深圳航天智慧城市系统技术研究院有限公司 广东 深圳 518000

搞 要 目前，对于水环境监测数据，主要靠人工采集、船只搜集。在实际操作过程当中会造成数据搜集上的一些误差，另一方面，船只会排出废气和污染物。而高分辨率、高光谱遥感技术的发展，突破了传统方式的水环境监测手段，无人机遥感技术的诞生，满足了现阶段精细化和动态化监测需要，在对生态恢复的监测上发挥着越来越重要的作用。

1 无人机水环境生态监测与恢复

1.1 水环境生态监测存在问题

近年来，经济的发展导致环境更加恶化，很多地区环境生态环境受到严重破坏，加之缺乏必要的信息化管理手段，也给环境监测带来较大影响。依靠传统遥感方式的环境监测手段无法满足现阶段精细化和动态化监测需要，能够解决上述问题的关键措施的无人机遥感技术因此应运而生。

水环境生态监测，主要是利用水体高分辨率影像、光谱效应、热红外等进行差异化，从遥感影像的色调、灰度、结构、纹理、光谱曲线、温度特征等方面进行识别。传统遥感监测存在高分数据成像周期较长、易受天气因素影响等问题，对于治理效果的监管存在一定滞后性。而水域因为有流速，属于易变的监测物，对监测时效性要求也较高。

1.2 无人机监测的优势

无人机遥感作为一种低空遥感，需要多项技术协调配合工作，通过搭建无人机飞行器作为遥感平台，挂载红外光、可见光相机等设备作为任务载荷，依托遥感数据处理系统作为成果输出端口，实现一整套连续的遥感过程。优势有以下几点：

第一，运行维护成本低。与卫星和有人机等其他遥感方式相比，无人机的运行和维护成本相对较低，工作人员运用地面站程序即可实现对无人机的远程遥控，并通过无人机搭载的任务载荷完成对目标区域的作业操作，节约人力劳动和时间成本。

第二，安全性高。无人机可在天气环境较恶劣的河湖实施作业来进行采集数据。尤其是在山洪灾害中期和后期对河流水面的监测，无人机可代替人员到达现场，造成不必要的人员伤亡，保证人身安全。

第三，实时性好。无人机通过测控与信息传输系统能够实时传输航拍影像，灵活度高，适用于河湖水环境的日常监测，为河湖的生态监测与恢复制定工作方案提供有力依据。

第四，精度高。无人机飞行高度通常为50～1000m，满足航空摄影中的近景测量标准，精度较卫星遥感有大幅度的提升，测量精度为亚米级，其范围为0.1～0.5m。

第五，云层条件影响小。无人机遥感通过控制飞行高度，可以有效地避免云层对航拍效果的影响，同时，挂载的数码相机可以调节光圈、快门和感光度，并运用相关软件对颜色、反差、亮度进行调整和消雾处理。随着研发技术的不断深入，无人机的抗风抗雨性得到很大程度的提升，可以满足在恶劣天气环境下执行飞行任务。

1.3 遥感载荷

无人机执行遥感测量任务时，还需要搭载传感器载荷，有些无人机可携带多种载荷。根据不同的任务，有不同的载荷可以选择，可选择的载荷种类包括光电摄像机、红外摄像机、激光雷达、合成孔径雷达、高光谱传感器等。

在水资源生态监测与恢复领域，使用视场较宽的传感器，可以一次拍摄范围更大的相片或影像，对于湖泊这种面积较广的地物，拍摄一幅面积较大的图像，能寻找更多的同名点，以便于后期图像的拼接工作。

红外传感器也称为前视红外传感器，利用红外或热辐射成像，红外载荷在水资源生态监测与恢复领域可用于水体温度变化的监测。

人机机载激光雷达系统集激光扫描仪、全球定位系统、（GPS）、惯性导航系统（IMU）等技术于一体，是一种主动式航空遥感设备。激光雷达传感器可以直接以点云的形式获得三维信息，通过测量从物体发出的激光脉冲和返回的激光脉冲之间的时间帧来测量到物体的距离，结果生成3D点云。目前，无人机激光雷达载荷主要有微型激光雷达、多脉冲激光雷达、全波形激光雷达、多光谱激光雷达、凝视成像激光雷达、多源传感器融合激光雷达等。

高光谱数据依据地物的光谱曲线，可以对某些具有特殊光谱吸收特征的物质进行探测，进而进行精准的目标物类型区分。无人机高光谱预测技术进展成为研究大时空尺度水域富营养化现象的重点和方向，利用无人机搭载高光谱传感器，对水体水质情况监测。

