無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探討

曲佳 朱峰 李琦 龐云天

摘 要：無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是集無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)于一體的一種新興技術(shù)。隨身科技的不斷進(jìn)步以及社會(huì)需求的逐漸增加，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)作為獲取遙感數(shù)據(jù)的新型手段，正在向著多元化方向發(fā)展。運(yùn)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不但可以彌補(bǔ)衛(wèi)星、航空遙感經(jīng)常因云層遮擋獲取不到影像的缺點(diǎn)，而且可以同時(shí)兼顧固定監(jiān)測(cè)站、專業(yè)調(diào)查船的工作效率與數(shù)據(jù)采集周期的瓶頸問(wèn)題。由此可見，在未來(lái)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)將會(huì)作為一支生力軍獲得更多的關(guān)注以及更為重要的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；遙感技術(shù)；海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)

廣袤的海洋蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源、礦產(chǎn)資源、生物資源、化學(xué)資源以及可再生能源。隨著各領(lǐng)域?qū)Ｑ竽茉纯辈煅芯亢烷_發(fā)利用的漸漸深入，有關(guān)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的問(wèn)題也已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)常被稱為海洋環(huán)境保護(hù)的“耳目”，是海洋環(huán)境管理的重要組成部分，在海洋環(huán)境保護(hù)事業(yè)中具有基礎(chǔ)性地位。能否做好海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作關(guān)乎到是否可以及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠、全面地反映海洋環(huán)境質(zhì)量和污染來(lái)源的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，為海洋環(huán)境保護(hù)和管理、海洋資源開發(fā)和利用提供詳實(shí)的科學(xué)依據(jù)。但是，由于我國(guó)海域遼闊、海岸線綿長(zhǎng)，海域及近岸海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)分散，僅依靠現(xiàn)有的海洋監(jiān)測(cè)臺(tái)站和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)方法不能滿足現(xiàn)階段海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求。

遙感技術(shù)作為一門在20世紀(jì)60年代才興起的嶄新學(xué)科，近年來(lái)隨著學(xué)科理論的創(chuàng)新以及科技的進(jìn)步，遙感技術(shù)依靠其自身強(qiáng)大的優(yōu)越性已然在各個(gè)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并且已經(jīng)成為各學(xué)科領(lǐng)域不可或缺的獲取實(shí)用信息的技術(shù)手段之一。而無(wú)人飛行器的問(wèn)世與迅猛發(fā)展不但拓展了遙感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，而且為遙感技術(shù)應(yīng)用的多樣性提供了新的契機(jī)。運(yùn)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境變化及生態(tài)環(huán)境狀況，正確評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量，尋求保護(hù)和改善海洋生態(tài)環(huán)境的途徑和措施，具有重要的意義。

一、無(wú)人機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

無(wú)人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）是無(wú)人駕駛飛機(jī)的簡(jiǎn)稱，其最早出現(xiàn)可以追溯到20世紀(jì)20年代，因現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需求而研發(fā)問(wèn)世。隨著電子、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，到 20 世紀(jì) 80 年代，無(wú)人機(jī)經(jīng)過(guò)了無(wú)人靶機(jī)、預(yù)編程序控制無(wú)人偵察機(jī)、指令遙控?zé)o人偵察機(jī)和復(fù)合控制多用途無(wú)人機(jī)的發(fā)展過(guò)程，技術(shù)逐漸成熟，在幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了重要的作用，得到了較為廣泛的應(yīng)用。而到 20 世紀(jì) 80 年代中后期，各國(guó)制造的無(wú)人機(jī)有近百種，其性能和成本根據(jù)無(wú)人機(jī)的主要用途也千差萬(wàn)別，其中包括微型的低空低速遙控?zé)o人機(jī)和大型的長(zhǎng)航時(shí)、高空、高速無(wú)人機(jī)等。隨著無(wú)人機(jī)研發(fā)技術(shù)的逐漸成熟以及民用領(lǐng)域需求的日益增長(zhǎng)，無(wú)人機(jī)已經(jīng)漸漸滲透到民用領(lǐng)域的各個(gè)行業(yè)。美國(guó)航空航天局也將多種無(wú)人機(jī)應(yīng)用于森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、精確農(nóng)業(yè)、海洋遙感大地磁場(chǎng)測(cè)量和風(fēng)暴測(cè)量等研究項(xiàng)目。澳大利亞也利用全球鷹搭載成像 SAR 進(jìn)行海洋監(jiān)測(cè)研究。盡管如此，無(wú)人機(jī)在民用特別是遙感領(lǐng)域的應(yīng)用仍然處于起步階段，目前并沒(méi)有形成一個(gè)成熟的產(chǎn)業(yè)。

