无人机遥感技术在海洋环境监测中的应用探讨
摘 要：无人机遥感技术是集无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术于一体的一种新兴技术。随身科技的不断进步以及社会需求的逐渐增加，无人机遥感技术作为获取遥感数据的新型手段，正在向着多元化方向发展。运用无人机遥感技术对海洋环境进行监测，不但可以弥补卫星、航空遥感经常因云层遮挡获取不到影像的缺点，而且可以同时兼顾固定监测站、专业调查船的工作效率与数据采集周期的瓶颈问题。由此可见，在未来的海洋环境监测工作中无人机遥感技术将会作为一支生力军获得更多的关注以及更为重要的应用。
关键词：无人机；遥感技术；海洋环境监测
广袤的海洋蕴藏着丰富的油气资源、矿产资源、生物资源、化学资源以及可再生能源。随着各领域对海洋能源勘察研究和开发利用的渐渐深入，有关海洋环境监测的问题也已成为人们日益关注的焦点。海洋环境监测常被称为海洋环境保护的“耳目”，是海洋环境管理的重要组成部分，在海洋环境保护事业中具有基础性地位。能否做好海洋环境监测工作关乎到是否可以及时、准确、可靠、全面地反映海洋环境质量和污染来源的现状和发展趋势，为海洋环境保护和管理、海洋资源开发和利用提供详实的科学依据。但是，由于我国海域辽阔、海岸线绵长，海域及近岸海洋环境监测网点分散，仅依靠现有的海洋监测台站和传统监测技术方法不能满足现阶段海洋环境监测的要求。
遥感技术作为一门在20世纪60年代才兴起的崭新学科，近年来随着学科理论的创新以及科技的进步，遥感技术依靠其自身强大的优越性已然在各个领域取得了长足的发展，并且已经成为各学科领域不可或缺的获取实用信息的技术手段之一。而无人飞行器的问世与迅猛发展不但拓展了遥感技术的应用领域，而且为遥感技术应用的多样性提供了新的契机。运用无人机遥感技术监测海洋环境变化及生态环境状况，正确评价环境质量，寻求保护和改善海洋生态环境的途径和措施，具有重要的意义。
一、无人机的发展与应用
无人机（unmanned aerial vehicle，UAV）是无人驾驶飞机的简称，其最早出现可以追溯到20世纪20年代，因现代战争的需求而研发问世。随着电子、通信和计算机技术的迅速发展，到 20 世纪 80 年代，无人机经过了无人靶机、预编程序控制无人侦察机、指令遥控无人侦察机和复合控制多用途无人机的发展过程，技术逐渐成熟，在几次局部战争中发挥了重要的作用，得到了较为广泛的应用。而到 20 世纪 80 年代中后期，各国制造的无人机有近百种，其性能和成本根据无人机的主要用途也千差万别，其中包括微型的低空低速遥控无人机和大型的长航时、高空、高速无人机等。随着无人机研发技术的逐渐成熟以及民用领域需求的日益增长，无人机已经渐渐渗透到民用领域的各个行业。美国航空航天局也将多种无人机应用于森林火灾监测、精确农业、海洋遥感大地磁场测量和风暴测量等研究项目。澳大利亚也利用全球鹰搭载成像 SAR 进行海洋监测研究。尽管如此，无人机在民用特别是遥感领域的应用仍然处于起步阶段，目前并没有形成一个成熟的产业。
虽然我国无人机产业起步较晚，但由于近年计算机技术、通讯技术的迅猛发展，国内无人机的开发与研制水平也已跻身世界领先行列。随着无人机研究的逐渐深入以及应用范围的不断扩大，国内各高等院校如南京航空航天大学、北京航空航天大学以及各科研院所纷纷介入了这一高新科技领域，研制出一批具有专业针对性的无人机样机。伴随着无人机技术瓶颈问题的逐一解决，不但其应用领域的扩展一日千里而且其行业需求也是与日俱增，目前已经涉及的领域有航拍航测、农林植保、安全执法、侦查监控，灾害应急电网、铁路、石油管道巡线，突发事件监控，边防、海事巡逻等等，但无人机的应用领域绝不仅限于此，未来无人机的应用发展还可以有更多的想象空间。无人机这一新兴产业的异军突起不但给各领域注入了新的活力、提供了新的契机，也给各学科提供了新的平台和发展空间。
