宋晨光 郝菁 孔伟威

随着我国环境保护压力不断增大，环境监测工作任务日趋繁重。传统的环境监测手段监测周期长，监测范围小，缺乏时空上的连续性，难以全面、及时地反映环境质量状况及动态变化情况，已不能满足现代化社会快速发展的需求。无人机遥感技术是继传统航空、航天遥感平台之后的第三代遥感技术。它能够快速获取地理、资源、环境等空间遥感信息，完成遥感数据采集、处理和应用分析。無人机遥感系统机动、快速、经济等特点迎合了目前环保形势下环境监测工作的新需求，已逐步在实际工作中获得应用，成为不可或缺的环境监测手段之一。

1、 无人机分类

1.1固定翼无人机

固定翼无人机是机翼固定不变，靠流过机翼的风提供升力，与日常乘坐的客运飞机一样，固定翼无人机起飞的时候需要助跑，降落的时候必须要滑行。固定翼无人机具有更高的海拔升限，更快的飞行速度，但对机械加工、气动外型设计要求较高，近年来才在民用领域开展应用。同时，固定翼无人机尺寸相对较大，操控距离较远，负载相对较大，更适用于相对较大区域、大航程及高度的任务要求，比如石油管线巡线、生态红线区现状调查等。

1.2多旋翼无人机

多旋翼无人机主要靠各个机臂上的螺旋桨旋转翼产生升力来平衡飞行器的重力，让飞行器可以飞起来，飞控人员可通过改变每个旋翼的转速来控制飞行器的平稳和姿态。所以多旋翼飞行器可以悬停，在一定速度范围内以任意的速度飞行。常见的多旋翼无人机主要有四旋翼、六旋翼、八旋翼等机型。旋翼类无人机飞行速度相对较慢，但具有可定点悬停、垂直起降方便、机动性强的特点，在民用领域发展应用迅速。多旋翼无人机一般尺寸较小（直径大多在1、2米以内，某些能达到几米），操控距离较近（一般几公里范围内），飞行高度较低（几百到上千米），负载较小（几公斤到几十公斤，多旋翼有效负载大多在10公斤以内）。

两种机型的各有优势，能够适用于不同飞行任务，在价格方面，固定翼无人机售价在十几万到几十万不等；旋翼无人机在几千到几万之间均可买到。

2、无人机遥感系统组成

无人机遥感系统的组成通常包括：飞行平台、飞行导航与控制系统、地面监控系统、任务设备、数据传输系统、发射与回收系统、野外保障装备以及其他附属设备等

2.1飞行平台

无人机飞行平台即无人机本身，是搭载导航器、传感器等设备的载体。飞行平台可搭载多种任务设备获取遥感数据，利用空中和地面控制系统实现遥感影像的自动拍摄和获取，同时实现航迹的规划和监控、信息数据的压缩和自动传输、影像预处理等功能。

2.2飞行导航与控制系统

飞行导航与控制系统是保证飞行平台以正常姿态工作的系统，包括飞行控制板、惯性导航系统、GPS接收机、气压传感器、空速传感器和转速传感器等部件。目前大多数无人机都安装有自动驾驶仪，无人机升空后即可按照设计好的航线自动工作，无需人为控制。

2.3地面控制系统

地面监控系统由无线电遥控器、地面供电系统、监控计算机和监控软件等部分组成，用来时刻监视无人机的工作状态，其主要功能为：地面监控站通过数据传输系统向飞行导航与控制系统发送数据和控制指令；接收、存储、显示、回放无人机的高度、空速、地速、方位、航向、航迹、飞行姿态等数据；显示任务设备工作状态，显示发动机转速、机载电源电压等数值；在机载电池电压不足、GPS卫星失锁、发动机停车、无人机失速、飞行姿态数据等误差超限时，发出报警提示。

2.4任务设备

任务设备是指获取遥感数据的传感器及其控制装置，工作时被固定安装在无人机机身的任务仓内。遥感传感器的控制装置通常与飞行导航与控制系统一体化设计，具有控制载荷定点工作、等时间间隔工作和等距离间隔工作等功能，并可记录工作时刻飞行平台的经纬度、高度和飞机姿态（如横滚角、俯仰角航向角）等数据。

3、无人机遥感技术的特点

与大尺度卫星遥感技术相比，无人机遥感技术的优势和特点鲜明{4}。

3.1响应速度快

无人机遥感系统运输便利、升空准备时间短、操作简单，可快速到达监测区域，机载高精度遥感载荷可以在1～2h 内即可获取遥感监测结果。

3.2图像分辨率高

无人机遥感获技术取图像的空间分辨率可以达到分米级，适用于1：10000或更大比例尺遥感应用的需求。无人机搭载的高精度数码成像设备，还具备大面积覆盖、垂直或倾斜成像的能力。

3.3自主性强

无人机可按预定飞行航线自主飞行、拍摄、航线控制精度高。飞行高度可以从50m到4000m，高度控制精度一般优于10m，速度范围从70km/h至160km/h，均可平稳飞行，适应不同的遥感任务。

