1无人机遥感的历史和现状
1.1开发流程
1916年9月12日，英国人研制的无线电控制无人机首次试飞，标志着无人机发展的开始。到2016年，无人机的发展已经经历了100年的历史。总的来说，无人机的发展经历了四个阶段[7]: (1)无人机起步阶段(1916-1963):这一阶段，无人机主要作为无人机用于军事领域。(2)初步实用阶段(1964-1990):无人机技术应用于越南战争、海湾战争等。大大降低了战争空军的伤亡率。与此同时，无人机在民用领域的应用也开始了。(3)快速崛起阶段(1991-2009年):这一阶段，无人机越来越多地应用于民用领域的各个行业。例如，2008年，我国将无人机遥感应用于冻雨灾害和汶川地震，为决策部门提供了重要的基础信息。(4)国家应用阶段(2010年至今):目前，无人机的应用已经渗透到人类生活的方方面面，成为推动社会经济发展的重要增长点。2015年，我国用于遥感应用的专业级轻小型无人机超过3000架，预计未来5年设备需求总量将超过3万架。
1.2系统组成
无人机系统主要由地面系统、飞机系统和任务载荷三大系统组成，其中最重要的飞机系统由飞控、导航、电源、数据链和机体子系统组成。(1)飞控系统连接着机身上的大量传感器(包括角速度、姿态、位置、加速度、高度、空速等。)，而且是无人机完成起飞、空中飞行、任务执行、返回、回收等整个飞行过程的核心系统。(2)导航系统向无人机提供参考坐标系的位置、速度和飞行姿态，引导无人机按指定航线飞行。(3)动力系统：不同用途的无人机对动力装置的要求不同，但都希望体积小、重量轻、成本低、运行可靠。(4)数据链传输系统负责无人机的遥控、遥测、跟踪定位和传感器传输。
1.3分类和选择
无人机根据其功能、气动布局、质量和功率可以分为不同的类型。按使用功能可分为军用、民用和消费级无人机。民用无人机多用于科学研究、环境监测、测绘等，消费级无人机多用于个人航拍、游戏等休闲用途。目前市面上的无人机种类繁多。常见的民用无人机按照气动布局和动力可以分为四种：油动固定翼、电动固定翼、油动旋翼(以单旋翼为主)和电动旋翼(以多旋翼为主)(图1)。当然，即使是同类型的无人机，性能参数的差异也会很大，比如飞机类型(固定翼)、旋翼(旋翼)数量、飞行控制系统、载荷体积重量、续航时间、飞行速度、高度、风阻、起降方式等。无人机的选择需要根据具体的应用需求来分析。几种主要民用无人机的优缺点如表1所示。
四种主要民用无人机的优缺点分析
表1四种主要无人机类型的优缺点分析表1四种主要民用无人机类型的优缺点优点缺点油动固定翼燃油固定翼体积大，续航能力强(2小时以上)，抗风能力强(一般6级风)。飞行速度快，适合大面积遥感调查。一般在10 km2以上，安全隐患很大，不适合在人口密集区飞行。起降场地非常空旷，一般需要弹射挂架。即使是跑道电动固定翼，飞行速度也很快，适合中小面积的遥感调查，一般大于1 km2，小于10 km2。与油动固定翼相比，更轻便，体积更小，载荷更小，抗风能力更弱(一般3-5级风)。续航能力弱于油动，一般能飞行0.5-1 h左右，油动旋翼燃油旋翼能定点悬停，适合定点拍摄或录像。垂直起降对起降场地要求低。与电动多旋翼相比，载重大，续航时间长，飞行速度慢。体积大，机械结构复杂，控制维护要求高，安全性不如电动多旋翼和电动旋翼的电动旋翼，可以定点悬停，垂直起降对起降场地要求低。安全性高，便于携带飞行速度慢、载重小、续航能力差的无人机遥感器。一般可以飞行10-30分钟。
为了充分发挥无人机机动灵活的优势，常用的无人机往往都很轻很小，这就决定了无人机搭载的遥感传感器也要求重量轻体积小。最常见的高分相机是普通家用数码相机。比如总重2.5 kg的美国Trimble UX5无人机配备了索尼微单数码相机，总重630 g的瑞士SenseFly eBee无人机配备了佳能卡片机。有几种多光谱相机，如Tetracam 重量减轻的六波段微型MCA(630克)和微型MCA(530克)，FLIR 美国VUE红外热像仪(100克)和RIEGL s无人机激光雷达VUX(4.5 kg)。无人机传感器和无人机共同推动了无人机遥感的发展。
