衛(wèi)星與無人機協(xié)同應(yīng)急觀測發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用淺析

劉斌楠 劉陽 孟祥釗

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

目前，遙感對地觀測傳感器平臺主要有星載、機載兩種。衛(wèi)星平臺具有全球范圍高分辨率對地觀測成像的能力，一直是世界各國對地觀測領(lǐng)域研究和發(fā)展的熱點。盡管衛(wèi)星在對地觀測領(lǐng)域有著不可替代的作用，但在面對災(zāi)害監(jiān)測、國防安全等復(fù)雜和高時效的突發(fā)觀測需求時，衛(wèi)星仍然存在著一些不足，如受軌道和再訪問時間限制，時空分辨率低，觀測機動性差等[1]。而無人機遙感平臺具有時空分辨率高、機動性強、運行成本低的特點[2]，能夠滿足突發(fā)觀測事件精細化和高時效性的需求[3]，成為衛(wèi)星重要的補充觀測資源。衛(wèi)星和無人機的協(xié)同觀測，能夠更加有效、快速地獲取多平臺下多尺度、多分辨率的觀測數(shù)據(jù)，獲得更精確、豐富的信息，未來將成為對地觀測領(lǐng)域重要的研究方向之一[4-6]。

要實現(xiàn)衛(wèi)星與無人機的協(xié)同觀測，需要面臨的兩個關(guān)鍵點是觀測前多平臺協(xié)同調(diào)度規(guī)劃問題以及觀測后多源、多尺度遙感產(chǎn)品處理問題。本文只要介紹國內(nèi)外“星-機”協(xié)同觀測進展，歸納“星-機”協(xié)同觀測調(diào)度規(guī)劃方法與遙感產(chǎn)品處理方法，并對“星-機”協(xié)同觀測在中小尺度海洋觀測、區(qū)域生態(tài)環(huán)境、災(zāi)害和應(yīng)急等領(lǐng)域的應(yīng)用進行展望。

1 “星-機”協(xié)同觀測進展

1.1 國外進展

國外無人機與衛(wèi)星協(xié)同對地觀測技術(shù)已經(jīng)步入應(yīng)用階段，主要在災(zāi)害監(jiān)測、海洋監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測3 個領(lǐng)域展開。在災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域，衛(wèi)星-無人機協(xié)同觀測在災(zāi)情數(shù)據(jù)的準實時獲取方面發(fā)揮了重要作用。其中較為典型的是美國宇航局（NASA）與美國林務(wù)局（USFS）使用其聯(lián)合構(gòu)建的衛(wèi)星-無人機-地面協(xié)同觀測系統(tǒng)進行的森林火災(zāi)監(jiān)測計劃[7]。20 世紀80年代，USFS 由于衛(wèi)星軌道周期限制，缺乏連續(xù)覆蓋的精細化數(shù)據(jù)，開始構(gòu)思衛(wèi)星戰(zhàn)略觀測結(jié)合空中平臺戰(zhàn)術(shù)觀測的計劃，并于2001 年開始進行衛(wèi)星與無人機的協(xié)同觀測驗證工作，隨后在2006 年至2010 年期間又實施了一系列觀測計劃[8-9]。該計劃開創(chuàng)了民用領(lǐng)域“衛(wèi)星-無人機-地面”協(xié)同觀測應(yīng)用的新模式，證明了“星-機”協(xié)同觀測研究的巨大潛力。該“衛(wèi)星-無人機-地面”聯(lián)合觀測系統(tǒng)使用具有長航時大范圍觀測能力的Ikhana 無人機作為觀測平臺，搭載NASA 自主研發(fā)的多光譜成像儀，對森林火災(zāi)進行掃描成像監(jiān)測（圖1），并通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)遙測系統(tǒng)來保障“星-機-地”之間的實時通信與數(shù)據(jù)傳輸。

同樣在災(zāi)害觀測方面，Ramsey 在2010 年墨西哥灣石油泄漏事件中，采用協(xié)同觀測方法獲得了無人機SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔徑雷達）圖像和衛(wèi)星SAR 圖像，對溢油分解分類與極化特征進行了分析[10]，借助無人機高性能的數(shù)據(jù)收集能力獲得了時空上的連續(xù)數(shù)據(jù)集，對分析和評估產(chǎn)生了重要的作用。近年來，Ohminato、Kruijff、Baiocchi、Tang 也分別在火山爆發(fā)預(yù)警、地震災(zāi)情觀測、地震災(zāi)后重建、震后滑坡活動分析和地質(zhì)環(huán)境影響評估中先后進行了無人機的應(yīng)用[11-14]，與衛(wèi)星觀測形成了多平臺間的有效互補，取得了良好的效果。

在海洋監(jiān)測領(lǐng)域，Lomax 在2005 年提出將無人機遙感平臺納入海洋觀測體系[15]，美國Scripps海洋研究所、英國國家海洋中心等機構(gòu)和Martin、Reineman 等人隨后在其海洋科學(xué)觀測中使用了無人機[16-19]，在形成“衛(wèi)星-無人機-船”對海聯(lián)合觀測體系上邁出了重要一步。Bouffard 等人利用星-機協(xié)同觀測技術(shù)，對海洋中小尺度漩渦進行了多傳感器同步觀測，并對觀測結(jié)果進行交叉比對和融合，捕捉到了一系列亞中尺度和小尺度的渦旋[20]。

