無人機(jī)在圍填海動(dòng)態(tài)監(jiān)測中應(yīng)用探討

周慶偉，汪小勇，孟潔，張松，白楊

(國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

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無人機(jī)在圍填海動(dòng)態(tài)監(jiān)測中應(yīng)用探討

周慶偉，汪小勇，孟潔，張松，白楊

(國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

開展圍填海工程的海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測是海洋管理部門加強(qiáng)監(jiān)管、規(guī)范項(xiàng)目用海和施工、保護(hù)海洋資源環(huán)境的有效手段。圍填海項(xiàng)目動(dòng)態(tài)監(jiān)測現(xiàn)場勘測耗費(fèi)大量的人力物力，而且時(shí)效性差，而無人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、易操作、使用成本低、風(fēng)險(xiǎn)小、響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)、平臺(tái)自主性強(qiáng)、可獲得高分辨率數(shù)據(jù)等優(yōu)勢。文章對(duì)無人機(jī)在圍填海動(dòng)態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用進(jìn)行了探討和展望。

無人機(jī)；圍填海；動(dòng)態(tài)監(jiān)測；應(yīng)用

1 引言

我國海岸線總長度約3.2萬km，其中大陸海岸線北起中國同朝鮮之間的鴨綠江口，南至中國同越南之間的北侖河口，全長為1.8萬km；島嶼海岸線1.4萬km。我國沿海11個(gè)省、市、自治區(qū)具有臨海的位置優(yōu)勢，對(duì)外經(jīng)濟(jì)聯(lián)系方便，海運(yùn)陸運(yùn)便利，是經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，其國內(nèi)生產(chǎn)總值一直占全國的60%以上，同時(shí)承載著全國40%以上的人口，但是陸域土地面積僅為14%。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人口的快速增長，人地矛盾越來越突出，土地資源的不足長期制約了沿海地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展步伐。自21世紀(jì)以來，沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，工業(yè)化、城市化和人口集聚進(jìn)一步加快，從而加大了對(duì)土地資源的需求。沿海各地紛紛將發(fā)展目光轉(zhuǎn)向“藍(lán)色國土”——海洋，圍填海成為解決用地需求、發(fā)展經(jīng)濟(jì)和拓展生活空間的重要形式之一。

多年來，國家海洋局制定和實(shí)施了一系列圍填海管理政策和法規(guī)。國家海洋局2002年頒布實(shí)施了《中華人民共和國海域使用管理法》，2007年印發(fā)《填海項(xiàng)目竣工海域使用驗(yàn)收管理辦法》，并聯(lián)合國家發(fā)展和改革委員會(huì)于2011年頒布實(shí)施了《圍填海計(jì)劃管理辦法》，根據(jù)這3個(gè)規(guī)定圍填海項(xiàng)目需進(jìn)行全過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

2 圍填海工程海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測

“海域使用”指持續(xù)使用特定海域3個(gè)月以上的排他性用?；顒?dòng)?！逗Ｓ蚴褂梅诸悺分兄赋觯骸疤詈Ｔ斓亍敝钢虈詈Ｓ蛱畛赏恋兀⑿纬捎行О毒€的用海方式；“圍?！敝竿ㄟ^筑堤或其他手段，以全部或部分閉合形式圍割海域進(jìn)行海洋開發(fā)活動(dòng)的用海方式[1]。圍填海包括填海和圍海兩種方式，填海包括直接填充和先進(jìn)性圍割再填充兩種方式；圍海包含沿海岸進(jìn)行圍割海域的用海方式和全部在海中進(jìn)行筑堤圍割的用海方式[2]。圍填?？啥x為：通過人工修筑堤壩、填埋土石方等工程措施，將天然海域空間改變成陸地，以拓展社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間的人類活動(dòng)，它是當(dāng)前我國海岸開發(fā)利用的主要形式。

圍填海工程的海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測是海洋管理部門加強(qiáng)監(jiān)管、規(guī)范項(xiàng)目用海和施工、保護(hù)海洋資源環(huán)境的有效手段[3]?！短詈ｍ?xiàng)目竣工海域使用驗(yàn)收管理辦法》(國海發(fā)〔2007〕16號(hào))要求填海項(xiàng)目在竣工驗(yàn)收時(shí)需要提交施工過程中海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測報(bào)告。但是目前國內(nèi)關(guān)于圍填海工程的監(jiān)測和驗(yàn)收等內(nèi)容沒有形成正式的技術(shù)規(guī)范或規(guī)程，只有在國家海洋局東海分局于2010年編制的《填海項(xiàng)目海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)程——試用稿》中規(guī)定了填海項(xiàng)目實(shí)施工期內(nèi)海洋水文動(dòng)力、水深地形、海洋環(huán)境以及海域使用等動(dòng)態(tài)監(jiān)測的基本內(nèi)容和基本方法，其中對(duì)于岸線變化和地形的監(jiān)測內(nèi)容、范圍、技術(shù)要求、比例尺和監(jiān)測周期都有了明確的規(guī)定。在該規(guī)程中的岸線變化和地形監(jiān)測的方法和依據(jù)主要參照《海籍調(diào)查規(guī)范》和《海洋工程地形測量規(guī)范》，測量方法基本使用GPS、DGPS、全站儀等傳統(tǒng)測量設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場人工勘測。除人工勘測外目前監(jiān)測手段還有無人機(jī)監(jiān)測、衛(wèi)星遙感監(jiān)測等手段。

