無人機遙感在非戰(zhàn)爭軍事行動中的應(yīng)用

姚園園，朱 輝

(解放軍61175部隊， 南京210049)

0 引言

無人機遙感技術(shù)是集無人飛行器、遙感、傳感器、遙控、通信、(POS)定位、全球定位系統(tǒng)(GPS)差分定位等技術(shù)于一體的系統(tǒng)技術(shù)，可以自動、智能、專業(yè)、快速的獲取國土、資源、環(huán)境、事件等空間遙感信息，并進行實時處理、建模和分析［1］。目前，無人機遙感的應(yīng)用非常廣泛，各國政府或軍隊都在大力發(fā)展與其相關(guān)的機身結(jié)構(gòu)、飛行器、傳感器以及數(shù)據(jù)存儲、處理和傳輸?shù)燃夹g(shù)。最初，無人機遙感的研究成果大多都來自于軍事需求的牽引，但其在非戰(zhàn)爭軍事行動中的作用越來越明顯，甚至對它的發(fā)展趨勢提出了更多更高的要求。

1 無人機遙感介紹

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著數(shù)字化、小型化和高精度的新型傳感器的出現(xiàn)，無人機遙感的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域得到了迅速拓展。目前，無人機的類型已達數(shù)百種之多，用途多樣，性能各異，續(xù)航時間持續(xù)增加，根據(jù)平臺搭載的任務(wù)載荷的不同，無人機執(zhí)行任務(wù)的時間、范圍都可靈活實現(xiàn)，這也為搭載多種傳感器和執(zhí)行專項任務(wù)創(chuàng)造了有利條件。其中，遙感傳感器是無人機平臺的眼睛，是無人機遙感得以廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)［2］。

自21世紀以來，美國對無人機遙感的應(yīng)用呈現(xiàn)加速發(fā)展趨勢，研發(fā)的預算規(guī)模不斷擴大。美海軍“MQ-4C”遙感系統(tǒng)是最新型的無人機平臺，其功能包括監(jiān)視、偵察、情報，可在18 km高空持續(xù)飛行24 h，通過其平臺上的高性能傳感器可對視場下方進行360°監(jiān)控，一次飛行就可偵查近7 000 000 km2海域，分辨率小于0.1 m，可實時收發(fā)數(shù)據(jù)，自動識別艦船，自動校正紊流引起的擾動，具備除冰和防雷擊功能，與其他無人機相比具有跟高的飛行高度和更遠的航行距離［1］。這些功能確保其戰(zhàn)時能夠長航時收集情報、監(jiān)察和識別目標，為美軍實時了解戰(zhàn)場態(tài)勢及評估戰(zhàn)損效果等提供重要依據(jù)。

在國內(nèi)，無人機遙感技術(shù)研究也取得了一定的成果。如適合無人機SE-1的小型多光譜成像儀，內(nèi)置攝影控制軟件，可實現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)通信、飛行參數(shù)獲取、曝光時間計算和修正、實時數(shù)據(jù)存儲等功能［2］。近年來有研究人員采用系統(tǒng)集成方法，設(shè)計了應(yīng)用于無人機的大面陣CCD相機遙感系統(tǒng)，并在無人遙感飛機Y-12上進行了搭載飛行試驗，獲得了符合精度的圖像，如圖1所示。

圖1 無人機上搭載的部分傳感器及圖像

1.2 無人機遙感的主要優(yōu)點

1)系統(tǒng)研制周期短，成本低

無人機體形小，相對耗費低，對開發(fā)團隊來說大大節(jié)省了人力資源，緩解了資金方面的壓力，對操作員的培養(yǎng)周期也相對較短。日常維護簡單，同時節(jié)約機庫場地。

2)機動性好

由于體積小，比較靈活，無人機執(zhí)行任務(wù)時可以通過地面運輸?shù)街付ǖ攸c。起飛要求低，不需要專用跑道，可以在平地、坡路、沙灘等地通過車載、導彈或者地面方式直接發(fā)射，回收方式可以采用滑行或傘降的方式［3］。

2013年，美國X-47B型無人機甚至已實現(xiàn)從航空母艦上起飛并自行回落，下一步該型機還將試驗攜帶各種傳感設(shè)備和內(nèi)部武器裝備載荷，可以滿足聯(lián)合作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)的需求。