在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，2008 年NASA“SIERRA”科學(xué)示范計劃[21]中使用無人機搭載多種傳感器配合衛(wèi)星進行了碳循環(huán)、“海-氣”相互作用等地球科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究。2013 年Neigh 構(gòu)建了一套集衛(wèi)星、無人機和地面站于一體的觀測系統(tǒng)[22]，為監(jiān)測地上碳含量的時空變化提供了一種有效的方法。

表1 國內(nèi)星機協(xié)同觀測匯總

1.2 國內(nèi)進展

目前，我國衛(wèi)星-無人機協(xié)同觀測還處于初步探索階段，在地震、洪澇等災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域和定量遙感研究方面進行了一些應(yīng)用，但尚未形成體系。在災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域，“星-機”協(xié)同觀測在汶川、玉樹地震等災(zāi)害監(jiān)測與評估中發(fā)揮了重要作用。在汶川地震（2008年）、玉樹地震（2010 年）發(fā)生后，中國科學(xué)院啟動了星-機協(xié)同遙感觀測計劃[23]，使用衛(wèi)星、飛機、無人機獲取500 多幅災(zāi)區(qū)光學(xué)和微波遙感影像。在數(shù)據(jù)分析中，飛機和無人機平臺獲取的高分辨率航空遙感影像被作為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合地震前后中高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進行堰塞湖風險情況分析，道路損毀定性、定位、定量分析，并用于建立三維災(zāi)情評估系統(tǒng)。結(jié)果表明，衛(wèi)星與無人機協(xié)同觀測在兩次地震災(zāi)害中的應(yīng)用均取得了很好的效果。

在定量遙感研究方面，我國衛(wèi)星與有人機的協(xié)同同步觀測試驗開展的較早，衛(wèi)星與無人機協(xié)同同步觀測則剛開始起步。在國家一系列重點項目支持下，我國各研究機構(gòu)相繼開展了順義“星-機-地”定量遙感綜合試驗[24]、黑河流域遙感同步觀測試驗[25]、青藏高原與環(huán)渤海地區(qū)“星-機-地”同步觀測試驗[26]等一系列試驗。

2 “星-機”協(xié)同觀測規(guī)劃調(diào)度方法

從已進行的星-機協(xié)同觀測計劃來看，想要實現(xiàn)“衛(wèi)星-無人機”協(xié)同觀測，就需要面對衛(wèi)星與無人機之間觀測模式、使用約束、處理方式的巨大差異性問題[27]，兩個平臺間的協(xié)同觀測調(diào)度技術(shù)研究是實現(xiàn)衛(wèi)星-無人機協(xié)同業(yè)務(wù)化觀測的關(guān)鍵點。目前，協(xié)同觀測調(diào)度規(guī)劃的主要關(guān)注點在傳感器類型搭配、同步觀測時間窗口、無人機巡航能力、無人機最優(yōu)路徑規(guī)劃等問題上。

在傳感器類型搭配上，受無人機載荷能力、傳感器集成技術(shù)的影響，目前衛(wèi)星與無人機協(xié)同觀測中搭載的傳感器還較為單一。汶川地震中，由于光學(xué)影像可以提供直觀的災(zāi)情信息，SAR 影像可以提供地震區(qū)域形變量、斷裂帶等豐富的信息，無人機平臺主要搭載的傳感器為可見光相機和SAR。因此，在傳感器類型搭配上主要針對執(zhí)行任務(wù)和目標進行傳感器選擇。

而在其他關(guān)注點上，國內(nèi)外對多平臺協(xié)同觀測調(diào)度問題上進行了分布式、分層式組織模式[28-29]的研究。BAI 等人構(gòu)建了“衛(wèi)星-無人機”協(xié)同觀測規(guī)劃調(diào)度模型，提出了多平臺協(xié)同進化調(diào)度算法（MPCCPSA）[27]，完成了多平臺協(xié)同觀測模型下衛(wèi)星觀測目標和無人機觀測路徑的尋優(yōu)。

綜合以上研究，衛(wèi)星與無人機協(xié)同觀測要想滿足快速應(yīng)急響應(yīng)的需求，實現(xiàn)最優(yōu)規(guī)劃調(diào)度，需要打破現(xiàn)階段在觀測平臺、接受系統(tǒng)、處理系統(tǒng)之間的孤立狀態(tài)，將具有分布式的多平臺觀測資源進行整合，形成具有任務(wù)針對性、自主獨立性的觀測系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)多部門、多平臺之間的動態(tài)耦合與信息整合，形成全面、完善的觀測體系。

