无人机技术在环境监测中的应用分析

萧浩鹏 彭海宇 黄华 刘丽娟

摘 要：无人机技术以其灵敏机动、经济成本低、分辨率高、不受场地约束等诸多优点。通过搭载高清分辨率相机、红外载荷、多光谱及高光谱成像仪、环境监测传感器等机载设备，无人机广泛应用于各种监测场景，目前已普遍使用在地表水环境、大气环境、生态环境的监测工作之中。该文重点分析无人机技术在环境监测中的应用研究进展，并探讨其应用前景。

关键词：无人机  环境监测  大气环境  地表水环境 生态环境

中图分类号：X87      文献标识码：A

Abstract： Due to the advantages of agility， low cost， high resolution and free from site constraints， by carrying airborne equipment such as high-resolution camera， infrared load， multispectral，hyperspectral imager and environmental monitoring sensor，UAV has been widely used in monitoring of surface water， atmospheric and ecological environment. This paper mainly analyzes the application of UAV technology in environmental monitoring and discusses its application prospect.

Key Words：UAV; Environment monitoring; Atmospheric environment;Surface water;Ecological environment

建设生态文明、推进绿色发展，关乎人民福祉和民族未来。生态环境保护工作需要以环境监测作为基础，获取详实、准确的环境监测数据作为决策支撑。随着科学技术水平的不断提高，无人机技术以其灵敏机动、经济成本低、分辨率高、不受场地约束等诸多优点，在环境监测领域的应用也日趋普遍。

1 无人机技术应用情况

无人机是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器。无人机结构简单、使用成本低，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务，如危险区域的地质灾害调查、空中救援指挥和环境遥感监测。

无人机按用途进行分类，可以分为民用无人机、警用无人机和军用无人机;按飞行平台构型分类，可以分为固定翼无人机、旋翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机等。在无人机刚兴起时，无人机普遍运用于航拍娱乐;现如今，无人机运用非常广泛，主要运用的行业有城市建设管理、农业植保和农药喷洒、交通监视、地质保护、气象监测、电力水力、抢险救灾、视频拍摄、生态环境和环保监测、服务等行业等。

无人机可搭载高清分辨率相机、红外载荷、多光谱及高光谱成像仪、环境监测传感器等机载设备、广泛应用于各种监测场景。在恶劣、危险和人类无法到达的环境条件中，无人机能替代我们到达我们无法到达的环境，第一时间对现场进行全面监测，通过搭载的相机设备等记录现场环境的情况。然后通过运用计算机对航拍影像进行建模处理，大规模提取图片影像中的数据进行快速处理，提取有效数据。

2 基于无人机技术的环境监测应用

2.1 无人机在大气环境监测中的应用

无人机在大气环境监测方面的应用主要有3个方向。

2.1.1 无人机+可见光相机

目前，运用比较广泛的是在无人机上搭载可见光相机对大气环境進行监测[1]，即搭建可见光云台进行大气环境监测。其缺点在于：只能通过可见光相机拍摄照片以及拍摄视频来完成监测，目前还没拥有足够准确的监测数据作为支撑，同时还很容易受到天气、光照以及相机本身等各方面因素的影响，所以只有在对污染浓度大且可见性污染源，比如：秸秆焚烧进行监控时，才会应用到可见光相机。

2.1.2 无人机+红外成像仪

在无人机上搭载红外成像仪，可以在白天或者晚上顺利进行监测。红外成像仪的特点是可以不接触被测物体就能测量其温度，且是在一定范围的温度分布，反应速度快，测量精度基本不受距离的影响等。因此，无人机通过红外成像仪可以发现夜间生产的企业是否有偷排的情况。但红外成像仪容易受环境的影响，不同种类的企业的热分布形式有所不同，其排放温度与排放量没有关联性，监测结论需要经过较长时间的相关模型比对和监测才能得出[2]。

2.1.3 无人机+气体传感器

最后一个方向是在无人机上搭载气体传感器。气体传感器是指多种因子的高精度气体传感器。无人机搭载上相应因子的高精度气体传感器在指定区域内进行大范围的巡视，寻找该污染因子进行监测。在技术的不断发展进步下，气体传感器的精度达到了可以接受的范围，尤其是运用了光离子化检测器方法的气体传感器，其检出限、精度甚至可以达到ppb的级别，在一定程度上满足了大气污染物浓度的要求。

目前，考虑到环境监测执法的时效性需求，已有相关技术通过构建无人机监测平台来进行实事应急监测，开发基于无人机监测平台的大气污染应急监测和溯源系统[3];并有相关企业探索将无人机+气体传感器获得的大量实测数据实现可视化处理，充分挖掘数据隐含的空间关联，揭示大气污染物的迁移转化规律，从而科学直观地判读并分析大气污染情况，为后续一系列的治理措施提供支撑依据。