人工勘測的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在：應(yīng)對(duì)從幾平方千米到幾十平方千米甚至是上百平方千米的大范圍監(jiān)測時(shí)，現(xiàn)場勘測需要耗費(fèi)大量的人力物力；且監(jiān)測區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)場施工車輛、設(shè)備眾多，現(xiàn)場勘測困難很多測量點(diǎn)無法到達(dá)。上述兩點(diǎn)原因造成勘測周期較長、時(shí)效性差，人工勘測往往需要幾周甚至更長的時(shí)間，所出具的成果報(bào)告也會(huì)有一定的延遲。衛(wèi)星遙感影像檢測與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)手段，可以快速、有效地對(duì)海岸帶及其海域空間變化，進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，具有宏觀、快速、直觀等特點(diǎn)[2]，但是高分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)難以獲取，低分辨率的遙感數(shù)據(jù)又無法滿足圍填海監(jiān)測的要求。

3 無人機(jī)系統(tǒng)

無人飛行載具(unmanned aerial vehicle，UAV)或稱無人飛機(jī)系統(tǒng)(unmanned aircraft system，UAS)俗稱無人飛機(jī)、無人機(jī)，廣義上為不需要駕駛員登機(jī)駕駛的、通過無線遙控或規(guī)劃航線飛行的各式飛行器。

3.1 無人機(jī)的組成和分類

無人機(jī)系統(tǒng)主要包括飛機(jī)機(jī)體、飛控系統(tǒng)、載荷系統(tǒng)(武器、偵查設(shè)備等)、發(fā)射回收系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)等部分[4]。無人機(jī)種類多種多樣，按用途可分為軍用和民用；按控制系統(tǒng)可分為自航和遙控?zé)o人機(jī)；按續(xù)航能力和航程的長短可分為長航時(shí)、中程、短程和近程無人機(jī)；按機(jī)體所產(chǎn)生的升力方式又可分為旋翼無人機(jī)、固定翼無人機(jī)、傘翼無人機(jī)和無人飛艇等。

不同形式的無人機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)：① 旋翼無人機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是可垂直起降，能以較慢的速度飛行，甚至能夠在空中懸停、倒飛、側(cè)飛；缺點(diǎn)是續(xù)航時(shí)間較短，機(jī)身振動(dòng)較大，抗風(fēng)能力一般。② 固定翼無人機(jī)，具有飛行速度快、飛行穩(wěn)定、抗風(fēng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是不適于低速飛行，而且起降需要無遮擋的較大空間。③ 無人飛艇耗能少，續(xù)航時(shí)間一般很長，需要很小的動(dòng)力輸出就可以在空中懸停和飛行；缺點(diǎn)是體積大，抗風(fēng)能力較差，而且由于自身慣性大，受控后的反應(yīng)時(shí)間較長[5]。④ 傘翼無人機(jī)續(xù)航時(shí)間長，巡航速度較低；缺點(diǎn)是體積大，抗風(fēng)能力較差，需要合適的跑道進(jìn)行起飛和回收。

3.2 無人機(jī)的優(yōu)勢

無人機(jī)除軍事用途外，民用方面已在多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如警務(wù)應(yīng)用、新聞媒體、搶險(xiǎn)救災(zāi)、航空攝影、農(nóng)林監(jiān)測、氣象監(jiān)測、地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境評(píng)估、管線巡檢、海洋測繪、海洋調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘探、土地資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測、數(shù)字化城市建設(shè)等[5-7]。無人機(jī)主要具有以下優(yōu)勢。

(1)結(jié)構(gòu)簡單，易操作。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其結(jié)構(gòu)會(huì)越來越簡單，操作也越來越智能化和自動(dòng)化；操作人員只需短期培訓(xùn)就可進(jìn)行作業(yè)。

