無人機(jī)遙感系統(tǒng)海洋監(jiān)管應(yīng)用

● 文|天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司 張拯寧 李器宇

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無人機(jī)遙感系統(tǒng)海洋監(jiān)管應(yīng)用

● 文|天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司 張拯寧 李器宇

我國(guó)作為海洋大國(guó)，海域遼闊、海島眾多、資源豐富。近年來，隨著海洋開發(fā)力度的不斷加大，用海需求日益增多，用海矛盾也日益突出，且領(lǐng)海爭(zhēng)議和海洋侵權(quán)問題時(shí)有發(fā)生，因此急需探索全天候、高精度、智能化海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)手段，加強(qiáng)海洋綜合監(jiān)控管理能力，維護(hù)海洋生態(tài)平衡和資源合理開發(fā)利用，維護(hù)國(guó)家領(lǐng)海主權(quán)和海洋權(quán)益。

對(duì)于如何提高海域管控能力，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了積極探索，目前常用的海洋監(jiān)測(cè)手段主要有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、衛(wèi)星遙感和載人航空遙感。但這些傳統(tǒng)監(jiān)視手段在實(shí)際應(yīng)用中均存在著一些不足，如現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視監(jiān)測(cè)野外工作量大，人力成本高，作業(yè)范圍有限且效率低下；遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控則存在拍攝范圍較小且視頻精度不高等問題；衛(wèi)星遙感影像獲取周期長(zhǎng)，分辨率不高，易受天氣影像，存在較大的局限性和延時(shí)。有人機(jī)航空遙感可更好地滿足高精度高分辨率監(jiān)測(cè)需求，但是在飛行安全、航空交通管制、人員要求、氣候條件、飛行路線和作業(yè)費(fèi)用方面都存在很多限制。無人機(jī)作為一種新型海洋監(jiān)測(cè)手段，是對(duì)現(xiàn)有手段的重要補(bǔ)充，具備機(jī)動(dòng)靈活、運(yùn)行成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以及時(shí)快速獲取高分辨率影像和高精度定位數(shù)據(jù)，完成高污染、高強(qiáng)度和高風(fēng)險(xiǎn)海洋監(jiān)測(cè)任務(wù)，可有效提升我國(guó)海洋綜合監(jiān)控能力。

一、國(guó)內(nèi)外海洋無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，世界海洋大國(guó)都已經(jīng)將無人機(jī)作為海洋監(jiān)管的重要技術(shù)手段之一。美國(guó)作為世界第一海洋強(qiáng)國(guó)，于2002年提出了海岸警備隊(duì)“深水計(jì)劃”，通過采購(gòu)包括各型無人機(jī)等各種裝備與系統(tǒng)，提高應(yīng)對(duì)海上威脅的能力，保護(hù)美國(guó)國(guó)家海上利益[1]。

目前美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)根據(jù)近海和中遠(yuǎn)海不同監(jiān)測(cè)范圍、常規(guī)巡查和應(yīng)急監(jiān)測(cè)等不同應(yīng)用場(chǎng)景，統(tǒng)一規(guī)劃了岸基和船基兩大類無人機(jī)系統(tǒng)，計(jì)劃采用3種機(jī)型、部署76架海域監(jiān)測(cè)無人機(jī)，開展海上專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)海域島礁和養(yǎng)殖區(qū)空中影像采集、船舶與浮標(biāo)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集、應(yīng)急條件下無人機(jī)進(jìn)行海上石油平臺(tái)溢油監(jiān)測(cè)和海上搜救等。其中捕食者B型大型無人機(jī)作為岸基無人機(jī)用于美國(guó)全海域長(zhǎng)航時(shí)大范圍空中監(jiān)測(cè)，續(xù)航時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)24小時(shí)，可實(shí)現(xiàn)海岸警衛(wèi)隊(duì)的監(jiān)控覆蓋范圍從海岸帶擴(kuò)展至中遠(yuǎn)海域?；鹆刹毂鵁o人機(jī)作為船載起降的船基無人機(jī)，能與海上監(jiān)測(cè)和救援船協(xié)同使用，在任務(wù)區(qū)域及時(shí)升空，完成航空影像采集、應(yīng)急搜救等工作。

除美國(guó)外，歐洲海上安全局與歐洲航天局共同利用AR5“生命射線”無人機(jī)進(jìn)行海上監(jiān)視系統(tǒng)試驗(yàn)。試驗(yàn)預(yù)計(jì)為期兩年。第一年將進(jìn)行傳感器集成，研制機(jī)載傳感器以及數(shù)據(jù)傳輸能力優(yōu)化等工作；第二年將在大西洋和地中海等不同的場(chǎng)景下驗(yàn)證AR5無人機(jī)執(zhí)行海上搜救、油污監(jiān)測(cè)等任務(wù)的能力。