2.2 无人机在水环境监测中的应用

在水环境监测中，目前比较常用的是用无人机开展巡河工作[4]。运用无人机巡河，可以对河道是否有漂浮物以及河岸的保洁情况进行全方位的拍摄记录，也可以收集河流水质、污染源及排污口等信息。

无人机在水环境监测工作中的应用前景非常广阔[5]，在实际应用时有以下明显的优势。

一是提高效率，节约成本。运用无人机进行地表水环境监测时，可以克服地形和地势困难，几乎直线到达监测区域，有效地节约了整个采样工作的时间以及人力、物力成本。相关研究证明了无人机监测识别饮用水水源风险可行性，对于取水口及其风险监测技术体系建设具有一定参考价值[6]。

二是提高质量，安全便捷。运用无人机可以准确采集河流湍急、河沿岸淤泥沉积等恶劣环境中的水样，提高水样的准确性、代表性和可比性。同时，监测采样人员无需亲身赴险，只需要在监测点的岸边操控无人机就可以完成水样采集工作，非常便捷，风险较小。

三是直观全面，准确度高。通过开展野外同步水质光谱数据采集实验，获取各等级水质样本数据将无人机高光谱技术应用到城市中小河流的水环境监测中，满足城市中小河流的水质监测需求[7]。

2.3 无人机在生态环境监测中的应用

在生态环境监测中，无人机可以充分发挥直观、全面、分辨率高、采集和分析处理速度快、成本低的遥感监测优势，快速完成拍摄任务，生成高分辨率的遥感图像，直接辨认污染来源、分析部分可见污染物的情况，构成分布图，同时使用高性能处理方式，对数据进行预处理和深度处理，生成可用的分析数据，为生态环境保护工作提供数据支撑。

无人机技术在生态环境监测上的应用场景包括：一是森林资源调查研究，无人机遥感设施利用相机进行传输影像，获得数据再结合GIS和GPS系统分析;二是生态环境和灾害监测研究，通过空间遥感技术与GIS技术结合，定量分析景观斑块、格局和土地利用空间格局的变化;三是陆域生态环境监测调查，利用无人机遥感技术，对土地利用类型、植被覆盖和土地侵蚀等生态环境要素进行定位，充分展示了陆域生态环境的变化情况。

3 无人机技术在环境监测的应用前景

无人机具有低成本、低损耗、可重复使用且危险小等诸多优势，在环境监测领域推广应用[8]，可以為环境监测提供有力帮助，切实提高环境监测质量，从而让环境监测工作更有价值和意义。

在利用无人机开展环境监测过程中，仍需着力解决一些技术和标准规范层面的问题。

一是研发小型、轻型的环境监测设备，解决无人机荷载以及空间限制等因素的影响。

二是研发无人机数据信息的分析处理系统，有助于深化无人机技术在环境监测领域中的应用。

三是无人机飞行高度受限，电池续航能力还有待提高，且在水域上空发生故障时难以回收，因此，需要加强监测现场环境的实地调查与研判，合理有效规划无人机飞行航线，提高无人机操作的安全性。

四是针对无人机获取的环境监测指标数据，没有相关的标准、规范，其数据只能作为参考，怎样和地面监测指标统一进行集中处理，实现空地一体化数据综合使用，是作为无人机应用技术开发的一个研究方向。

4 结语

综上所述，无人机技术在监测水环境、大气环境、生态环境中正发挥着越来越重要的作用。但由于无人机技术与生态环境保护行业的结合是最近几年才兴起的，其自身仍存在不少问题。在突破上述技术难题后，无人机技术在环境监测领域的未来一定会有更广阔的发展前景。

参考文献

[1] 单旭然.从“蓝天行动”看无人机在大气环境监测中的应用[J].城市建设理论研究：电子版，2018（24）：181.

[2] 李琪.无人机在大气环境监测中的应用[J].中国环保产业，2018（2）：54-57.

[3] 魏顺成. 基于无人机的大气污染应急监测与溯源[D].杭州：浙江工业大学，2020.

[4] 王凯.无人机在水环境监测工作中的应用分析[J].造纸装备及材料，2020，49（4）：66-67.

[5] 刘美玲，罗克菊，汪晶，等.浅谈无人机在水环境监测工作的应用前景[J].资源节约与环保，2018，205（12）：61.

[6] 杨欣.基于无人机监测的上海市取水口风险评估技术案例研究[D].上海：华东师范大学，2020.

[7] 李澜. 基于无人机高光谱遥感的城市中小河流水质等级判别研究[D].北京：中国科学院大学（中国科学院上海技术物理研究所），2021.

[8] 姚婉玲.基于无人机遥感技术的环境监测研究进展[J].环境与发展，2017，29（5）：154，156.