無人機(jī)遙感海洋監(jiān)測應(yīng)用探究

單劍

青島地質(zhì)工程勘察院，中國·山東 青島 266000

無人機(jī)；遙感；海洋監(jiān)測

1 引言

無人機(jī)遙感系統(tǒng)在新時期運(yùn)用范圍的擴(kuò)大與無人機(jī)的優(yōu)勢不無關(guān)系，無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)的時候由于靈活快速且成本費(fèi)用低，節(jié)省大量費(fèi)用。同時還由于可以與多種載荷更換、協(xié)同搭配等，在各個領(lǐng)域運(yùn)用十分靈活方便；再加上遙感數(shù)據(jù)時間分辨率與空間的分辨率極高，在海洋遙測中具有很高的運(yùn)用價值。筆者從無人機(jī)遙感系統(tǒng)在海洋災(zāi)害監(jiān)測和海洋繪測等各個方面的運(yùn)用價值進(jìn)探析了其在未來領(lǐng)域中的發(fā)展與運(yùn)用。

2 關(guān)于無人機(jī)遙感系統(tǒng)的運(yùn)用

無人機(jī)是一種可控制、有動力、攜帶方便的飛行器，可以執(zhí)行多種任務(wù)且能夠重復(fù)使用，屬于無人駕駛航空飛行器。無人機(jī)系統(tǒng)是飛行器和任務(wù)荷載、控制站等多個部分構(gòu)成的系統(tǒng)，無人機(jī)是搭載載荷與執(zhí)行任務(wù)的重要平臺，可以按照結(jié)構(gòu)和形態(tài)劃分為固定翼無人機(jī)與旋翼無人機(jī)；又可以根據(jù)性能、執(zhí)行任務(wù)的范圍進(jìn)行劃分為超近程無人機(jī)、進(jìn)程無人機(jī)等。無人機(jī)可以按照不同的任務(wù)需求搭載不同的荷載，如光攝像機(jī)、SAR 等遙感測設(shè)備等。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)無人機(jī)與地面控制站通信連接的重要關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將任務(wù)荷載信息回傳給地面之后，將無人機(jī)下行遙測信息發(fā)送到地面，將上行的遙控信息發(fā)送飛機(jī)與任務(wù)荷載上完成信息數(shù)據(jù)的傳輸與監(jiān)測?？刂普臼菬o人機(jī)系統(tǒng)的核心，具備軟件、硬件等設(shè)備，這些設(shè)備配合無人機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)和規(guī)劃控制無人機(jī)起降等，在無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的過程中，實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)發(fā)出各種指令，以此完成任務(wù)做好相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲。

把無人機(jī)運(yùn)用在海洋監(jiān)測領(lǐng)域具備多種的優(yōu)勢。首先，傳統(tǒng)的海面監(jiān)測，如船載設(shè)備調(diào)查、海面浮標(biāo)，操作比較冗雜，無人機(jī)系統(tǒng)機(jī)動靈活且速度反應(yīng)很快。其次，無人機(jī)覆蓋面積更廣，把傳統(tǒng)的定點(diǎn)監(jiān)測方式概念改變?yōu)槊鏍畋O(jiān)測，這樣的方式更有利于獲取綜合、全面的信息。和遙感信息相比較，無人機(jī)的時間分辨率更好，重訪時間靈活，在環(huán)境條件允許的情況下就能夠完成任務(wù)，空間分辨率也更高。無人機(jī)平臺的高度比衛(wèi)星高度低，飛行速度也相對慢，所以分辨率一般在分米和厘米，由于消費(fèi)成本低和造價低廉，其能夠重復(fù)使用。與有人機(jī)相比較無人機(jī)安排時間短且可以快速執(zhí)行任務(wù)。