二、无人机遥感技术在环境监测领域的应用进展
步入21世纪以来，在科技进步和社会发展的双重推动下，各专业领域对无人机和遥感技术提出了新的需求，无人机遥感技术在这种环境下应运而生，其作为获取遥感数据的新型手段，正在向着光谱信息成像化，雷达成像多极化，光学探测多向化，地学分析智能化，环境研究动态化以及资源研究定量化的方向发展。这样不但大大提高了遥感技术的实时性和运行性，更使其向多尺度、多频率、全天候、高精度以及高效率的目标发展。无人机遥感技术较适合应用在小范围的高分辨率遥感数据的即时获取方面，其在环境保护领域中的应用更广泛，如环境监测、环境应急、生态保护以及环境监察等。下面简要介绍几点无人机遥感技术在环境监测领域的应用情况：
（一）在水环境监测中的应用
对于内陆水体而言，其水域面积相对较小，但污染类型多样且水体环境复杂，目前针对无人机遥感技术在内陆水环境监测中的应用研究相对较少，主要仍是利用无人机环境遥感技术从宏观上观测水质状况，实时追踪和监测突发环境污染事件的发展，而在近岸海洋中的应用相对较为成熟，如2012年使用华南理工大学自主研发的中国首架海监无人直升机执行近海的海洋执法监察、环境监测、环境保护等任务；广东中科院上海技术物理研究所将小型多光谱成像仪搭载在无人机SE-1（海洋探索1号）平台上，使其成为一种灵活机动的海洋监测工具，可用于海洋污染、赤潮发现、原油泄漏等重大事件的监测；而在国际上许多国家都在运用无人机来进行海洋溢油及海洋环境因素（海洋表面温度、冰的厚度、海浪高度）等一系列环境问题的监测。
（二）在大气环境监测中的应用
无人机技术在近几年的大气污染物研究中逐渐崭露头角，目前主要通过监测臭氧、粒子浓度、温度、湿度、NO2和压力等指标来完成简单的大气环境指标监测。中国科学院大气物理研究所设计的微型无人机，搭载新型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探空试验，获取的测量数据合理可信，试验证明，无人机遥感技术在大气环境监测方面的应用是切实可行的；而中科院安徽光机所利用该无人飞机平台，搭载自主研发的大气污染差分吸收光谱探测系统，成功获取大气污染成分NO2等的二维时空分布。反观国外气体监测设备研究的技术一直走在前列，国外诸国已经开始进行多无人机协同监测大气污染物的研究，多无人机协作系统根据运动过程中获取的传感器数据，利用相关地图建模算法建立污染气体的分布地图，进而获取系统监测污染气团的环境信息，为任务分配和路径规划提供基础数据。
（三）在生态环境监测中应用
近年来应用无人机遥感技术进行生态环境监测主要集中在灾害监测、森林资源调查、生态环境等方面，而应用方式通常是利用数码相机或光谱类设备来获取遥感数字影像资料，然后通过数据的拼接、镶嵌和后处理，从而实现宏观环境监测或大范围监测指标的提取。如辽宁环境与航空应用工程中心采用无人机遥感系统对辽河流域现状进行航拍和遥感监测，获取了高分辨率影像资料。并以此为依据对辽河生态系统现状进行遥感监测及评价，其不但可以从宏观上观测空气、植被、土壤和水质的状况，而且还可以实时快速地跟踪和监测突然环境污染事件的发展情况，及时根据最新状况制定出有针对性的处理应对措施，进而来达到控制污染发展和减少损失的目的。
三、现有海洋环境监测手段及其不足