3)易操控，安全性好，應(yīng)對突發(fā)事件能力強

遙感型無人機的飛行路線可以預先設(shè)定、也可以在飛行過程中進行校對和調(diào)整，以對目標進行精確測量。若執(zhí)行任務(wù)過程發(fā)生故障，無人機可以通過配備的自動診斷及顯示故障功能，自動返航到起點上空等待排除故障。在任何場地，都能夠全天時、全天候執(zhí)行任務(wù)，觀測距離可大大超過操作員的可視距離。

4)高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)獲取能力，適合于區(qū)域性專業(yè)應(yīng)用

無人機遙感的亮點是實時獲取高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，其搭載的高精度成像設(shè)備，不僅滿足大范圍覆蓋的要求，還具備垂直或傾斜成像的能力。無人機遙感獲取的圖像空間分辨率可達亞米級，甚至可以更高，滿足1∶10 000以上比例尺的遙感應(yīng)用需求。

2011年，我國首次成功試用Z-3直升無人機懸停在內(nèi)蒙古三湖河口至昭君墳河段進行凌情應(yīng)急遙感監(jiān)測，實時傳輸在線凌情監(jiān)測視頻信息，并實現(xiàn)凌情監(jiān)測影像在線實時快速拼接，及時提供了防凌決策信息。

1.3 無人機遙感的關(guān)鍵技術(shù)

無人機遙感系統(tǒng)是指以無人機為平臺，搭載多種成像與非成像傳感器，飛行高度一般在幾千米以內(nèi)(軍用可達10 km以上)，以獲取遙感圖像、視頻等信息的無人航空遙感與攝影測量系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)包括以下四點。

1)無人機遙感平臺技術(shù)

無人機遙感平臺由飛行器分系統(tǒng)，測控及信息傳輸系統(tǒng)，信息獲取與處理以及綜合保障系統(tǒng)四部分組成。目前，國內(nèi)研制無人機遙感系統(tǒng)的整機集成商大約有三十多家，眾多型號的無人機遙感平臺根據(jù)用途，大致可分為通用測繪型、長航時型、高升限型和監(jiān)測型四個系列。在關(guān)鍵性能指標中，提高導航精度和自動起降精度將是科研人員下一步研究的重點。

2)無人機遙感設(shè)備的集成與接口技術(shù)

無人機可搭載的遙感設(shè)備包括空間分辨率(小于1 m×1 m)較高的機載合成孔徑雷達(SAR)和光學成像設(shè)備，考慮到功耗、重量等因素，要求質(zhì)量較輕［4］(＜60 kg)。針對不同應(yīng)用要求選擇性價比高的遙感設(shè)備，并進行標準化接口和科學化調(diào)試是集成應(yīng)用型無人機航空遙感系統(tǒng)的關(guān)鍵。

3)遙感數(shù)據(jù)的實時處理與下傳

無人機遙感可以全天時作業(yè)，關(guān)鍵技術(shù)在于高分辨率遙感數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)(包括GPS定位、輔助導航定位、無人機飛行姿態(tài)、成像傳感器姿態(tài)角、航拍時刻等)的融合。無人機遙感數(shù)據(jù)都帶有地理位置和時間信息。應(yīng)用抗干擾編碼技術(shù)，通過寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)，便可以將無人機遙感數(shù)據(jù)實時下傳到陸地基站。目前海量數(shù)據(jù)的實時下傳多采用高壓縮比的有損圖像壓縮，其誤差限制了無人機遙感在一些高標準領(lǐng)域(如測繪領(lǐng)域)的應(yīng)用。因此，如何減小或消除圖像壓縮的損耗，從而提高下傳遙感圖像的質(zhì)量也是無人機遙感的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4)遙感數(shù)據(jù)的地面接收與處理

若想提供面向?qū)I(yè)的遙感應(yīng)用服務(wù)，必須解決海量無人機遙感的數(shù)據(jù)接收和處理技術(shù)，具體研究內(nèi)容包括面向應(yīng)用的數(shù)據(jù)接收站的建立、圖像數(shù)據(jù)庫的建立、遙感數(shù)據(jù)共享標準化、圖像數(shù)據(jù)的輻射糾正、幾何糾正、圖像反差調(diào)整和鄰域增強等。

2 非戰(zhàn)爭軍事行動對無人機遙感提出的需求

2.1 非戰(zhàn)爭軍事行動的內(nèi)涵和特點

非戰(zhàn)爭軍事行動是美軍在冷戰(zhàn)結(jié)束后提出的一個概念，在“9·11”事件后，它的內(nèi)涵和樣式都有了新的發(fā)展，但是懾止戰(zhàn)爭、提供應(yīng)急救援仍是其核心內(nèi)容。