3 無人機(jī)在海洋監(jiān)測方面的運(yùn)用

3.1 海洋災(zāi)害監(jiān)測

隨著自然災(zāi)害的頻發(fā)，滸苔與赤潮、海冰等海洋自然災(zāi)害出現(xiàn)給人們的生活帶來極大的困擾，不僅僅影響沿海地區(qū)生產(chǎn)和生活，還造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。但是，對海洋自然災(zāi)害的防御方面由于缺乏全面與及時的信息掌握，造成了預(yù)報(bào)不及時和檢測不準(zhǔn)確等情況。利用無人機(jī)搭載遙感傳感器社區(qū)災(zāi)害區(qū)域影響和搭載攝像設(shè)備拍攝現(xiàn)場的實(shí)時視頻來獲取災(zāi)情信息，比常規(guī)的檢測手段等更加快速和全面且客觀。在海洋災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)運(yùn)用無人機(jī)系統(tǒng)，可以將災(zāi)害控制在一定的范圍內(nèi)，達(dá)到事前預(yù)防和事中監(jiān)控與售后評估的系統(tǒng)完整的監(jiān)測效果。在災(zāi)害發(fā)生之前利用無人機(jī)系統(tǒng)比在災(zāi)害發(fā)生的時候?qū)Ｓ虻谋O(jiān)測更強(qiáng)，預(yù)測災(zāi)害的走向和可能發(fā)生災(zāi)害的區(qū)域進(jìn)行預(yù)警；在無人機(jī)長時間的觀測之后，可以掌握災(zāi)害發(fā)生的規(guī)律，為后期的預(yù)測找出相應(yīng)的規(guī)律，采取合理的應(yīng)對措施。當(dāng)海洋災(zāi)害發(fā)生之后，無人機(jī)可以快速調(diào)查災(zāi)害發(fā)生的范圍與程度，制定出合理的災(zāi)害消防方案。另一方面，也可以利用遙感數(shù)據(jù)布置在應(yīng)對災(zāi)害的方案指揮搶救任務(wù)。在海洋災(zāi)害發(fā)生之后，合理運(yùn)用GIS 技術(shù)與無人機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，獲取受災(zāi)海域遙感數(shù)據(jù)信息提取受災(zāi)范圍和受災(zāi)等級等信息，知道災(zāi)后救援與后期防范工作。

3.2 海底地形圖繪測

在海洋中，人力的活動范圍有限，如港口和河流入?？诘鹊?，由于人口集中與人為因素的影響導(dǎo)致其地勢變化也極快。在新形勢下，人們大量的生產(chǎn)活動都與海洋息息相關(guān)，因此，大量填海造陸與養(yǎng)殖區(qū)域的開發(fā)等導(dǎo)致海岸線變更，而海域的繪測對指導(dǎo)人們開發(fā)海洋和利用海洋資源有很大的作用。利用無人機(jī)繪測海洋地圖，比傳統(tǒng)的繪測方法速度更快，還能夠深入到海水區(qū)域內(nèi)。由于獲取的遙感數(shù)據(jù)信息具備更高的空間分辨率，可以完成大比例的制圖。從無人機(jī)遙感影像中提取海岸與入海口等地的輪廓線位置變化，結(jié)合GIS 等技術(shù)分析、預(yù)測變化的趨勢。在填海造陸中適合利用無人機(jī)搭載LiDar 實(shí)時監(jiān)測填海造陸區(qū)域內(nèi)指導(dǎo)工程的施行，利用SAR 與高光譜遙感數(shù)據(jù)探測出淺海區(qū)域海底地形而繪制出海底地形圖。利用LIDar 數(shù)據(jù)建立起海岸線DEM，有利于為海潮、臺風(fēng)等的預(yù)警提供詳細(xì)的參考意見。在海島礁測繪中，可以利用無人機(jī)搭載LiDar 等多個設(shè)備，獲取數(shù)據(jù)，提取海島礁的輪廓線與DEM 等信息，建立起相關(guān)的數(shù)據(jù)模型，開闊海洋資源，造福人類。

3.3 海洋參數(shù)測量

近幾年，全球氣候變化多端，海洋氣候在全球變化中屬于關(guān)鍵的部分，海表溫度、鹽度、濕度等環(huán)境參數(shù)的變化是全球氣候變化研究中需要輸入的重要參數(shù)。遙感技術(shù)可以擴(kuò)大監(jiān)測范圍，屬于監(jiān)測海洋環(huán)境參數(shù)的有效手段與重要技術(shù)，無人機(jī)系統(tǒng)可以長時間檢測海洋參數(shù)，從而為氣候的變化與水循環(huán)等提供重要的參數(shù)作為依據(jù)。無人機(jī)可以監(jiān)測局部重點(diǎn)海域的參數(shù)，這項(xiàng)技術(shù)補(bǔ)充了衛(wèi)星監(jiān)測中大范圍監(jiān)測而難以滿足重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域的缺陷。運(yùn)用無人機(jī)檢測，為海洋氣候的異常變化和海洋生物環(huán)境、入海口海水鹽度變化等提供重要的數(shù)據(jù)參數(shù)值作為參考率依據(jù)；還具有監(jiān)測海上油氣平臺和浮標(biāo)、人工建筑等的研究提供數(shù)據(jù)作為支持。無人機(jī)配備微波輻射計(jì)和熱紅外探測儀等傳感器探測海洋數(shù)據(jù)，得到遙感數(shù)據(jù)之后利用海洋參數(shù)的定量遙感反演算法模型反演海洋的各個參數(shù)的變化。在當(dāng)前這項(xiàng)技術(shù)還在不斷發(fā)展與進(jìn)步，大多數(shù)都是統(tǒng)計(jì)模式，利用遙感數(shù)據(jù)和反演的海洋參數(shù)之間建立起統(tǒng)計(jì)關(guān)系反演出海洋的濕度、溫度等環(huán)境參數(shù)[1-2]。