目前对海洋环境进行监测的手段繁多，所采用的新技术、新设备也是日新月异，但从获取数据资料的采集方式来看，无外乎归为宏观全局观测和定点局部观测两大类。宏观全局观测通常采用卫星、航空或航天平台，搭载各类专业传感器采集所需的各种高分辨率数据资料，然后利用各种算法及数据模型反演整个海域甚至全球的海域的环境变化情况。为海洋新能源的勘探、海岸带基础建设以及深海矿藏开采提供准确的数据服务。其优势在于采集数据的范围广、效率高、周期快，但同样它的缺点也是十分明显的，在针对小区块进行精细化数据采集时，这类方法则显得无能为力。而定点局部观测则是恰恰相反，其通过固定的观测站或专业调查船对局部海域进行反复、精细数据采集，虽然获取数据的精度高、针对性强，但是效率低，采集周期长，无法及时更新海洋环境变化状况。特别是在海洋新能源试开采阶段，开采前后需要对周边海域进行环境评估与评价，而调查船在进行区域环境监测时无法兼顾区域范围、采集效率及更新周期等问题。因此，需要一种新的环境监测手段，不但可以取两者之长，而且可以补两者之短。
四、无人机遥感技术在海洋环境监测中的应用前景
在进行海洋环境监测时使用无人机，其优势显著且应用价值较高。无人机遥感技术不但弥补了卫星、航空遥感经常因云层遮挡获取不到影像的缺点，同时解决了传统卫星遥感重访周期过长，应急不及时等问题；而且在拓展了固定观测站、专业调查船监测区域的同时，还有效地解决了工作效率与数据采集周期的瓶颈问题，由此可见，无人机遥感技术将是两类传统海洋环境监测手段的重要补充。无人机遥感技术是两项新兴技术的优势组合，不但拓展了无人机的应用领域，更是为海洋环境监测提供了新的手段。未来的海洋环境监测将彻底告别单一模式的卫星、航空遥感观测或是固定观测站、专业调查船的点、线观测模式，而是与无人机遥感技术相结合真正做到海空一体、全海域、高精度、高实效的综合观测模式。对于远离近岸及岛屿的远海环境监测，则可以采用专业调查船配备无人机，实行单船单机、单船多机甚至是多船多机的工作模式，将传统的测线调查拓展为测面调查，不仅确保了采集数据的高精度要求，同时兼顾了海洋环境监测作业的时效性。因此，在未来的海洋环境监测工作中无人机遥感技术将会作为一支生力军获得更多的关注以及更为重要的应用。
参考文献
[1] 周张琪.浅谈无人机低空遥感技术在国土资源行业中的应用[J].浙江国土资源，2012（06）：47-48.
[2] PetervanBLYENBURGH.UAVs：anOverview.AIR&SPACEEUROPE[J].1999，1（05）：43-47.
[3] Luke Wallace， Arko Lucieer.Christopher Watson Development of a UAV-LIDAR System with Application to Forest Inventory [J].Remote Sensing 2012（04）：1519-1543.
[4] 朱京海，徐光，刘家斌等.无人机遥感系统在环境保护领域中的应用[J].环境保护与循环经济，2011（09）：45-48.
[5] 李紫薇，曹红杰，刘煜彤等.无人机海监测绘遥感系统的应用前景[J].遥感信息，1998（04）：32-33.
[6] 王斌永，舒嵘，贾建军等.无人机载小型多光谱成像仪的设计[J].光学与光电术，2004（02）：18-20.
[7] 大气物理研究所.大气所微型无人机大气环境监测系统飞行探测试验获成功[J].中国西部科技，2008，7（35）：35-36.
[8] 中科院安徽光机所.无人机大气污染成份探测载荷试验成功[J].安徽科技，2009（03）：32.
[9] 刘家斌.我省首次采用无人机遥感系统对辽河治理现状遥感监测[EB/OL].2012（01）.