无人驾驶飞机简称无人机 (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) ， 是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器。无人机与遥感技术的结合, 即无人机遥感, 是利用先进的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, 具有自动化、智能化、专题化快速获取国土、资源、环境等的空间遥感信息, 完成遥感数据处理、建模和应用分析能力的应用技术。传统水文人力查勘行程缓慢, 耗时长, 工作难度大。无人机低空遥感的高机动性、高分辨率等特点, 使其在水文行业中能发挥巨大应用。
一、水位、水深和水量
湖泊、水库是水循环的重要组成部分，其变化能影响区域环境和气候。湖泊、水库的水位、水深和水量的测量在水文动态的研究中有着重要地位。早期对湖泊水位的测量主要来自水位站记录和布设压力式水位计，对水深的测量来自船上的声呐传感器，但是这些调查耗时、劳动密集且成本高昂。后来随着卫星雷达激光测高技术的发展，长时间的水位变化观测成为可能。众多学者使用ICESat、SRTM DEM和ASTER GDEM、Jason-1/2/3、Envisat等卫星数据获得了湖泊水位。然而星载任务有着时间分辨率和空间分辨率的限制。近几年，无人机技术迅速发展，以低成本，低空飞行和高机动的特点弥补了卫星数据的不足，能够快速获取高空间分辨率和高时间分辨率的数据，广泛地用于水文应用。Filippo等人利用轻型无人机搭载雷达、声呐和CLDS测量了开阔水域的水位；Marko等人使用无人机图像和结构自运动（SfM）方法监测了爱沙尼亚沼泽水位的季节性变化；Kai等人基于激光的无人机非接触式浅水深度测量技术测量了一个佛罗里达州布劳沃德县的小型湖泊的水深；Jakub等人利用无人机摄影测量和激光雷达对水库进行三维重建，通过水深分析，计算了不同水位下的水库库容和淹没面积。
二、水质
湖泊、水库能为人们提供饮用水、食物，改善生态环境。当湖泊受到污染，水质变差，会严重损害湖泊的功能。为了湖泊可持续发展，需要定期检查水质。湖泊水质参数包括叶绿素a、透明度、总磷、浊度、颜色、总氮等。湖泊中的营养物质含量过高，浮游植物（如藻类）大量繁殖，会严重影响水质。因此，对湖泊水质有相当多的研究在藻类水华上。传统的湖泊水质测量通过现场离散采样实现，水样数据点不仅不能覆盖整个水域，而且成本高昂。卫星遥感技术出现后，多光谱、多时相、卫星图像与现场测量相结合，广泛应用于湖泊、水库水质监测。藻类水华监测的遥感方法一直集中在卫星（例如MODIS、MERIS、Sentinel-3）和机载成像仪（CASI、AVIRIS、HIS）。然而，现有多光谱卫星影像在空间上不能满足对小型湖泊、水库的水质监测；时间上也不连续且与现场测量不能同步。近几年，无人机技术与多光谱传感器相结合，能够有效地进行水质监测。Su和Chou用逐像素匹配法（MPP）建立无人机携带的RGB与NIR传感器波段或波段比与叶绿素a和总磷间的回归模型，并且完成了台湾金门小水库之一的台浦水库的水质监测；Yoichi等利用无人机近红外数据对Miharu大坝水库的水质状况进行了评价；Van der Merwe and Price用无人机彩色红外反射数据计算蓝色标准化差异植被指数（BNDVI）,有效评估了堪萨斯州中央湖蓝藻密度；Richard利用无人机搭载的光谱辐射计测量了伊利湖和毛米河，所得参数与水中荧光探针测得的水质参数和现场观测结果吻合较好。
三、生态系统
作为湖泊水文学的研究内容之一，湖泊生态是湖泊长期演化过程中各要素相互作用形成的系统，无人机在湖泊生态系统中的应用主要集中在水生植物上。水生植被分为挺水植物（芦苇等）、浮水植物和沉水植物（藻类）。水生植物在水生生态系统发挥着重要作用，是湖泊的初级生产力，能过滤营养物和污染物，改善水质。许多与水生植物相关的研究使用卫星遥感图像作为数据源（Zhao et al., 2016），而空间和光谱分辨率的限制，获取高分辨率图像的高成本和大气条件的负面影响导致生物量检索的准确性降低。近年来微型无人机发展迅速，能获取高空间分辨率图像，被广泛用于水生植被研究。Jing等人利用无人机成像系统所获得的SfM数据来估计湿地水生植物的底栖生物量ABB值；Nicolás等人用无人机数据的运动点云结构对稀疏水生芦苇床高度建模；Flynn等人利用无人机RGB传感器获取的图像监测了绿藻的季节性变化。简单、方便、高效是无人机遥感的优势, 随着科技的发展与进步, 无人机的各项性能指标得到显著提高, 越来越多高性能的无人机进入水文工作中。无人机在水位、水深和水量航拍查勘、应急监测和水质取样、水生生态系统中的应用有力提高了水文野外作业效率和野外环境适应能力, 为水文信息提供更加及时准确的情报, 提高了水文的综合服务能力, 促进了水文现代化、信息化的发展。
作者简介：蒋杰（1996—），男，汉族，籍贯：四川资阳人，学历：在读硕士研究生，研究方向：地图制图学与地理信息工程，单位：成都理工大学。