無人機(jī)遙感技術(shù)在第33次南極考察普里茲灣海冰卸貨中的應(yīng)用探索

張寶鋼 馬馳 程曉

2016年11月29日，雪龍?zhí)枠O地考察船抵達(dá)中山站附近時，衛(wèi)星影像顯示，固定冰面積較大，冰面破碎，冰脊較多，經(jīng)過實(shí)地勘察后，考察隊(duì)臨時決定使用無人機(jī)進(jìn)行海冰探路。通過分析衛(wèi)星影像，為無人機(jī)設(shè)計(jì)航線，累計(jì)飛行三個架次后共獲取205張圖像。通過分析處理這些照片，獲得海冰的正射影像圖，對海冰冰情進(jìn)行了相關(guān)分析，選擇雪地車可行駛的潛在安全區(qū)域并對傳統(tǒng)海冰探路方式進(jìn)行總結(jié)，最終設(shè)計(jì)出海冰卸貨探路的最優(yōu)流程，并對現(xiàn)有的不足和未來可能的發(fā)展進(jìn)行了相關(guān)討論。

北京師范大學(xué)

截至2017年，30個國家組成的國家南極計(jì)劃管理委員（COMNAP）成員國在南極共建有80個科學(xué)考察站。由于南極大陸特殊的環(huán)境條件，幾乎所有考察站的物資都需依靠外部補(bǔ)給。目前，各國科考站的補(bǔ)給方式主要有兩種，一種是通過運(yùn)輸機(jī)的航空運(yùn)輸，如美國麥克默多站和澳大利亞的凱西站等;另一種是利用補(bǔ)給艦船的海運(yùn)補(bǔ)給，中國中山站就是如此。航空運(yùn)輸不僅要求國家具有大型運(yùn)輸機(jī)的保障能力，而且要求站區(qū)附近有能夠起降大型運(yùn)輸機(jī)的機(jī)場設(shè)施，故不是所有考察站都有條件進(jìn)行航空運(yùn)輸補(bǔ)給，因此絕大多數(shù)考察站仍然以海運(yùn)為主要補(bǔ)給方式。

中國中山站是中國于1989年，在東南極伊麗莎白公主地拉斯曼丘陵建設(shè)的一座常年南極考察站，是中國向南極內(nèi)陸地區(qū)的DOME-A及格羅夫山開展考察活動的中樞站，每年由中國雪龍?zhí)柨茖W(xué)考察船負(fù)責(zé)當(dāng)年科考及生活物資的補(bǔ)給。雪龍?zhí)柺且凰褺1級的破冰船，總排水量21250t，船長167m，船寬22.6m，可以3.7km/h的航速連續(xù)破1.2m厚的冰（包含0.2m厚的雪）。雪龍?zhí)柾ǔ诿磕? 1月末或12月初到達(dá)中山站周邊的普里茲灣，進(jìn)行站區(qū)人員輪換及物資補(bǔ)給。這一時期，中山站周邊廣泛分布有一年期固定冰（Fast-ice）。補(bǔ)給物資卸載至冰面后，再在冰面上由重型車輛運(yùn)輸至站區(qū)。由于固定冰的成冰過程受潮汐、氣象、海洋等多種因素共同作用，表面情況十分復(fù)雜，部分區(qū)域遍布冰脊，重型車輛無法通過或行車存在安全隱患。在2008年11月27日中國第25次南極考察卸貨期間，曾發(fā)生過雪地車沉海事件，所幸沒有發(fā)生人員傷亡。因此，在每年實(shí)施冰面卸貨之前，通常需要進(jìn)行海冰探路，在冰面上尋找一條可通過、安全的卸貨路線。

傳統(tǒng)的海冰探路是以實(shí)地踏勘為主，即由考察隊(duì)員駕駛雪地摩托，從站區(qū)和雪龍?zhí)柍霭l(fā)，沿途觀察冰面平整度，測量冰厚，記錄航路點(diǎn)，并插放標(biāo)志物。通常站、船各需要兩輛雪地摩托車同時探路，耗時兩天，實(shí)地踏勘工作十分艱苦，且在冰面行車存在一定風(fēng)險(xiǎn)。中國第33次南極考察期間，由于該年的普里茲灣固定冰范圍廣、冰情復(fù)雜，為保障冰面卸貨工作，考察隊(duì)首次嘗試將固定翼無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于卸貨探冰，所獲取的高分辨率無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)為卸貨方案的制定提供了決策依據(jù)。