國(guó)內(nèi)“863”計(jì)劃在“十五”期間就設(shè)立了“無人機(jī)海洋遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)”課題，開展無人機(jī)海洋遙感監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究。近年來隨著無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)能力的提高，以及海洋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)需求，無人機(jī)在我國(guó)海洋遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用中進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。國(guó)家海洋局、中華人民共和國(guó)海事局、農(nóng)業(yè)部漁業(yè)漁政管理局等海洋職能部門均在著手部署無人機(jī)海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)試點(diǎn)工作，2012年1月，國(guó)家海洋局正式印發(fā)了《關(guān)于開展海域無人機(jī)遙感監(jiān)視監(jiān)測(cè)試點(diǎn)工作的通知》，通過引入靈活性和應(yīng)急監(jiān)測(cè)能力更強(qiáng)的無人機(jī)系統(tǒng)作為傳統(tǒng)海洋監(jiān)測(cè)手段的有效補(bǔ)充。國(guó)家海洋局規(guī)劃在全國(guó)11個(gè)沿海?。▍^(qū)、市）各建設(shè)一個(gè)無人機(jī)基地，每個(gè)基地至少配備一架無人機(jī)，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)省內(nèi)管轄的海域[2]。江蘇省作為建設(shè)成果顯著的地區(qū)，自2012年起使用無人機(jī)對(duì)連云港、南通、如東等地海域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，輔助海域空間資源管理、海域開發(fā)利用、海域應(yīng)急監(jiān)管等工作[3]。福建等地也開展無人機(jī)海域監(jiān)管應(yīng)用的探索[4]。

二、海洋監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及無人機(jī)應(yīng)用需求

當(dāng)前我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)管理工作主要集中在海洋資源環(huán)境監(jiān)測(cè)、海域動(dòng)態(tài)監(jiān)管、海洋維權(quán)執(zhí)法、海洋突發(fā)情況應(yīng)急響應(yīng)等方面。

1. 海洋資源環(huán)境監(jiān)測(cè)

我國(guó)周邊海域具有豐富的海島資源、海洋漁業(yè)資源、海洋油氣資源，但近年來屢屢遭到各方侵占和破壞。為保護(hù)海洋資源環(huán)境，維護(hù)國(guó)家合法權(quán)益，國(guó)家加大了對(duì)重點(diǎn)海域的海監(jiān)船巡邏力度。但是受海監(jiān)船自身?xiàng)l件限制，仍存在監(jiān)測(cè)范圍有限、遇突發(fā)事件響應(yīng)不及時(shí)等問題。

海洋資源環(huán)境監(jiān)測(cè)無人機(jī)應(yīng)用需求：無人機(jī)具有飛行速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)面積大等特點(diǎn)，能第一時(shí)間獲取資源變化數(shù)據(jù)，在海洋資源監(jiān)測(cè)由傳統(tǒng)地獲取資源的數(shù)量、位置方面向資源的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)方向發(fā)展的大趨勢(shì)下，可以快速發(fā)現(xiàn)并計(jì)算海上溢油區(qū)域面積，監(jiān)測(cè)海冰分布，為海上運(yùn)輸和海洋工程提供及時(shí)預(yù)報(bào)，與現(xiàn)有的海監(jiān)船等巡視手段有效配合，更高效地完成海洋資源環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)。

2. 海洋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與執(zhí)法

我國(guó)海洋面積十分廣闊，隨著用海需求和海洋工程的持續(xù)增長(zhǎng)，違規(guī)圍填海、盜采海沙、違法打撈、養(yǎng)殖區(qū)侵占港口與航道等海上違法活動(dòng)嚴(yán)重?fù)p害了正常的海洋開發(fā)秩序，監(jiān)管安全執(zhí)法形式日趨嚴(yán)峻。目前地面監(jiān)測(cè)和巡邏船監(jiān)測(cè)相結(jié)合的模式一方面難以滿足大范圍海洋監(jiān)測(cè)的發(fā)展要求；另一方面執(zhí)法反應(yīng)能力不足，面對(duì)違規(guī)違法用海、捕撈等取證困難，不足以有效震懾海上違法行為。

3. 海洋突發(fā)情況應(yīng)急響應(yīng)

