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
·無人機遙感傳感器
·影像拼接技術
·數據實時傳輸存儲技術
無人機在環(huán)境監(jiān)測領域的應用
·無人機在水環(huán)境監(jiān)測中的應用
·無人機在大氣環(huán)境環(huán)境監(jiān)測中的應用
·無人機在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應用
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)測設備研發(fā)
·加強數據處理技術研究與軟件開發(fā)，提高數據分析的精度和效率
·提高數據鏈路傳輸能力
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性和前沿性工作，尤其是伴隨著近些年來一系列環(huán)境災害與環(huán)境事故的頻發(fā)，環(huán)境監(jiān)測技術的研究越來越引起國內外政府學者的重視。如何方便、快速、低成本的獲取精確、可靠、及時的環(huán)境基礎數據資料成為技術研究的重點和難點。
無人機遙感技術作為繼傳統(tǒng)航空、航天遙感之后的第三代遙感技術，可快速獲取地理、資源、環(huán)境等空間遙感信息，完成遙感數據采集、處理和應用分析，同時具有機動、經濟、安全等優(yōu)點。
無人機遙感技術
無人機遙感技術是一個綜合、系統(tǒng)的技術領域，其中的核心關鍵技術主要包括遙感傳感器、影像拼接技術與數據實時傳輸存儲技術3部分。
無人機遙感傳感器
傳感器是無人機遙感技術發(fā)展的重要基礎設備之一。20世紀8O年代以來，隨著計算機技術的發(fā)展以及無人機遙感技術在環(huán)保領域應用的不斷深入，面向環(huán)境監(jiān)測領域的傳感器在數字化、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在環(huán)境監(jiān)測領域的應用，其主要表現在以下幾個方面。
1. 航拍圖像傳感器：隨著CCD和CMOS圖像傳感器的日漸成熟，數碼相機的性能也不斷提高，普通的數碼相機的分辨率也已達到了1000萬像素以上，高分辨率的數碼相機成為無人機低空遙感系統(tǒng)主流的傳感器件。在技術上，傳感器不斷向大面陣、多光譜、數字化方向發(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)測儀器設備的研制成為一個新興的領域。這方面的設備從工作模式上，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)測設備（如粒子探測儀、差分吸收光譜探測系統(tǒng)、電化學類氣體監(jiān)測設備等）。
影像拼接技術
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)境的整體認知。因此，為得到整個區(qū)域的全景影像，必須實現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、數碼相機等因素影響，無人機遙感圖像往往具有旋轉變形大、幅寬小、數量多、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
少數學者進行初步探索，但是在精度與效率方面仍有待于進一步探索。由于現階段無人機主要應用于地質災害、突發(fā)性環(huán)境污染事件等應急業(yè)務中，因此面向環(huán)境應急的無人機遙感圖像的快速拼接處理技術研究相對較多，其采用流程主要是對已有影像進行配準后再幾何糾正處理。
在環(huán)境應急監(jiān)測領域，例如海上溢油污染事件發(fā)生時，大數據量圖像的快速拼接技術在污染評估過程中有著重要的應用價值。尤其是無控制點或者粗略POS數據支持下的海量數據全自動快速拼接，如何有效提升拼接效率的同時，并保障一定的數據精度仍是當前的研究熱點之一。
數據實時傳輸存儲技術
無人機監(jiān)測數據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據傳輸是通過數據鏈實現的。除具有遙感監(jiān)測數據傳輸的重要功能之外，數據鏈還肩負著遙控、遙測和跟蹤定位的功能作用。早期無人機數據鏈大都采用分立體制，遙感監(jiān)測數據傳輸與遙控、遙測和跟蹤定位用各自獨立的信道，設備復雜。20世紀80年代后,為了簡化設備或節(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。
除信道綜合技術之外，數據的壓縮、解壓縮技術也是遙感監(jiān)測信息傳輸的關鍵技術之一。在無人機傳感器視頻信息傳輸方面，從20世紀90年代起已開始應用圖像數字傳輸技術，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/遙測復合數據速率已減到最小為1～2Mb/s（例如美國的11544Mb/s，以色列的212Mb/s），對應的圖像分辨率可達720×576。
無人機在環(huán)境監(jiān)測領域的應用
無人機在水環(huán)境監(jiān)測中的應用
由于內陸水體環(huán)境復雜、水域面積相對小且污染類型多樣，對數據精度要求較高，因此目前無人機遙感技術在內陸水環(huán)境監(jiān)測中的應用研究相對較少，主要是利用無人機環(huán)境遙感技術從宏觀上觀測水質狀況，航拍制作分辨率為0.1m的實景圖像數據進行監(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，而在海洋中應用技術相對較為成熟，監(jiān)測指標主要涵蓋了水溫、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、化學傳感器等。
無人機在大氣環(huán)境環(huán)境監(jiān)測中的應用
近幾年來，國內對于無人機應用與大氣污染物的研究才剛剛開展，目前主要用于環(huán)境應急和簡單的大氣環(huán)境指標監(jiān)測，其中可監(jiān)測的指標主要包括臭氧、粒子濃度、溫度、濕度、NO2和壓力等，如中國科學院大氣物理研究所設計了2種型號微型無人機，搭載了改進的臭氧傳感器和粒子(數濃度或質量濃度)探測儀以及溫度濕度傳感器進行了探空試驗，飛行測量 數據合理可信，無人機平臺、記載傳感器和地面系統(tǒng)都達到了設計指標；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)測中的應用