合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率成像雷达，可在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像，其特点是分辨率高，能全天候工作，能有效地识别伪装和穿透掩盖物。对于一些需要高频监测的水环境生态，利用SAR可以忽略天气原因对检测工作的限制，但是在水环境生态监测于恢复领域，利用无人机搭载SAR传感器进行数据采集还很少[1]。

2 无人机遥感在水环境生态监测与恢复中的应用

2.1 水土保持

无人机在水土保持方面主要通过搭载多光谱成像仪等设备，获取多光谱图像的实时数据信息，从宏观角度来进行水环境状况的监测。对于水域面积比较小、污染类型比较复杂、精度要求比较高的内陆水体，无人机遥感技术还无法达到监测要求。

我国的无人机遥感技术首次应用于环境监测领域的是辽宁省，其通过无人机遥感技术对辽河治理情况进行航拍和监测，得到分辨率为0.1m的实景图像数据，通过对图像进行评估来掌握辽河治理的实际情况，应用于物种丰富程度、河流边坡、栽种植被以及植株成活情况等方面。

（1）对地形复杂区域进行监管。如一些高山、地形复杂的地区，既是水土保持工作的重点也是难点所在。而且很多地方濒临悬崖，难以靠近。而无人机遥感技术不受地形影响，能对艰难险要的部位进行全面监管，及时发现并消除水土流失隐患。

（2）对实施水土保持措施地区定量监测监管。传统的建设生产中水土保持检查方式，大都以定性的方式检查水土保持措施是否落实到位，而随着监测与监管要求的提高，对定量的判断更加需要。利用无人机可获取原始影像数据，经专业软件处理后，生成满足工作要求得DEM、DOM等数据，分析水土保持措施位置和数量；通过三维场景建模，获取原始地形数据，计算土石方量，将不同时间的无人机影像叠加，可分析面积的变化情况。

（3）对长线型项目进行自动巡查。传统采用抽点检查的方式进行监测，但是抽取的点不能体现整体的情况，不能完全彻底的体现监测效果。而利用无人机遥感技术开展监测与监管工作，可以由监测人员自主规划飞行路线，设定无人机自动沿河流范围进行摄影摄像，不仅可以全面了解整条线路的具体情况，还能实时发现问题，并计划与施下一步工作，有助于监测人员快速、全面的了解水土保持工作情况。

2.2 水质监测

水生态环境系统的监测体系主要以定时定点的地面监测系统为主，卫星遥感技术为辅。与传统的卫星遥感相比，无人机对监测目标进行快速航拍、巡查，通过大范围、全面地搜集信息，实时传递现场信息，监视险情发展，进而提供水利资源调查数据，水文情况调查，无人机反演方法已经逐渐成为内陆水体水质监测评估的重要技术手段。目前，无人机遥感技术主要针对水质的富营养化、透明度、排污孔污染状况等情况进行监测，对地表水环境状况进行直观监测[2]。

3 应用展望

无人机作为一种新型的遥感平台将得到广泛应用，为水环境生态监测与恢复提供了新的技术方法，多载荷无人机平台的应用极大地扩展了水环境生态监测与恢复的深度和广度，为实现精水资源监测奠定了基础。但是一些方法和理论尚未成熟，因此为提高无人机水环境生态监测与保护领域的应用能力，可以就这几个方面进行优化改良：

（1）规范化。随着无人机在各领域的广泛应用，急需对无人机或者无人机机群进行适当的监管，保证在作业过程中具有良好的协同性和高效性。

（2）集成化。受载荷及空间限制，无人机无法搭载一些高质量的分析仪、专用监测仪器和自动检测系统等高精尖设备，因此需要在现有环境监测设备基础上，减小重量体积，增大功能密度，研发可扩展性、高强度性。

（3）智能化。在保证无人机飞行安全的同时，研发无人机智能系统，实现无人机或无人机机群自主起降、躲避障碍物，智能跟踪等能力，实现系统化、智能化的水质环境监测，大大节省人力、物力和时间。在水质监测中，对大面积水域的智能识别以及地形相对高度的把控将会更利于航线规划，这样更加智能化、安全化和简单化的操作将会成为主流。

（4）高带宽化。目前，高光谱传感器在一定的波段范围内，并不能在机上直接得到无人机遥感影像，而是后期在计算机上进行一系列复杂的数据处理，造成数据量庞大、冗余，并不能很快地满足客户得到所需的影像信息，所以可尝试提高无人机数据链的传输带宽，实现无人机高清影像或视频长距离、低延迟和抗干扰地实时回传。