(2)使用成本低，效費(fèi)比好，勘測人員風(fēng)險(xiǎn)小。無人機(jī)體形小，耗費(fèi)低，具有可更換的配件，一次投入可重復(fù)使用；系統(tǒng)的保養(yǎng)和維修簡便，不用租賃起飛和停放場地；無人機(jī)可以飛行到危險(xiǎn)地域或人員難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行勘測活動(dòng)。

(3)適應(yīng)性強(qiáng)，響應(yīng)快，工作效率高。與衛(wèi)星遙感和載人機(jī)航空遙感相比，其起降受場地限制較小，在廣場、屋頂、公路或其他較開闊的場地均可起降；對(duì)氣候條件要求較低，對(duì)地形適應(yīng)性強(qiáng)，能對(duì)人工探測無法達(dá)到的地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測；攜帶、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)場容易，可快速到達(dá)工作區(qū)域；飛行高度可覆蓋50～4 000 m，對(duì)測區(qū)進(jìn)行大范圍監(jiān)測業(yè)務(wù)，也可實(shí)現(xiàn)低空間較小范圍精確監(jiān)測[8-9]。

(4)平臺(tái)自主性強(qiáng)，可獲得高分辨率數(shù)據(jù)。機(jī)載數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)可搭載不同的傳感器，如果搭載高精度數(shù)碼成像設(shè)備可使獲取的圖像空間分辨率達(dá)到分米級(jí)甚至是厘米級(jí)[7]，具有高清晰、大比例尺、小面積、高現(xiàn)勢性等優(yōu)點(diǎn)。

4 無人機(jī)在圍填海動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

圍填海動(dòng)態(tài)監(jiān)測工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，并存在很多安全隱患，而且對(duì)監(jiān)測的結(jié)果要求具有一定的時(shí)效性，無人機(jī)在圍填海動(dòng)態(tài)監(jiān)測具有較多優(yōu)勢，同時(shí)結(jié)合GPS、GIS和衛(wèi)星遙感等技術(shù)能夠更加準(zhǔn)確地進(jìn)行圍填海動(dòng)態(tài)監(jiān)測，從而加強(qiáng)海域使用監(jiān)督管理工作。在使用無人機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測時(shí)需要根據(jù)區(qū)域面積、地理環(huán)境等情況選擇合適的無人機(jī)進(jìn)行航測。根據(jù)不同形式無人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，建議選擇固定翼無人機(jī)進(jìn)行圍填海動(dòng)態(tài)監(jiān)測，航測的作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 航測的作業(yè)流程

5 探討

圍填海動(dòng)態(tài)監(jiān)測過程中人工現(xiàn)場勘測工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，出具的成果時(shí)效性差，很難達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測的目的。而無人機(jī)具備結(jié)構(gòu)簡單、易操作、使用成本低、勘測人員風(fēng)險(xiǎn)小、響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)、平臺(tái)自主性強(qiáng)、可獲得高分辨率數(shù)據(jù)等能力，尤其是在大范圍的圍填海工程中可以節(jié)省大量的人力物力，短時(shí)間內(nèi)提供準(zhǔn)確、高精度的地理信息數(shù)據(jù)等成果，在圍填海動(dòng)態(tài)監(jiān)測方面具有巨大的應(yīng)用前景。當(dāng)然，無人機(jī)也有其不足的一面，如起飛和降落需要一定的場地；對(duì)氣候條件要求較高；無人機(jī)勘測前要進(jìn)行相應(yīng)的申請(qǐng)、備案；存在一定的丟失風(fēng)險(xiǎn)，這需要隨著科技的進(jìn)步以及政策方面的支持逐步完善動(dòng)態(tài)監(jiān)測方法，以便更加合理、有序、有效地進(jìn)行海域開發(fā)利用的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

[1] 國家海洋局.HY/T 123-2009海域使用分類[S].2009.

[2] 吳正鵬,奚歌,王健潔,等.藎于多源遙感影像的圍填海監(jiān)測:以天津南港工業(yè)區(qū)為例[J].城市勘測,2012(6):77-80.

[3] 鮑旭平,張釗,呂寶強(qiáng),等.淺談圍填海工程海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測方案設(shè)計(jì):以溫州市甌飛淤漲型高涂圍墾養(yǎng)殖用海規(guī)劃為例[J].海洋開發(fā)與管理,2014，31(3):65-68.

[4] 王利民,劉佳,楊玲波,等.基于無人機(jī)影像的農(nóng)情遙感監(jiān)測應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013(18):136-145.

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[6] 雷添杰,宮阿都,李長春,等.無人機(jī)遙感系統(tǒng)在低溫雨雪冰凍災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(4):2417-2419,2423.

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[8] 田凱.無人機(jī)在水文監(jiān)測中的應(yīng)用前景[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2013(17):221-222.

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