3.4操作简单

无人机飞行操作自动化、智能化程度高，且操作简单，有故障自动诊断及显示功能，便于掌握和培训；一旦遥控失灵或出现其他故障，可自动返航到起飞点上空，盘旋等待；若故障解除，则按照地面人员控制继续飞行，否则自动开伞回收。

3.5无人机遥感系统与有人驾驶的飞机相比，运营成本低，飞行操控相对简单，培训时间较短，设备存放、维护比较简便，可节省调机、停机等费用。

4、无人机遥感技术在环境监测工作中的应用及展望

4.1水环境监测应用

环保部采用无人机遥感技术针对水环境监测开展了一系列实验。实验飞行区域位于江苏省扬州市南水北调东线工程源头输水水域的三江口江都水利枢纽、芒稻河及夹江的部分江段，全长11.5km，该区域水质稳定达标对于南水北调东线工程具有重要意义。

无人机数据获取前首先进行飞行区域航线规划，设计飞行高度、飞行距离、航速、航向与旁向重叠度，之后，测试无人机内导航定位与地面测控信息传输系统，一切确认无误后，进行无人机飞行航拍。

飞行搭载 CCD 光学相机的无人机平台飞行高度为500 m，航速为110km/h，共获取782幅航拍影像，采用专业航拍软件处理后，获取水源地相关区域共27.53km2 的0.1m高空间分辨率航空影像数据；搭载热红外摄像机的手抛无人机飞行高度为400m，航速为75km/h，获取了水源地周边污染源热红外视频数据。在水源地污染源无人机数据获取的同时，实验区域的污染类型，并对水源地内及其周边地表覆盖类型进行实地踏勘，获取了污染源及地表覆盖的相关信息，为无人机数据后期解译提供信息基础{5}。

青岛市属于典型的北方缺水城市，引用地表水尤其是饮用水源地的监测监管显得尤为重要，借助无人机遥感系统搭载的多光谱成像仪生成的多光谱图像，可以直观全面的监测地表水质量状况，提供水质悬浮物、透明度、水质富营养化、排污口污染状况等信息的专题图件，从而能达到对水质特征污染物监视性监测的目的，节约了人力、物力。

4.2大气环境监测应用

国外气体监测设备研究的技术比较成熟，美国MIDAC 公司研发的 Titan 气体分析仪MIDAC 运用了通过气体测量池抽取与使用远程传感技术直接在空气中测量 2 种技术，针对污染源气团中不同的成分，浓度范围以及运行环境，使用仪器中不同的方法监测，并且开展了多无人机协同监测大气污染物的研究。

国内将无人机应用于大气污染物的研究开展起步较晚，目前主要用于环境应急和简单的大气环境指标监测， 其中可监测的指标主要包括臭氧、粒子浓度、温度、湿度、NO2 和压力等。中国科学院大气物理研究所设计了2种型号微型无人机，搭载了改进的臭氧传感器和粒子（数浓度或质量浓度）探测仪以及温度湿度传感器进行了探空试验，飞行测量数据合理可信，无人机平台、记载传感器和地面系统都达到了设计指标。

结合青岛市大气污染监测的需求，可以通过搭载相关传感器实现监测大气结构、状态及变化，不再需要直接接触目标而进行区域性的跟踪测量，从而获得大气环境全面的综合信息。例如，臭氧、甲烷等微量气体成分具有各自分子所固有的辐射和吸收光谱，通过在无人机遥感系统搭载合适波段的监测仪器，来测量大气的散射、吸收及辐射的光谱，进而可推算大气污染气体成分，为污染源解析提供新的手段。

4.3突发环境事件应急监测

在执行环境应急监测任务过程中，无人机能够克服交通不利、情况危险等不利因素，快速到达人力所不能进入的污染事故所在空域，利用搭载的拍照设备记录事故现场情况，并通过数据传输系统将影像资料实时传回决策中心，使得决策者第一时间掌握事故中心污染情况以及存在于事故中心的环境敏感目标情况，为管理者提供决策依据。

青岛是国内重要的石油化工和中转储备基地，石化企业众多，危险化学品生产企业140余家，石化化工行业近水域布局存在环境风险。2013年，在处置“11.22”石油管线爆炸事故时，青岛市就采用了无人机技术，利用其升空灵活，能快速到达人力所不能到达的范围的特点，及时获取海上溢油分布情况，为救援和及时采取污染防治措施提供了准确的信息。这一宝贵的工作经验为无人机遥感技术应用于青岛市环境应急监测提供了可以借鉴的经验。

5、结语

无人机遥感技术作为一项有潜力的环境监测技术，在过去的几十年里得到了快速的发展。目前我國已经提出了建立“天空地”一体化环境监测网络体系的构想，无人机在大气、地表水、海洋环境等多个环境监测领域的研究已经陆续开始，随着无人机平台技术、环境传感器技术、环境遥感技术的不断成熟， 基于无人机遥感技术的环境监测系统将以其诸多难以替代的优势在环境监测领域发挥日益重要的作用。