當(dāng)前由于海上自然災(zāi)害、海上人類活動(dòng)等多種原因造成的海洋突發(fā)事故日益頻繁。一方面，針對(duì)海上應(yīng)急搜救工作，傳統(tǒng)海上救援力量應(yīng)急響應(yīng)速度不足，搜救范圍有限，導(dǎo)致海上救援難度增大，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段難以在事故發(fā)生及救援期間第一時(shí)間到達(dá)救援現(xiàn)場(chǎng)，救援現(xiàn)場(chǎng)的情況與指揮中心之間也無法建立高效的通信連接；另一方面，針對(duì)海洋災(zāi)害災(zāi)情響應(yīng)工作，尤其是對(duì)于海上油輪泄漏、鉆井平臺(tái)破損等對(duì)于海洋環(huán)境造成重大破壞的事故，海洋有關(guān)部門迫切需要迅速了解和掌握現(xiàn)場(chǎng)事故發(fā)展情況。此種情形下，船舶監(jiān)測(cè)等手段響應(yīng)速度慢，監(jiān)測(cè)視野小，不能迅速了解災(zāi)情全貌；而衛(wèi)星監(jiān)測(cè)也存在時(shí)效性差、分辨率低等問題。

綜合分析以上三類應(yīng)用場(chǎng)景，當(dāng)前海洋工作中以岸基觀察、海上艦艇、海洋傳感器、衛(wèi)星遙感為代表的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段已經(jīng)無法滿足當(dāng)前范圍大、響應(yīng)快、效率高的工作需求，有人機(jī)遙感受管理機(jī)制、應(yīng)用成本等方面的制約尚未得到全面普及應(yīng)用。相比之下，無人機(jī)遙感系統(tǒng)機(jī)動(dòng)靈活性好、響應(yīng)速度快、監(jiān)測(cè)范圍大，在大范圍海域監(jiān)測(cè)、中遠(yuǎn)海監(jiān)測(cè)、海上應(yīng)急監(jiān)測(cè)等方面具有良好的應(yīng)用潛力。

三、無人機(jī)遙感系統(tǒng)海上監(jiān)管典型應(yīng)用模式

目前無人機(jī)根據(jù)機(jī)型不同可劃分為固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、多旋翼無人機(jī)[5]。

☆　固定翼無人機(jī)

☆　無人直升機(jī)

☆　多旋翼無人機(jī)

固定翼無人機(jī)具備載荷能力大、平飛速度快、實(shí)用升限高等特點(diǎn)，根據(jù)動(dòng)力類型不同包括油動(dòng)固定翼與電動(dòng)固定翼；但是固定翼無人機(jī)對(duì)起降場(chǎng)地要求高，一般需要起降跑道，如傘降則對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力要求較高，且有最低飛行速度要求，詳細(xì)監(jiān)測(cè)、持續(xù)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)能力較弱。無人直升機(jī)可實(shí)現(xiàn)垂直起降，對(duì)起降場(chǎng)地要求較低，飛行較為靈活，可在監(jiān)測(cè)區(qū)域上空懸停，對(duì)指定區(qū)域持續(xù)詳細(xì)監(jiān)測(cè)。但是無人直升機(jī)平飛速度、載荷能力、抗風(fēng)能力相對(duì)固定翼無人機(jī)較低。多旋翼無人機(jī)一般采用高能電池供電，設(shè)備體積小巧、操作簡(jiǎn)便、對(duì)于起降場(chǎng)地要求簡(jiǎn)單，是適應(yīng)性最強(qiáng)的機(jī)型；但受機(jī)身尺寸與電池性能所限，多旋翼無人機(jī)載荷能力差、續(xù)航時(shí)間短、作業(yè)半徑有限（見表1）。

海洋監(jiān)管作業(yè)中根據(jù)應(yīng)用環(huán)境不同，主要分為近海監(jiān)測(cè)、中遠(yuǎn)海監(jiān)測(cè)與海上應(yīng)急監(jiān)測(cè)，各應(yīng)急場(chǎng)景對(duì)于無人機(jī)類型具有不同的需求。

（1）近海無人機(jī)監(jiān)測(cè)

近海監(jiān)測(cè)主要對(duì)海岸帶及沿岸海域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于測(cè)區(qū)靠近陸地，作業(yè)半徑較小、作業(yè)時(shí)長(zhǎng)較短的小型無人機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋。因此選用小型無人機(jī)可在充分發(fā)揮其飛行靈活、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)下完成作業(yè)任務(wù)。

