無人機在海洋調(diào)查中的應用前景展望

王 芳，宋士林，葛清忠

（1.國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室 青島 266033）

無人機在海洋調(diào)查中的應用前景展望

王 芳1，2，宋士林1，2，葛清忠1，2

（1.國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室 青島 266033）

無人機 （UAV）是利用先進的無人駕駛技術(shù)、遙感技術(shù)和通信技術(shù)等高新技術(shù)，實現(xiàn)自動化、智能化、專用化快速獲取空間信息，完成數(shù)據(jù)處理、建模和應用分析的應用技術(shù)。文章探討了利用無人機技術(shù)的特點，如何與海洋調(diào)查等相關(guān)業(yè)務相結(jié)合，同時對無人機技術(shù)在海洋相關(guān)領(lǐng)域中的應用前景進行了探索和展望。

無人機；調(diào)查；應用

無人駕駛飛機（unmannedaerialvehicle，UAV）簡稱 “無人機”，也叫空中機器人，被廣泛用于空中偵察、監(jiān)視、通信、遙感、反潛和電子干擾等工作中。無人機研制之初應用范圍主要是在軍事上，1927年，“喉”式單翼無人機在英國海軍 “堡壘”號軍艦上成功地進行了試飛，該機載有113kg炸彈，以每小時322km的速度飛行了480km，“喉”式無人機的問世在當時曾引起極大的轟動［1］。后來無人機逐漸應用于民用領(lǐng)域，民用無人機應用前景非常廣闊，世界各國都在積極拓展民用無人機的應用范圍。在通信、氣象、農(nóng)林、海洋、勘探、攝影、防災減災等領(lǐng)域無人機被廣泛的應用［2］。

無人機系統(tǒng)主要由飛行器、飛行控制系統(tǒng)、穩(wěn)定云臺、任務傳感器、無線通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與應用分析系統(tǒng)以及地面控制系統(tǒng)等幾部分組成。飛行控制系統(tǒng)包括機載控制單元和地面監(jiān)控站兩部分。機載控制單元采用模塊化設計，固化到無人飛行器內(nèi)部；地面監(jiān)控站實時進行飛行狀態(tài)、任務狀態(tài)監(jiān)視與調(diào)控。穩(wěn)定云臺自動監(jiān)測飛行器的航向、俯仰角、翻轉(zhuǎn)角，通過三軸自反饋控制平臺，實現(xiàn)任務傳感器基本上保持與地平面平行，基本實現(xiàn)垂直投影［3］。

任務傳感器可以根據(jù)遙感任務要求，配備數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、紅外攝像儀、高光譜儀等傳感器設備。數(shù)據(jù)處理與應用分析系統(tǒng)，能夠?qū)崟r進行視頻圖像和多光譜圖像自動批處理、快速邊緣檢測識別和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)量算，實現(xiàn)對監(jiān)測目標的快速定位、分類、特征參數(shù)統(tǒng)計和發(fā)展態(tài)勢預測以及專題信息提取和制圖。

地面控制系統(tǒng)主要通過無線通信系統(tǒng)，設置無人機的飛行軌跡、采集無人機的飛行參數(shù)，接收、監(jiān)視無人機所攜帶任務傳感器采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)無人機的飛行參數(shù)和作業(yè)任務，實時調(diào)整無人機的飛行姿態(tài)和作業(yè)任務。

1 無人機的優(yōu)勢

無人機與有人飛機、衛(wèi)星等飛行器相比較，有著不可代替的優(yōu)勢：① 快速的機動響應能力。無人機的應用機動靈活，能夠通過地面運輸快速到達指定目標區(qū)域。拆分運輸、現(xiàn)場組裝、快速發(fā)射，且發(fā)射方式多樣，對環(huán)境要求低。②操作簡單、目的明確。無人機技術(shù)的不斷成熟，其操作也越來越智能化和自動化，自主控制飛行，可以通過事先設置飛行路線，并在飛行中進行校對和調(diào)整以達到對目標的精確測量。無人機通過配備故障自動診斷及顯示功能，如果發(fā)生故障，飛機會自動返航到起點上空等待排出故障［4］。③ 使用成本低、危險性較小。無人機體形小，耗費低，對操作員的培養(yǎng)周期相對較短；系統(tǒng)的保養(yǎng)和維修簡便，不用租賃起飛和停放場地；同時，無人機可以飛行到危險地域進行調(diào)查活動。④ 高分辨率影像數(shù)據(jù)獲取能力。高分辨率影像數(shù)據(jù)獲取能力是無人機遙感的最大特點。無人機搭載的高精度光電成像設備，具備面積覆蓋、垂直或傾斜成像的技術(shù)能力，獲取圖像的空間分辨率達到厘米級。