轻小型无人机遥感平台及其研究方法
2.1轻小型无人机遥感的应用优势
近年来，无人机遥感的快速发展使得获取实时高精度的遥感影像数据成为可能。与传统遥感技术和平台相比，轻小型无人机遥感具有以下优势：
(1)高分辨率：无人机从地面以上数米(最高可达厘米级)获取高分辨率地面影像的能力，弥补了卫星不能由于天气原因或图像分辨率低，无法获取图像。
(2)时效性高：无人机可以第一时间获取资源变化的数据，比如可以及时监测森林在遭受风灾雪灾、森林火灾、砍伐等自然和人为干扰后的更新和演替情况。无人机还可以将图像实时传输到地面终端，或者在短时间内完成对整个目标区域的侦查。将图像导入电脑后，用专业处理软件快速处理，几天就能完成整个过程。
(3)云下成像：无人机具有云下低空飞行的能力，弥补了卫星光学遥感和普通航拍经常被云层遮挡而无法获取图像的缺陷。
(4)高机动性：无人机平台体积小，重量轻，机动性好，在运输和仓储方面比有人机遥感平台可以节省不少费用。
这些优势使得无人机逐渐成为卫星遥感、载人遥感和地面遥感的有效补充，并在大地测量、灾害监测、资源调查和监测等领域取得快速发展。基于ISI Web of Science的文献数据库，我们对无人机遥感相关论文进行了统计(图2)。从2000年到2016年11月7日，在所有研究领域发表了416篇论文，其中370篇(90%)是wer
灰色区域代表每年发表的无人机遥感相关文章总数，红色区域代表每年发表的论文，研究领域如下：环境科学、生态学、植物科学、生物多样性保护、动物学、林学。
2.2轻小型无人机监控的主要工作流程
基于轻小型无人机的监测工作主要由前期准备、数据采集和后期数据处理分析三部分组成。在前期准备阶段，主要包括申请飞行空域，根据天气预报或实际天气情况确定飞行条件，根据地形、障碍物选择起降场地，根据监视区域、重叠、分辨率等要求设置飞行航线。在数据采集阶段，进行飞行，实时监测与飞行安全密切相关的参数。后期的数据处理和分析包括图像拼接、几何校正、信息提取和分析等。具体内容要看无人机携带遥感设备的要求。
3无人机遥感在生态学中的发展现状
在生态学和保护生物学领域，无人机遥感相关的研究工作刚刚起步。从2001年到2016年10月，在生态学、生物多样性保护、环境科学和林业领域发表了95篇相关SCI论文，其中70篇(74%)是在2013年之后发表的。Koh Wich和Koh Wich对低成本无人机技术在生物多样性保护中的应用进行了总结和展望，指出无人机生态的黎明。本文的第一作者，许连平博士，给了一个TED演讲文章一架无人机守恒定律的观点2013年(3358 www.ted.com/talks/lian _ pin _ KOH _ a _ drone _ s _ eye _ view _ of _ conservation)进一步让无人机生态学的概念在生态学家、保护生物学家和公众中流行起来。到2016年10月，这个文章在TED网站上已经被观看了超过58万次。Anderson和Gaston在美国生态学会期刊《Frontiers in Ecology and the Environment》中更详细地介绍了轻小型无人机在生态学中的应用前景，并预言无人机遥感将带来空间生态学的革命。随后，Whitehead、Hugenholtz和Whitehead系统总结了小型无人机在环境相关领域的研究进展和面临的挑战。Panque-G lvez等人深入介绍了无人机技术在森林管理中的应用。一些基于轻小型无人机的研究工作陆续开展，涉及森林冠层监测、动物行为和数量调查、栖息地监测、野生动物保护、自然保护区管理等。
3.1工厂监控
传统的基于地面的植物组成和结构调查由于数据精度差、人工成本高和覆盖范围小的限制，难以应用于大面积的采样。无人机遥感可以部分弥补这些局限性。目前应在植物资源调查、物候监测、病虫害监测等方面进行尝试。我们选取了植被垂直结构调查和物候监测两个案例进行说明。