隨著國家安全利益內(nèi)涵的拓展，軍隊的職能也從準備和實施戰(zhàn)爭滲透到“非戰(zhàn)爭”領(lǐng)域。在國內(nèi)，最初的非戰(zhàn)爭軍事行動多用于支援地方建設(shè)和維護社會穩(wěn)定，但近年非傳統(tǒng)安全威脅大大增加，如“5.12”汶川地震、新疆暴恐事件等，其發(fā)生的具體時間、地點事前都難以確定，危害程度還很大，直接導致應(yīng)急性的非戰(zhàn)爭軍事行動越來越頻繁。同時，非戰(zhàn)爭軍事行動的參戰(zhàn)力量多元，任務(wù)在多樣化的基礎(chǔ)上有時專業(yè)性也較強。

非戰(zhàn)爭軍事行動一般是在戰(zhàn)略層面，使用軍事力量消除沖突、維護和平與穩(wěn)定而又不直接構(gòu)成戰(zhàn)爭的準軍事實踐活動。其內(nèi)容主要包括人道主義援助、維和行動、搶險救災、反恐行動、情報的收集與分享、聯(lián)合演習、撤離戰(zhàn)區(qū)非戰(zhàn)斗人員以及支援地方建設(shè)等。

由此可見，加強非戰(zhàn)爭軍事行動力量，充分發(fā)揮無人機遙感系統(tǒng)的作用，有利于提升軍隊完成多樣化軍事任務(wù)的能力，并大大提高了軍隊的應(yīng)變能力，同時降低了人員傷亡情況，具有重要而特殊的意義。

2.2 非戰(zhàn)爭軍事行動對無人機遙感的迫切需求

非戰(zhàn)爭行動對無人機遙感提出了以下三點需求:

1)快速及時的地理信息保障

地理信息保障涵蓋了整個陸地、海洋、天空直到外太空的地理空間［5］。對于戰(zhàn)爭和非戰(zhàn)爭軍事行動來說，無論是戰(zhàn)略決策還是戰(zhàn)術(shù)行動，無一不依賴于地理信息。由于某些非戰(zhàn)爭軍事行動的突發(fā)性和強破壞性，無人機遙感影像的時效性非常關(guān)鍵，第一手影像通常具有戰(zhàn)略意義。

2)靈活多樣實時動態(tài)的地理信息保障

非戰(zhàn)爭軍事行動任務(wù)具有多變性，要求無人機遙感能夠提供不同比例尺的地理數(shù)據(jù)，既可以滿足戰(zhàn)略的決策需要，也可以滿足戰(zhàn)術(shù)行動的需要。在一些具體任務(wù)中要求無人機遙感能夠傳輸視頻、圖像、文本等，從不同側(cè)面描述和表達地形信息，最大程度地滿足戰(zhàn)術(shù)指揮決策中對地理信息的要求。

3)高精度的地理信息保障

地理數(shù)據(jù)的精確性、完備性、詳細性、準確性，直接影響著非戰(zhàn)爭軍事行動的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)指揮決策，如在救災行動中，高精度的地理信息保障數(shù)據(jù)能有效地減少人員傷亡。

3 無人機遙感在非戰(zhàn)爭軍事行動中的應(yīng)用

3.1 無人機遙感在災害應(yīng)急救援中的應(yīng)用

3.1.1 無人機遙感在地震應(yīng)急救援中的應(yīng)用

2008年，四川汶川發(fā)生8.0級地震，同時伴隨著大量山體崩塌、泥石流、滑坡以及堰塞湖等次生地質(zhì)災害，主干道路嚴重破壞，救援生命線一度中斷。地震發(fā)生后，我國政府及時派出多型無人機航空遙感系統(tǒng)進入災區(qū)進行災情調(diào)查、滑坡動態(tài)監(jiān)測、房屋和道路損害情況評估、救災效果評價等，為救災及災區(qū)重建起到了無法替代的作用［6］。這也極大推進了國內(nèi)對無人機遙感應(yīng)急救援應(yīng)用的研究。

2014年，云南魯?shù)?.5級地震發(fā)生第二天，我國四旋翼無人機首次亮相，在克服震后降雨等不利因素后，經(jīng)過長達2 h的飛行，獲取了災區(qū)417幅影像，分辨率達0.2 m，圖上可清晰看出房屋的損毀程度以及道路受阻、山體塌方、水位上漲等情況。國家測繪地理信息局力爭利用無人機遙感獲取更多震后影像數(shù)據(jù)，結(jié)合已有災區(qū)震前基礎(chǔ)測繪成果，快速對災區(qū)進行災害遙感解譯和評估，影像數(shù)據(jù)和情報還被及時提供給相關(guān)部門用于抗震救災指揮決策、災情評估、災害分析等。圖2為云南魯?shù)榕诮t石巖村段震前震后對比圖，圖2a)為2011年12月拍攝的衛(wèi)星影像，分辨率0.5 m，圖2b)為2014年8月拍攝的無人機影像，分辨率0.2 m。