2 在海洋調(diào)查中的應用前景

2.1 海洋自然災害的監(jiān)測調(diào)查

近年來，風暴潮、赤潮、海冰、滸苔等海洋自然災害頻發(fā)，不斷影響我國沿海的生產(chǎn)和生活，造成了巨大的經(jīng)濟損失，然而，對這些災害的預報、監(jiān)測、處置缺乏全面、及時地掌握。利用無人機拍攝的災情信息比其他常規(guī)手段更加快速、客觀和全面。其主要應用包括：①利用無人機航拍結(jié)果，進行對比分析，詳細分析災害的發(fā)展、變化情況，把握災害現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；② 在航片上提取災害范圍，評估災害損失情況；③ 能夠準確客觀、全面地反映災后的景象，為災害調(diào)查、損失快速評估提供科學依據(jù)，為災后速報災情、快速救災減災提供決策；④研究災害發(fā)生的一般規(guī)律，為相關(guān)部門及時采取有效救災措施提供及時全面的信息。

2.2 海島的巡查與防護

在 《中華人民共和國海島保護法》以及 《無居民海島保護和利用指導意見》頒布實施后，海島管理的任務繁重，海島的開發(fā)利用現(xiàn)狀、海島生態(tài)植被的分布狀況、領(lǐng)?；c島的保護狀況等相關(guān)資料信息嚴重缺乏［5］。有些海島由于不適合登島條件而無法掌握更多的信息，迫切需要海島的低空航拍影像資料，因此低空無人機是一種非常適合海島管理的高新裝備，其主要應用包括：① 定期巡查海島，掌握海島的植被、建筑、淡水資源分布等情況，通過長期對海島的記錄，為判別島上植被、河流等發(fā)生異常提供參考。② 定期巡查海島的島基、岸線的情況，記錄島基的變化狀況，為及時加固島基、防止發(fā)生島基坍塌、毀壞等情況提供可靠依據(jù)，尤其是對領(lǐng)?；c島的巡查、監(jiān)控，對維護我國的海洋權(quán)益具有重大意義。③獲取地質(zhì)災害頻發(fā)的典型海島的地質(zhì)地貌低空高分辨率影像，為典型海島地質(zhì)災害監(jiān)測及預警示范性研究提供資料。④ 微型海島的出水面積受不同潮位的影響很大，而遙感衛(wèi)星受重訪周期的影響很難獲得不同潮位時的海島影像，這一點在我國南方多云地區(qū)尤其明顯。無人機不受周期的限制，可以根據(jù)潮位情況，選擇合適時機進行工作。

2.3 海上事故的應急調(diào)查

隨著海洋資源的開發(fā)，特別是對海洋石油資源的調(diào)查與開發(fā)、海底工程與濱岸工程的建設，越來越多地遇到海上突發(fā)性災害事故，例如：大連溢油事件、蓬萊19-3油田溢油事件等，對事故的處理、調(diào)查、取證等工作需要在最短時間內(nèi)得到有效的資料，衛(wèi)星和飛機等一些調(diào)查手段由于受時間、空管、費用等條件的限制，不能在規(guī)定的時間、規(guī)定的航線獲取資料，大大制約了對事故的發(fā)現(xiàn)、處置、調(diào)查。而無人機的優(yōu)勢正是低空飛行、不受時間空間限制、可以按照要求設計路線，可以及時有效地獲取事故現(xiàn)場的影像資料，并且能夠?qū)崟r地傳回到地面中心控制站。

可以說無人機在事故調(diào)查、取證等工作中能夠快速到達事故現(xiàn)場，立體地查看事故區(qū)域、事故程度、救援進展等情況，實時傳遞影像等信息，監(jiān)視事故發(fā)展，為事故救援決策提供準確的信息，同時最大限度地規(guī)避了風險。

3 結(jié) 論

無人機因其機動靈活的起降方式、低空循跡的自主飛行方式、快速響應的多數(shù)據(jù)獲取能力，在海洋調(diào)查上具有巨大的應用前景，其搭載的高分辨率光電設備進行快速獲取圖像，亦可搭載視頻采集設備，實時的采集并回傳，體現(xiàn)出分辨率高、實效性好、應急性強等優(yōu)勢，而這些正是現(xiàn)代海洋調(diào)查工作的發(fā)展趨勢。綜合無人機技術(shù)的特點和實際應用效果，該技術(shù)將在我國海洋調(diào)查中有著相當大的應用前景。

［1］ 金偉，葛宏立，杜華強.無人機遙感發(fā)展與應用概況［J］.遙感信息，2009（1）：88－92.

［2］ 馬文翰，陳建平.突發(fā)地質(zhì)災害氣象預警預報研究綜述［J］.地質(zhì)災害與環(huán)境保護，2007，18（1）：6－9.

［3］ 竹林村，胡開全.幾種低空遙感系統(tǒng)對比分析［J］.城市勘測，2009（3）：65－67.

［4］ 呂書強，晏磊，張兵，等.無人機遙感系統(tǒng)的集成與飛行試驗研究［J］.測繪科學，2007，32（1）：12－13.

［5］ 王忠.規(guī)范海島開發(fā)秩序，保護海島生態(tài)環(huán)境［J］.海洋開發(fā)與管理，2003，20（5）：19－20.