表1　三種無人機(jī)性能對(duì)比

在近海監(jiān)測(cè)中，小型固定翼無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)小范圍目標(biāo)海域環(huán)境監(jiān)測(cè)，以及對(duì)圍填海、養(yǎng)殖、海岸帶建設(shè)等各類海域使用情況常規(guī)調(diào)查。對(duì)于局部重點(diǎn)目標(biāo)監(jiān)測(cè)，如沿海工廠調(diào)查、違法排污取證等任務(wù)，可選用多旋翼無人機(jī)。在執(zhí)行沿海化工廠、儲(chǔ)油罐等高危敏感區(qū)域的常規(guī)監(jiān)測(cè)，或涉及化學(xué)品泄漏存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)的突發(fā)情況應(yīng)急監(jiān)測(cè)時(shí)，需要選用電動(dòng)固定翼無人機(jī)或電動(dòng)多旋翼無人機(jī)，消除無人機(jī)因意外墜落造成的油箱爆炸的安全隱患。

（2）中遠(yuǎn)海無人機(jī)監(jiān)測(cè)

中遠(yuǎn)海監(jiān)測(cè)由于測(cè)區(qū)遠(yuǎn)離陸地，需要選用長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。中小型長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)在飛行過程中可采用自主飛行模式，根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的航線自動(dòng)飛行，一定程度上克服地球曲率對(duì)無人機(jī)通信半徑的約束。大型固定翼無人機(jī)可采用衛(wèi)星通信，實(shí)現(xiàn)飛行中的全程實(shí)時(shí)通信，但其所需的保障隊(duì)伍龐大、起降場(chǎng)地要求高。

（3）海上應(yīng)急監(jiān)測(cè)

面對(duì)海上人員搜救、海上事故監(jiān)測(cè)、海上執(zhí)法等海上應(yīng)急任務(wù)，由于岸基起降無人機(jī)響應(yīng)速度慢，可在執(zhí)法船只配備具備船載起降能力的無人機(jī)，在抵達(dá)目標(biāo)海域后釋放無人機(jī)，根據(jù)海上情況快速監(jiān)測(cè)、靈活作業(yè)。固定翼無人機(jī)受起降方式所限，不適合艦載應(yīng)用；多旋翼無人機(jī)體積小巧、操作簡(jiǎn)便、起降靈活，可在輕微起伏的船只安全上安全起降，適合在各型船只應(yīng)用；無人機(jī)直升機(jī)具備垂直起降能力，但對(duì)于起降場(chǎng)地空間要求明顯大于多旋翼無人機(jī)，因此無人直升機(jī)適合在具備起降甲板的大型執(zhí)法船只上應(yīng)用。

四、天空地海一體化海洋綜合監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)想

經(jīng)過海洋管理部門經(jīng)過多年建設(shè)，我國(guó)海洋監(jiān)管技術(shù)裝備水平得到全面提升，包括岸基移動(dòng)監(jiān)測(cè)車、海上執(zhí)法船只等多種監(jiān)測(cè)手段，地面光纖專線、無線3G/4G通信、車載衛(wèi)星通信、船載衛(wèi)星通信等多種通信手段，海洋監(jiān)管業(yè)務(wù)管理平臺(tái)等指揮調(diào)度手段逐步進(jìn)入業(yè)務(wù)化應(yīng)用。隨著無人機(jī)遙感系統(tǒng)在海洋監(jiān)管中全面推廣應(yīng)用，將無人機(jī)與其他技術(shù)裝備充分融合應(yīng)用是未來海洋監(jiān)管工作的必然選擇。在近海監(jiān)測(cè)中，無人機(jī)可將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈傳回岸基移動(dòng)監(jiān)測(cè)車，根據(jù)作業(yè)地點(diǎn)的通信條件，選用地面光纖專線、無線3G/4G通信或車載衛(wèi)星通信將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回后方指揮中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)情況的快速分析、輔助指揮決策。在中遠(yuǎn)海監(jiān)測(cè)與海上應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，無人機(jī)可將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回到海上執(zhí)法船只，利用船載衛(wèi)星設(shè)備實(shí)現(xiàn)與后方通信。

☆　天空地海一體化海洋綜合監(jiān)管系統(tǒng)概念構(gòu)想

五、結(jié)束語(yǔ)

無人機(jī)遙感系統(tǒng)作為一種高效、靈活的技術(shù)裝備在海洋監(jiān)管領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，能夠滿足多種不同場(chǎng)景的監(jiān)測(cè)作業(yè)需求。隨著技術(shù)水平的不斷成熟，無人機(jī)遙感系統(tǒng)將與海洋監(jiān)管中的其他各種監(jiān)測(cè)、通信、指揮調(diào)度手段相融合應(yīng)用，最終形成具備多源綜合監(jiān)測(cè)、多模實(shí)時(shí)通信、多地協(xié)同指控的天空地海一體化海洋綜合監(jiān)管系統(tǒng)，服務(wù)于我國(guó)海洋事業(yè)發(fā)展。

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