)境和大氣環(huán)境監(jiān)測小型化、輕型化的各類機載專用監(jiān)測儀器設(shè)備的研制成為一個新興的領(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、微波輻射計等）和基于泵吸式點狀采樣監(jiān)測模式的機載氣體監(jiān)測設(shè)備（如粒子探測儀、差分吸收光譜探測系統(tǒng)、電化學(xué)類氣體監(jiān)測設(shè)備等）。
影像拼接技術(shù)
采用低空無人機遙感平臺來快速獲取研究區(qū)域的影像，影像分辨率提高的同時，單張影像的視野范圍較小，難以形成大區(qū)域環(huán)境的整體認(rèn)知。因此，為得到整個區(qū)域的全景影像，必須實現(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)碼相機等因素影響，無人機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、地面控制點難獲取等特點，運用傳統(tǒng)的航空攝影流程進行圖像拼接相對難度較大，而且速度較慢，雖然有
少數(shù)學(xué)者進行初步探索，但是在精度與效率方面仍有待于進一步探索。由于現(xiàn)階段無人機主要應(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)急的無人機遙感圖像的快速拼接處理技術(shù)研究相對較多，其采用流程主要是對已有影像進行配準(zhǔn)后再幾何糾正處理。
在環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域，例如海上溢油污染事件發(fā)生時，大數(shù)據(jù)量圖像的快速拼接技術(shù)在污染評估過程中有著重要的應(yīng)用價值。尤其是無控制點或者粗略POS數(shù)據(jù)支持下的海量數(shù)據(jù)全自動快速拼接，如何有效提升拼接效率的同時，并保障一定的數(shù)據(jù)精度仍是當(dāng)前的研究熱點之一。
數(shù)據(jù)實時傳輸存儲技術(shù)
無人機監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸是無人機遙感系統(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之間數(shù)據(jù)傳輸是通過數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)的。除具有遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾δ苤?，?shù)據(jù)鏈還肩負(fù)著遙控、遙測和跟蹤定位的功能作用。早期無人機數(shù)據(jù)鏈大都采用分立體制，遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸與遙控、遙測和跟蹤定位用各自獨立的信道，設(shè)備復(fù)雜。20世紀(jì)80年代后,為了簡化設(shè)備或節(jié)省頻譜，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、遙控的統(tǒng)一載波體制，而遙感監(jiān)測信息使用單獨的下行通道，“四合一”綜合信道體制則是指遙感監(jiān)測信息傳輸與跟蹤定位、遙測、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)測信息傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。在無人機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測控系統(tǒng)中使用。無人機動態(tài)圖像壓縮編碼后，圖像/遙測復(fù)合數(shù)據(jù)速率已減到最小為1～2Mb/s（例如美國的11544Mb/s，以色列的212Mb/s），對應(yīng)的圖像分辨率可達(dá)720×576。
無人機在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用
無人機在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用
由于內(nèi)陸水體環(huán)境復(fù)雜、水域面積相對小且污染類型多樣，對數(shù)據(jù)精度要求較高，因此目前無人機遙感技術(shù)在內(nèi)陸水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究相對較少，主要是利用無人機環(huán)境遙感技術(shù)從宏觀上觀測水質(zhì)狀況，航拍制作分辨率為0.1m的實景圖像數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，并實時追蹤和監(jiān)測突發(fā)環(huán)境污染事件的發(fā)展，而在海洋中應(yīng)用技術(shù)相對較為成熟，監(jiān)測指標(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、多光譜成像儀、CCD攝影機、輕型紅外航掃儀、激光測深儀、成像光譜儀、化學(xué)傳感器等。
無人機在大氣環(huán)境環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用
近幾年來，國內(nèi)對于無人機應(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)急和簡單的大氣環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測，其中可監(jiān)測的指標(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)計了2種型號微型無人機，搭載了改進的臭氧傳感器和粒子(數(shù)濃度或質(zhì)量濃度)探測儀以及溫度濕度傳感器進行了探空試驗，飛行測量 數(shù)據(jù)合理可信，無人機平臺、記載傳感器和地面系統(tǒng)都達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)；中科院安徽光機所利用大氣物理研究所研制的無人飛機平臺，搭載自主研發(fā)的大氣污染差分吸收光譜探測系 統(tǒng)，成功獲取大氣污染成分NO2等的二維時空分布。
無人機在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用
目前，無人機遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，從領(lǐng)域上來看，主要體現(xiàn)在災(zāi)害監(jiān)測、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)碼相機或光譜類設(shè)備（如紅外攝影機、紅外掃描儀、微波輻射計等）獲取遙感影像，通過數(shù)據(jù)拼接與處理，實現(xiàn)宏觀環(huán)境監(jiān)測或大范圍監(jiān)測指標(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)查為例進行了應(yīng)用試驗。