圖2 云南魯?shù)榕诮t石巖村段震前震后對比圖

3.1.2 無人機遙感在核泄漏事故中的應(yīng)用

2011年3月11日，日本福島第一核電站在地震引發(fā)的海嘯中發(fā)生嚴重的核泄漏事故，因為核輻射的威脅，救援人員無法進入反應(yīng)堆內(nèi)查看情況。美國軍方迅速反應(yīng)，派出全球鷹無人偵察機前往核電站上空近距離仔細觀察受損的核反應(yīng)堆，并派出搭載測輻傳感器的微型無人機，監(jiān)測和檢查福島核電站核燃料池附近的輻射水平。

2014年，日本索尼公司研發(fā)的新一代四旋翼無人飛行器，具有新穎的結(jié)構(gòu)布局和獨特的飛行方式，具有自主或遙控飛行模式，可原地垂直起降，可實現(xiàn)空中定點懸停和固定航跡飛行，通過裝載攝像設(shè)備實現(xiàn)空中監(jiān)測，視頻可直接下傳到地面站。上述優(yōu)點可以使它深入反應(yīng)堆內(nèi)部，對于核專家關(guān)心的每個細節(jié)逐一進行詳細拍攝。

3.2 無人機遙感在海域和海島動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

我國海岸線較長，海域廣泛，海島統(tǒng)計數(shù)據(jù)有待補充更新，急需從太空到地面全方位多維立體的監(jiān)測海域和海島動態(tài)使用情況，從而實現(xiàn)海洋信息綜合管理與服務(wù)。由于衛(wèi)星遙感和航空遙感受天氣和拍攝周期等因素制約，無人機遙感優(yōu)勢凸顯，它的輔助作用也越來越明顯。

利用無人機遙感，對沿海岸線圍海造地現(xiàn)狀、近海岸線資源保護及海島開發(fā)建設(shè)等情況進行實時監(jiān)視監(jiān)測;對海洋環(huán)境保護、海上船只動態(tài)、人工魚礁建設(shè)、海上養(yǎng)殖等方面進行實時監(jiān)視監(jiān)測，雖然監(jiān)視監(jiān)測范圍擴大了，但是數(shù)據(jù)精度的提高，有效減輕了人工作業(yè)強度，大大提高了工作效率。

此外，無人機遙感海上巡航搜索是未來艦載無人機的主要用途。它可以晝夜在可疑海域工作，也可臨時修正航線以滿足任務(wù)需求，實時獲取和傳輸視頻、圖像等數(shù)據(jù)，保障指揮決策高效可靠。

3.3 無人機遙感在應(yīng)急測繪中的應(yīng)用

無人機遙感技術(shù)日趨成熟，無人機攜帶的高精度相機設(shè)備具備垂直或傾斜攝影的能力，能夠低空多角度獲取建筑物表面高分辨率紋理影像，其影像分辨率達到分米級，可以建立高精度DEM模型和制作三維實景地圖，這使得它在應(yīng)急測繪及地理信息保障等方面得到廣泛應(yīng)用，取得的效果也相當令人滿意。例如，在2010年上海世博安保任務(wù)中，利用航空遙感數(shù)據(jù)生產(chǎn)的世博專題圖在安保專項任務(wù)中作用明顯。還有針對合理規(guī)劃實時交通運行方案、禁毒反恐圍捕等課題，使用低空小型無人機在小區(qū)域的專項測繪進行可行性分析，這對實時提供高精度遙感數(shù)據(jù)并且迅速展開任務(wù)規(guī)劃具有重要意義。

4 結(jié)束語

無人機遙感的應(yīng)用需求正日益增加，由于無人機可最大限度接近目標，情報信息可信度高，在高危地區(qū)探測也少有損失。無人機遙感可靈活機動地實時獲取數(shù)據(jù)，它在非戰(zhàn)爭軍事行動領(lǐng)域必將大展拳腳。未來無人機遙感在小城鎮(zhèn)建設(shè)、森林火災撲救、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、道路橋梁測量、艦載化的海島測繪以及重大活動安保等諸多領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更多積極作用。

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