無人機(jī)作為一種新型的數(shù)據(jù)獲取手段，具有響應(yīng)迅速，獲取影像分辨率高，操控簡單，易于起降等特點(diǎn)。由于不搭載飛行員，所以不會發(fā)生人員傷亡事故，避免人員犧牲，可應(yīng)用在較危險(xiǎn)的環(huán)境。目前，許多國家都將無人機(jī)作為數(shù)據(jù)獲取的手段應(yīng)用于南極研究，如中國、澳大利亞、美國、英國、日本、韓國、新西蘭、波蘭、挪威、德國、葡萄牙、智利等國;主要研究方向?yàn)楹１?、冰山、冰川、大氣等，并取得了?yōu)異的成果。

在南極考察中，利用無人機(jī)開展應(yīng)急保障也可發(fā)揮其優(yōu)勢，但這方面的工作相對較少。2015年12月，澳大利亞科考隊(duì)員在“南極光”號（Aurora Australis）破冰船上操控?zé)o人機(jī)，幫助船只導(dǎo)航，取得良好效果。本文以中國第33次南極考察期間利用固定翼無人機(jī)進(jìn)行卸貨探冰工作為例，分析無人機(jī)所獲取的固定冰遙感數(shù)據(jù)，為雪地車運(yùn)輸規(guī)劃路線，并結(jié)合雪地摩托實(shí)地踏勘情況，探索無人機(jī)在未來南極考察應(yīng)急保障方面的應(yīng)用前景。

應(yīng)用方法

“極鷹”川無人機(jī)平臺

由于首次使用無人機(jī)進(jìn)行探路嘗試，所以具有一定的不確定性，為了不影響整體卸貨進(jìn)程，本次考察中的無人機(jī)數(shù)據(jù)主要作為常規(guī)雪地摩托探路的補(bǔ)充和驗(yàn)證。本次海冰探路使用的“極鷹”III無人機(jī)智能航測系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如圖3所示。

該型無人機(jī)的主要優(yōu)勢在于任務(wù)響應(yīng)能力快，所有起飛前準(zhǔn)備工作（包括航線規(guī)劃到完成組裝調(diào)試）可在30min內(nèi)完成，飛行結(jié)束后配套有快速拼接軟件，可以快速處理生成測區(qū)的正射影像，十分適合在應(yīng)急作業(yè)中使用。目前，該無人機(jī)在國內(nèi)已廣泛應(yīng)用于地震、泥石流等自然災(zāi)害的應(yīng)急任務(wù)，發(fā)揮了重要作用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在常規(guī)航測標(biāo)準(zhǔn)下，該系統(tǒng)以10cm分辨率時每架次可探測10km2的區(qū)域，20cm分辨率時為20km2，遠(yuǎn)高于多旋翼機(jī)型的作業(yè)能力。

無人機(jī)數(shù)據(jù)采集

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以提供近實(shí)時的冰情信息，近年來已廣泛應(yīng)用于雪龍?zhí)柋鶇^(qū)航行導(dǎo)航。在海冰探路中，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)雖然可以識別出冰面的冰脊分布，但由于分辨率有限，無法在冰脊中發(fā)現(xiàn)可供重型雪地車通過的路徑。同時，衛(wèi)星遙感受天氣影響較大，有時無法獲得及時有效的數(shù)據(jù)。因此，無人機(jī)數(shù)據(jù)能很好地彌補(bǔ)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的不足，可以提供實(shí)時、高分辨率的遙感數(shù)據(jù)。但無人機(jī)的作業(yè)能力有限，如何規(guī)劃合理有效的航拍區(qū)域，仍需借助衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的支持。

雪龍?zhí)栍?016年11月29日到達(dá)中山站附近，開始準(zhǔn)備卸貨任務(wù)，根據(jù)11月29日最新的sentinel-2A可見光遙感影像見圖4，10m的分辨率可在宏觀上有效判斷海冰冰情。雪龍?zhí)柾２从诰嘀猩秸局本€距離約31km處，對比往年中山站周邊固定冰情況，2016年冰情較為嚴(yán)重，在雪龍?zhí)柷胺酱嬖诘膩y冰區(qū)寬度達(dá)13km，雪地車冰面運(yùn)輸十分困難且存在安全隱患。根據(jù)衛(wèi)星影像，從雪龍?zhí)柕奖紸的冰情十分復(fù)雜，是冰面探路的關(guān)鍵區(qū)域。影像可以提取亂冰區(qū)中相對平整冰區(qū)（圖4中用圓圈標(biāo)注），雪地車在上面可以快速安全地通過。但是在平整區(qū)域之間存在大量破碎的海冰、冰山和冰脊，這些區(qū)域的海冰穩(wěn)定性差，強(qiáng)度低，雪地車在上面行駛極易掉人海中，造成人員傷亡和物資損失。這些區(qū)域是本次無人機(jī)航拍的重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域。