3 “星-機”協(xié)同觀測遙感產(chǎn)品處理方法

衛(wèi)星和有人機或無人機之間的協(xié)同觀測機制可以獲取多時空尺度、多分辨率數(shù)據(jù)，為觀測目標地物參數(shù)信息提取與變化分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在“星-機”多源數(shù)據(jù)的有效利用方面，目前的研究主要集中在遙感產(chǎn)品的反演、多源數(shù)據(jù)的融合同化、遙感產(chǎn)品的真實性檢驗三個方面。

在遙感產(chǎn)品的反演方面，目前已經(jīng)開展過以地表通量為核心的定量遙感“星-機-地”同步觀測試驗[24]，對象元亞象元尺度不同濕度和植被覆蓋條件下的地表通量進行了反演。在利用“星-機-地”協(xié)同觀測數(shù)據(jù)進行的定量遙感基本參數(shù)研究方面，李小文等對定量遙感基本參數(shù)的測定方法進行了創(chuàng)新，提出了方向比輻射率測定方法等六種新方法，提高了關(guān)鍵參數(shù)的反演的精度和效率[24]。

在多源數(shù)據(jù)的融合同化方面，無人機載圖像的實時快速傳輸是進行數(shù)據(jù)融合的先決條件，在該方向上，Ambrosia 改良了圖像幾何校正方法，建立基于遺傳算法的圖像快速處理模型[7]。而在國內(nèi)的協(xié)同試驗中，黃俊研究了災(zāi)害數(shù)據(jù)應(yīng)急處理方法，加快多源影像數(shù)據(jù)解譯速度[31]。郭華東在汶川地震中用二維三次卷積法統(tǒng)一多源數(shù)據(jù)空間分辨率，并進行了三維地形的交互式實時繪制[32]。目前“星-機”協(xié)同觀測還用于獲取大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，生成高分辨率、空間一致性、時間連續(xù)性的高質(zhì)量數(shù)據(jù)集，用于推進實時多源數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)[33]的構(gòu)建。

在定量遙感產(chǎn)品的真實性檢驗方面，“星-機”協(xié)同觀測數(shù)據(jù)發(fā)揮了重要作用。張仁華等利用尺度轉(zhuǎn)換后“地-機”“星-機”同目標同面積反演值是否一致性來檢驗反演模型[34]，進而反饋修正，完成真實性檢驗。目前借助“星-機-地”協(xié)同提出的真實性檢驗方法有分布式三點同步定標法、巡回監(jiān)測法、“一檢多恰”法、多點觀測法等方法[24,34]。

4 衛(wèi)星與無人機協(xié)同觀測的應(yīng)用展望

衛(wèi)星與無人機協(xié)同觀測在地震、森林火災(zāi)等應(yīng)急災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域有比較成熟的應(yīng)用，而在生態(tài)環(huán)境、海洋觀測等領(lǐng)域同樣有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ诤Ｑ笥^測領(lǐng)域上，衛(wèi)星觀測是主要手段，可以獲得大尺度海洋現(xiàn)象和目標的觀測數(shù)據(jù)，但在一些具有生命周期的中小尺度現(xiàn)象的精細化觀測與捕捉上，無人機無疑能夠發(fā)揮其獨特的作用，因此，與衛(wèi)星協(xié)同的對海觀測便具有十分重要的意義。

目前海上溢油、水域污染、森林火災(zāi)、地震、洪澇等非自然和自然災(zāi)害的監(jiān)測越來越關(guān)注所獲取數(shù)據(jù)的實時性和連續(xù)性，這就要求監(jiān)測平臺具有駐空“凝視”能力。另外，對災(zāi)害要防患于未然，這要求監(jiān)測平臺要具備業(yè)務(wù)化日常運行、預(yù)警的能力，而衛(wèi)星與無人機協(xié)同觀測系統(tǒng)則具備了這兩種潛力，將會在未來成為應(yīng)急災(zāi)害觀測領(lǐng)域的必不可少的一部分。衛(wèi)星與無人機協(xié)同觀測系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化日常運行能力同樣對水環(huán)境、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查、氣候等生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域具有重要意義。

由以上分析可見，衛(wèi)星與無人機協(xié)同觀測將會在全球海洋觀測、生態(tài)環(huán)境調(diào)查、應(yīng)急災(zāi)害監(jiān)測等方面發(fā)揮更為重要的作用。

5 結(jié)語

衛(wèi)星與無人機協(xié)同觀測具備很大的發(fā)展?jié)摿Γ梢猿蔀閷Φ赜^測領(lǐng)域內(nèi)重要的手段，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴展中。目前，很多發(fā)達國家借助其先進的無人機技術(shù)，在衛(wèi)星與無人機協(xié)同觀測領(lǐng)域進行了一系列研究，在該領(lǐng)域內(nèi)走在了前列。我國對衛(wèi)星與無人機協(xié)同觀測體系的研究還處于探索中?！翱?、天、地”一體化的協(xié)同觀測體系已逐漸成為對地觀測領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，而衛(wèi)星與無人機協(xié)同觀測則是其中的重要組成部分，相關(guān)研究對構(gòu)建“空、天、地”一體化協(xié)同觀測體系具有重要意義。