?。?）生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與災(zāi)害監(jiān)測方面，以高分辨率數(shù)碼單反相機作為圖像獲取傳感器、綜合運用地面監(jiān)控軟件、影像處理軟件和無線電遙控系統(tǒng)的無人機低空航拍遙感系統(tǒng)對生態(tài)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測等眾多領(lǐng)域有著十分重要的實際意義。
?。?）路域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面，將無人機實時傳輸系統(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)測系統(tǒng)，實現(xiàn)公路路域生態(tài)環(huán)境的快速監(jiān)測調(diào)查。無人機遙感系統(tǒng)的低空飛行、成本低廉，機動靈活，能快速響應(yīng)拍攝任務(wù)等優(yōu)點在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域具有較大應(yīng)用優(yōu)勢，但受限于無人機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，實際業(yè)務(wù)應(yīng)用尚少。
前景展望與發(fā)展方向
無人機遙感技術(shù)作為繼航空、航天遙感之后的第三代遙感技術(shù)，有效彌補了當(dāng)前衛(wèi)星遙感和航空遙感的技術(shù)缺陷，而且具有價格便宜、安全性好、操作靈活等優(yōu)點，隨著計算機技術(shù)的進一步發(fā)展以及人們對環(huán)保監(jiān)測的要求的進一步提高，其在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛而深入。
加強小型化、輕型化且性能優(yōu)異的機載環(huán)境監(jiān)測設(shè)備研發(fā)
我國無人機遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(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)測儀器和自動監(jiān)測系統(tǒng)等多是國外引進的，價格昂貴，因此我國需要加強體積小、重量輕、精度高、存儲量大、性能優(yōu)異的機載環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)，即在現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測設(shè)備基礎(chǔ)上，減小重量體積，增大功能密度?？刹扇〉拇胧┲饕ǎ孩倮酶邚姸容p質(zhì)材料，降低傳感器組件的體積和重量；②改進內(nèi)部布局，提高集成度，拓展無人機的任務(wù)能力；③研發(fā)可擴展性和測控能力強的監(jiān)測設(shè)備，如能夠進行多種質(zhì)量(空氣、水質(zhì)、噪聲)自動監(jiān)測系統(tǒng)以及污水、廢氣、污染源主要污染物排放總量在線連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)；④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)測領(lǐng)域的無人機遙感技術(shù)尚處于初級階段，在很多指標(biāo)監(jiān)測方面的傳感器有待于進一步開發(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、紫外遙感遙測儀器儀表和基于激光光源的監(jiān)測靈敏度更高的長光程吸收光譜儀（激光雷達(dá)），用于城市大氣環(huán)境和城市污染源的高時空分辨率探測；研制開發(fā)便攜式現(xiàn)場污染事故應(yīng)急監(jiān)測儀器。
加強數(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)處理方式在無人機數(shù)據(jù)處理過程中的適用性往往相對較差，開展針對無人機系統(tǒng)特點數(shù)據(jù)處理技術(shù)與軟件開發(fā)，提高數(shù)據(jù)分析的精度和自動化是實現(xiàn)無人機遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用重要手段之一。例如，針對無人機遙感影像數(shù)據(jù)，應(yīng)加強無控制點、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；而針對其他環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)，如何與地面監(jiān)測指標(biāo)集成處理，實現(xiàn)空地一體化數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用也是無人機遙感技術(shù)研發(fā)的一個重要方向。
提高數(shù)據(jù)鏈路傳輸能力
隨著無人機機載能力與數(shù)據(jù)精度需求的提高，對數(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。而無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的技術(shù)難點主要表現(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)。除加強上述關(guān)鍵技術(shù)難點攻關(guān)之外，數(shù)據(jù)鏈的通用化、系列化與模塊化也是國內(nèi)外無人機系統(tǒng)主流的重要發(fā)展趨勢之一。因此，未來還應(yīng)加強相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的編制。
無人機航空遙感作為一項有潛力的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，在過去的幾十年里得到了快速的發(fā)展。目前我國已經(jīng)提出了建立“天空地”一體化環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)想，無人機在大氣、海洋、水體、地質(zhì)災(zāi)害、生態(tài)等多個環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的研究已經(jīng)陸續(xù)開始，相信隨著無人機平臺技術(shù)、環(huán)境傳感器技術(shù)、環(huán)境遙感技術(shù)的不斷成熟，基于無人機遙感技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將以其諸多難以替代的優(yōu)勢在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮日益重要的作用。
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