(1)植被垂直结构调查：植被垂直结构对森林的生物量分配、碳储量和生产力有非常重要的影响。同时，复杂的冠层结构所形成的垂直层化和生态位分化为各类生物提供了重要的生境条件和食物资源，并对许多动植物群落的多度和分布格局产生了重大影响。然而，我们对森林冠层的认识大多局限于定性分析，而很少进行定量分析。其中一个主要原因是缺乏有效的方法来收集和分析数据。轻型无人机的发展使得更有效地测量植被的垂直结构成为可能。以我们近期在广东鼎湖山20 hm2(400 m 500 m)常绿阔叶林地块的无人机调查为例(图3)，2014年，我们使用一架工业级四旋翼无人机(型号：MD4-1000)采集该地块采集的高分辨率(~5 cm)无人机遥感影像，结合地面调查获得的地块高程数据，然后结合地面调查获得的植物多样性数据、地形数据和土壤数据，我们计算出
(2)植物物候监测：植物物候是环境条件季节和等级变化最直观、最敏感的综合指标，是地球和大气科学应用中研究植物生命周期及其与气候关系的重要参数。植物物候研究对深入研究全球变化及其与陆地生态系统的关系具有重要意义。传统的植物物候数据采集是通过人工定点目测。这种方法覆盖面小，时间序列短，难以进行大尺度的物候时空分析。近年来，随着遥感技术的发展，基于卫星遥感数据的大面积植物监测得到了广泛应用。然而，基于卫星遥感的植物物候研究仍面临着数据分辨率低、噪声干扰因素多、物候识别方法普适性不高、物候研究成果验证不足等问题。基于轻小型无人机的植物物候监测可以极大地解决地面监测和卫星遥感监测中的困难，但这方面的报道很少。Dandois和Ellis报道，他们在美国马里兰州一个50米50米的地块上监测了2010年10月至2012年6月的植物物候，通过计算RGB(红、绿、蓝)三个颜色通道的变化来检测植物物候的变化。Berra等人[30]用固定翼无人机对英国一片针阔叶混交林的植物物候进行了近4个月的详细监测。基于RGB3的3个颜色通道信息，计算出单株个体等级的绿色色度指数。结果表明，这些个体的展叶时间差异很大(最大差异为18天)。
此外，以轻小型无人机为研究平台，井上等人用小型无人机对日本东部落叶阔叶林中的倒树进行了详细调查。与地面调查相比，无人机调查准确记录了80%-90%的DBH大于30厘米的倒下树木。Getzin等人使用无人机(UAV)定位了德国10个温带森林地块的林隙，绘制了它们的形状并计算了它们的面积。Messinger等人收集了亚马逊地区516 hm2以内低地森林的无人机影像，对该地区的地上生物量进行了快速准确的估算。
3.2动物监测
近年来，轻小型无人机对动物活动的监测也引起了动物生态学家的关注。Chabot、Bird和Christie详细介绍了这一研究领域。让让我们以哺乳动物和鸟类为例做一个简单的总结。
(1)哺乳动物：目前无人机对哺乳动物的调查主要集中在较大的动物上。例如，维穆伦等人在非洲西部用无人机调查了非洲象(Loxodonta africana)的种群，在4个样带中共发现了34头大象(图4)。以色列使用无人驾驶飞行器(UAV)安装热红外摄像机来监视Capreolus capreolus的活动。Watts等人使用无人机图像来估计美洲短吻鳄(Alligator mississippiensis)的数量。Christiansen等人在澳大利亚使用无人机图像测量了200头座头鲸(Megaptera novaeangliae)在繁殖过程中的大小变化。Michez等人利用无人机监测数据调查了野猪(Sus scrofa)活动对作物生长的影响。
(2)鸟类：相对于一些较大型哺乳动物的研究工作，利用无人机监测鸟类活动才刚刚起步。Weissensteiner等人使用无人机评估鸟类的繁殖行为，与传统的调查方法相比，发现使用无人机进行调查可以节省传统方法所需的近85%的时间消耗。Hodgson等人以两个热带岛屿和一个北极岛屿为例，展示了无人机在调查鸟类种群数量和行为方面的优势(图4)。Rodrguez等人通过结合一种小型鸟类的飞行数据记录器和无人机监测到的栖息地数据，分析了鸟类物种的分布。刘等人利用无人机对濒危鸟类小冠鹤进行了调查。
3.3新出版物和信息平台的出现
(1)相关期刊：