3.4 海洋海事監(jiān)督管理

無人機(jī)還可以配備高清攝像機(jī)和一系列自動跟蹤設(shè)備執(zhí)行海上溢油應(yīng)急監(jiān)控與肇事船舶搜尋等，對遇險(xiǎn)的船只、海員進(jìn)行定位和進(jìn)行海洋主權(quán)巡查等任務(wù)，能夠快速抵達(dá)事故現(xiàn)場，立體查看事故區(qū)域內(nèi)發(fā)生的事故的實(shí)際情況，回傳事故的所有信息和影像記錄等，在事故調(diào)查和事故監(jiān)測中準(zhǔn)確獲取信息，是海事監(jiān)管中重要的“鷹眼”。由于無人機(jī)具備的特征，抗風(fēng)性能大，不接受視覺條件的限制，在某些條件下更適合惡劣天氣搜尋求援工作。一旦發(fā)生危險(xiǎn)，不會危及到搜救人員的生命安全，最大程度規(guī)避了搜救風(fēng)險(xiǎn)的存在。在海洋天氣越來越惡劣的情況，下無人機(jī)系統(tǒng)是重要的輔助設(shè)備，目前中國利用無人機(jī)進(jìn)行海域巡檢和監(jiān)管等進(jìn)入了業(yè)務(wù)階段。

4 無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)用的發(fā)展趨勢

無人機(jī)系統(tǒng)在海洋監(jiān)測中的運(yùn)用有眾多的優(yōu)勢，由于運(yùn)用廣泛和運(yùn)用價值高等特征，其在海洋監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)得到充分的重視?，F(xiàn)階段，隨著人類對海洋開發(fā)力度的不斷增加，原本的淺?？衫贸潭炔粩嗫s減，人們的足跡逐漸朝著深海與遠(yuǎn)海方面擴(kuò)展，要獲取海洋多方面的信息需要借助無人機(jī)的極大優(yōu)勢，因此對無人機(jī)的運(yùn)用需求也會不斷增加。預(yù)計(jì)在未來的發(fā)展中無人機(jī)在海洋領(lǐng)域內(nèi)的運(yùn)用將會呈現(xiàn)出以下幾個特點(diǎn)：其一，規(guī)范性。對無人機(jī)的運(yùn)用不斷增加，將會采用合理的措施管理無人機(jī)系統(tǒng)，因此需要對無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行合理的監(jiān)管，確保監(jiān)管規(guī)范化和配置標(biāo)準(zhǔn)化，方便在未來的使用中更加合理的管理無人機(jī)。其二，高寬帶化。無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸上，提升無人機(jī)的數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)傳輸寬帶實(shí)現(xiàn)高清圖像與高清視頻的實(shí)時回傳，保證控制站、無人機(jī)之間遠(yuǎn)距離通信與數(shù)據(jù)傳輸通暢。其三，滿足深海探測的需要。在科學(xué)技術(shù)的支持下，提升無人機(jī)的性能、延伸無人機(jī)的航空時長、提升載重能力滿足遠(yuǎn)海任務(wù)和大任務(wù)的要求。積極研究出可以探測深海的無人機(jī)的載荷來滿足深海檢測的需要。其四，智能化。積極研究出無人機(jī)智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主起降和障礙躲避等能力，提升智能追蹤等能力，讓無人機(jī)朝著智能的方向發(fā)展[3-4]。

5 結(jié)語

在海洋監(jiān)測的過程中運(yùn)用無人機(jī)系統(tǒng)，可以讓海洋監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息更加準(zhǔn)確真實(shí)和有效。隨著人類對海洋開發(fā)力度的不斷增加，人類需要更多的海洋信息，因此對無人機(jī)的系統(tǒng)與功能方面有了更多的要求，在未來對無人機(jī)性能方面的需求也不斷增加。因此，現(xiàn)階段需要加強(qiáng)對無人機(jī)的管理，提升技術(shù)水平的同時，讓其管理更加規(guī)范化和系統(tǒng)化。在未來的運(yùn)用中對深海與遠(yuǎn)海的運(yùn)用還需要大量使用到無人機(jī)技術(shù)，因此需要加強(qiáng)科技的投入，積極創(chuàng)新研發(fā)出新的無人機(jī)載荷。在新時代下，積極推動無人機(jī)的智能化發(fā)展，更好地滿足人類對海洋的更多需求。