目前，無人機遙感技術在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應用，從領域上來看，主要體現在災害監(jiān)測、森林資源調查、生態(tài)環(huán)境等方面；應用方式表現為利用數碼相機或光譜類設備（如紅外攝影機、紅外掃描儀、微波輻射計等）獲取遙感影像，通過數據拼接與處理，實現宏觀環(huán)境監(jiān)測或大范圍監(jiān)測指標（如土地利用、植被覆蓋等）提取。
?。?）森林資源調查方面，可選用索尼DSC-90數碼相機作為影像傳感設備，結合地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）技術，以森林資源二類調查為例進行了應用試驗。
（2）生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與災害監(jiān)測方面，以高分辨率數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)境與災害監(jiān)測等眾多領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，結合采用地下電子標識系統(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，能構建公路路域生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)，實現公路路域生態(tài)環(huán)境的快速監(jiān)測調查。無人機遙感系統(tǒng)的低空飛行、成本低廉，機動靈活，能快速響應拍攝任務等優(yōu)點在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領域具有較大應用優(yōu)勢，但受限于無人機高分辨率圖像處理技術及任務載荷等方面限制，目前應用仍處于探討階段，實際業(yè)務應用尚少。
前景展望與發(fā)展方向
無人機遙感技術作為繼航空、航天遙感之后的第三代遙感技術，有效彌補了當前衛(wèi)星遙感和航空遙感的技術缺陷，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)測領域的應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)測設備研發(fā)
我國無人機遙感技術在環(huán)境監(jiān)測領域應用尚處于發(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，而現使用的大部分設備如高質量的分析儀、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)測設備的研發(fā)，即在現有環(huán)境監(jiān)測設備基礎上，減小重量體積，增大功能密度。可采取的措施主要包括：①利用高強度輕質材料，降低傳感器組件的體積和重量；②改進內部布局，提高集成度，拓展無人機的任務能力；③研發(fā)可擴展性和測控能力強的監(jiān)測設備，如能夠進行多種質量(空氣、水質、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集成多種新技術以提高效能。除此之外，面向大氣、水等環(huán)境監(jiān)測領域的無人機遙感技術尚處于初級階段，在很多指標監(jiān)測方面的傳感器有待于進一步開發(fā)。在技術上，在設備小型化、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），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)便攜式現場污染事故應急監(jiān)測儀器。
加強數據處理技術研究與軟件開發(fā)，提高數據分析的精度和效率
無人機系統(tǒng)在數據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)參數少等。傳統(tǒng)航空數據處理方式在無人機數據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)特點數據處理技術與軟件開發(fā)，提高數據分析的精度和自動化是實現無人機遙感技術在環(huán)境監(jiān)測領域應用重要手段之一。例如，針對無人機遙感影像數據，應加強無控制點、姿態(tài)參數少情況下的圖像匹配與糾正技術研究，開發(fā)相關軟件，提高影像數據處理的精度與效率；而針對其他環(huán)境監(jiān)測指標數據，如何與地面監(jiān)測指標集成處理，實現空地一體化數據綜合應用也是無人機遙感技術研發(fā)的一個重要方向。
提高數據鏈路傳輸能力
隨著無人機機載能力與數據精度需求的提高，對數據鏈傳輸能力在數據傳輸速率、抗干擾能力以及作用距離等方面提出了更高的要求。而無人機數據鏈系統(tǒng)的技術難點主要表現在無線傳輸環(huán)境的半物理仿真、基于軟件無線電的自適應數字下變頻技術、非對稱調制的抗干擾體制和基于圖形化編程語言Agilent VEE以及網絡環(huán)境的微波儀表功能集成與遠程控制技術。除加強上述關鍵技術難點攻關之外，數據鏈的通用化、系列化與模塊化也是國內外無人機系統(tǒng)主流的重要發(fā)展趨勢之一。因此，未來還應加強相關標準規(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，在過去的幾十年里得到了快速的發(fā)展。目前我國已經提出了建立“天空地”一體化環(huán)境監(jiān)測網絡體系的構想，無人機在大氣、海洋、水體、地質災害、生態(tài)等多個環(huán)境監(jiān)測領域的研究已經陸續(xù)開始，相信隨著無人機平臺技術、環(huán)境傳感器技術、環(huán)境遙感技術的不斷成熟，基于無人機遙感技術的環(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)測領域發(fā)揮日益重要的作用。
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