与科学家关注无人机在生态和环境相关领域，很多遥感领域的期刊都组织了专刊展示无人机的应用前景。例如，特刊无人机遥感在植被和农作物中的应用由《Remote Sensing》杂志组织2015年收录论文13篇(《Remote Sensing》，第7卷第4期)；特刊无人机在环境监测中的应用2016年由《Sensors》杂志整理包括31篇研究论文(《Sensors》，第16卷，第5期)。2013年创刊的开源杂志《Journal of Unmanned Vehicle Systems》(http://www . nrcresearchpress . com/journal/juvs)已经成为该领域发展的重要标志。自2013年秋季发表第一篇文章以来，截至2016年11月初，共发表了12期，发表了60篇与无人机相关的文章。研究内容从无人机的名词用法、无人机控制的技术规范到无人机在商业、医疗、石油化工、资源管理、物种保护等领域的应用，其中近50%(29篇)与生态环境科学直接相关。
(2)相关会议和网站：
近两年陆续举办了一些无人机技术及应用相关的研讨会，对该领域的发展起到了非常积极的作用。例如，美国摄影测量与遥感学会在2014年10月举办的第一届无人机研讨会吸引了530多人参加，随后在2015年和2016年举办了第二届和第三届无人机研讨会。并获得了研究者、企业家等的大量关注。(https://uasreno.org)。在环境研究领域，2016年2月和6月分别在澳大利亚和英国举行了为期两天的会议，展示和讨论无人机在环境领域的应用前景，与会者分别超过100人。
此外，由Lian-Pin Koh和Serge Wich发起的网络平台conservationdrones.org包括许多与生物多样性保护相关的研究案例(https://conservationrones . org/)，以及一些与无人机生态学相关的研究论文。生态学家乐儿埃利斯团队建立的平台Ecosynth(http://ecosynth.org/)提供了一些无人机图像的开源软件和方法，也可以作为相关研究人员的有效工具。
4中国生态无人机遥感发展现状
在国内，无人机遥感也开始受到重视。例如，臧克研究了无人机遥感在汶川地震中的应用，利用处理后的图像对灾情进行调查、分析和评估，对灾后的应急救援起到了很大的指导作用。在生态学、林学和保护生物学领域，李、和利用小型无人机对黑龙江伊春的针叶林资源进行了调查。李等人利用小型无人机对南京某林场感染松材线虫的枯木空间分布进行了调查。冯佳丽等利用小型无人机对红树林资源进行调查，提取高精度的空间分布信息。张等结合中国森林生物多样性监测网()鼎湖山样地的地面调查数据和小型无人机，分析了无人机获取的森林冠层结构参数对地面植物多样性的影响(图3)。在动物监测方面，Avaghoa等人利用小型多旋翼无人机对高山秃鹫(Gyps himalayensis)的繁殖生态进行了研究，拍摄了其巢、亲鸟、幼鸟及其生长发育过程。最近2016我们和藏羚羊中央电视台、西北濒危动物研究所等单位组织的科考，科研人员利用固定翼无人机对藏羚羊迁徙过程进行了监测，获得了迁徙种群的密度、数量、年龄结构等数据(图5)。在这种情况下，共飞行了14架次，每次飞行覆盖约3平方公里，获得了覆盖范围超过40公里的高清正射影像2、，分辨率为5厘米。
虽然无人机技术已经逐渐被我国科学家所认可，但其相关应用仍处于初级阶段，尚未形成规模。2014年11月18日，在国家遥感中心和中国科学院地理科学与资源研究所的共同努力下，国家遥感中心美国轻小型无人机遥感应用专家工作组成立。工作组将致力于加强载荷传感器研发、推动行业准入制度建立、完善安全规范制定、推动轻小型无人机遥感系统综合验证领域建设，为无人机生态等相关领域的有序发展发挥重要作用。根据2016年公布的《轻小型无人机遥感发展报告》上的数据，2015年，我国遥感应用的专业级轻小型无人机超过3000架，预计未来五年的设备需求总量将超过30000架[7]。如何有效利用这些无人机研究平台，真正为生态研究和生物多样性保护服务，需要我们进一步思考和探索。
5存在的问题和展望
5.1无人机数据的获取和处理仍然对大多数生态学家构成技术挑战。
虽然无人机遥感已受到生态学家的重视，但无人机的作业技术、数据采集和处理对以野外调查和控制实验为主要研究手段的传统生态学家提出了诸多技术挑战。目前无人机在生态学中的很多应用都是基于拍摄的照片，用肉眼识别图像中的动物或植物，这一方面极大地影响了我们的工作效率，另一方面也制约了我们在无人机图像中挖掘其他更丰富的数据(如栖息地结构、树种组成、光谱信息等。).为了解决这些障碍，生态学家一直试图提供简单的开源无人机图像分析软件或方法(例如，通过网络平台提供更详细的案例(如ConservationDrone.org))。基于实际研究案例的无人机技术培训将是无人机在生态领域普及的重要手段。此外，生态学家也在与无人机遥感专家合作，在高分辨率的无人机大数据中挖掘大量信息，比如植物冠层的自动识别和勾勒、植被参数的自动反演、动物个体的自动识别、计数甚至体型测量等。
5.2无人机在生态学方面的应用领域有待进一步拓展。
如上所述，无人机遥感已应用于动植物监测、生物多样性保护等方面，然而，大部分研究仍集中在使用搭载RGB普通数码相机的无人机作为监测平台。激光雷达、多光谱和超光谱遥感技术、红外热像仪等应用案例。在无人机生态学中还很少见。主要原因是这些先进的遥感设备价格昂贵，操作和数据处理的专业能力要求高。此外，由于无人机载荷的限制，这些遥感设备的传统模型很难在无人机监控中得到广泛应用。适用于无人机平台的轻型遥感设备是近几年才商业化的。
同时，我们也缺乏与无人机数据相匹配的高精度地面调查数据，包括详细的物种分布数据、地形、土壤等信息。这些都限制了无人机技术在森林生态研究中的应用，尤其是在生物多样性高、冠层结构复杂、环境条件变化大的亚热带和热带林区。以美国史密森学会热带森林研究中心(http://www.forestgeo.si.edu/)和中国森林生物多样性监测网(http://www.cfbiodiv.org/)为代表的大尺度森林动态监测样地网络，是无人机生态学研究的理想平台。这些样地的面积大多在20 hm2以上，对样地内DBH 1 cm的木本植物全部进行定位和列表，并对其DBH和生长状态进行测量和记录。同时，关于地形、海拔、土壤等非常详细的信息。也进行了调查[52]。这些详细的地面数据和无人机调查数据的结合将进一步加深我们对生物多样性维持机制的理解。
此外，无人机在长期生态学研究中的例子尚未见报道，主要是因为无人机生态学的发展只有几年的历史。无人机监测的高度时效性和灵活性，使得监测各种生态系统的动态变化(包括植物物候变化、物种组成变化、自然和人为干扰等)成为可能。)很久了。随着无人机监测数据在时间和空间尺度上的积累，这些数据将为我们回答生态学中的一些重要科学问题提供重要支持。
5.3无人机控制行业管理规范和技术标准不完善。
由于无人机研发、生产和使用的准入门槛相对较低，无人机行业缺乏有效的管理规范和技术标准，无人机满天飞。这种乱象也影响了无人机遥感领域的有序发展。目前美国、欧洲等。已经开始制定民用无人机的相关标准，但尚未形成完整的标准体系。2016年6月21日，美国联邦航空局发布了首个专门针对小型无人机的管理规则Part 107(https://www.faa.gov/uas/)。该规则对无人机操作人员、飞行时间、飞行区域、飞行高度等给出了详细要求。这是无人机产业有序发展的重要一步。我国对轻小型无人机遥感的法规较少，需要尽快制定相关管理规定，建立完善的无人机监管措施。
综上所述，无人机遥感以其不可替代的应用优势，为生态学、保护生物学等相关学科的发展注入了新的活力。它的应用潜力巨大，前景十分广阔，对于传统野外调查工作量巨大、工作艰辛的生态学家来说，充满了诱惑和吸引力。正如安德森和加斯顿在他们的文章中所说，轻小型无人机遥感将使空间生态学的研究发生革命性的变化，成为生态学家的重要研究工具。生态学在无人机遥感中的应用还存在一些限制，如技术门槛高、法律法规不完善等，但这只是时间问题，在可预见的将来会被克服。
审计唐子红