雖然我國(guó)無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)起步較晚，但由于近年計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)的開發(fā)與研制水平也已躋身世界領(lǐng)先行列。隨著無(wú)人機(jī)研究的逐漸深入以及應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)各高等院校如南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)以及各科研院所紛紛介入了這一高新科技領(lǐng)域，研制出一批具有專業(yè)針對(duì)性的無(wú)人機(jī)樣機(jī)。伴隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)瓶頸問(wèn)題的逐一解決，不但其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展一日千里而且其行業(yè)需求也是與日俱增，目前已經(jīng)涉及的領(lǐng)域有航拍航測(cè)、農(nóng)林植保、安全執(zhí)法、偵查監(jiān)控，災(zāi)害應(yīng)急電網(wǎng)、鐵路、石油管道巡線，突發(fā)事件監(jiān)控，邊防、海事巡邏等等，但無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域絕不僅限于此，未來(lái)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用發(fā)展還可以有更多的想象空間。無(wú)人機(jī)這一新興產(chǎn)業(yè)的異軍突起不但給各領(lǐng)域注入了新的活力、提供了新的契機(jī)，也給各學(xué)科提供了新的平臺(tái)和發(fā)展空間。

二、無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

步入21世紀(jì)以來(lái)，在科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的雙重推動(dòng)下，各專業(yè)領(lǐng)域?qū)o(wú)人機(jī)和遙感技術(shù)提出了新的需求，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在這種環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生，其作為獲取遙感數(shù)據(jù)的新型手段，正在向著光譜信息成像化，雷達(dá)成像多極化，光學(xué)探測(cè)多向化，地學(xué)分析智能化，環(huán)境研究動(dòng)態(tài)化以及資源研究定量化的方向發(fā)展。這樣不但大大提高了遙感技術(shù)的實(shí)時(shí)性和運(yùn)行性，更使其向多尺度、多頻率、全天候、高精度以及高效率的目標(biāo)發(fā)展。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)較適合應(yīng)用在小范圍的高分辨率遙感數(shù)據(jù)的即時(shí)獲取方面，其在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用更廣泛，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境應(yīng)急、生態(tài)保護(hù)以及環(huán)境監(jiān)察等。下面簡(jiǎn)要介紹幾點(diǎn)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況：

（一）在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

對(duì)于內(nèi)陸水體而言，其水域面積相對(duì)較小，但污染類型多樣且水體環(huán)境復(fù)雜，目前針對(duì)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在內(nèi)陸水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究相對(duì)較少，主要仍是利用無(wú)人機(jī)環(huán)境遙感技術(shù)從宏觀上觀測(cè)水質(zhì)狀況，實(shí)時(shí)追蹤和監(jiān)測(cè)突發(fā)環(huán)境污染事件的發(fā)展，而在近岸海洋中的應(yīng)用相對(duì)較為成熟，如2012年使用華南理工大學(xué)自主研發(fā)的中國(guó)首架海監(jiān)無(wú)人直升機(jī)執(zhí)行近海的海洋執(zhí)法監(jiān)察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)等任務(wù)；廣東中科院上海技術(shù)物理研究所將小型多光譜成像儀搭載在無(wú)人機(jī)SE-1（海洋探索1號(hào)）平臺(tái)上，使其成為一種靈活機(jī)動(dòng)的海洋監(jiān)測(cè)工具，可用于海洋污染、赤潮發(fā)現(xiàn)、原油泄漏等重大事件的監(jiān)測(cè)；而在國(guó)際上許多國(guó)家都在運(yùn)用無(wú)人機(jī)來(lái)進(jìn)行海洋溢油及海洋環(huán)境因素（海洋表面溫度、冰的厚度、海浪高度）等一系列環(huán)境問(wèn)題的監(jiān)測(cè)。

（二）在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)技術(shù)在近幾年的大氣污染物研究中逐漸嶄露頭角，目前主要通過(guò)監(jiān)測(cè)臭氧、粒子濃度、溫度、濕度、NO2和壓力等指標(biāo)來(lái)完成簡(jiǎn)單的大氣環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)。中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所設(shè)計(jì)的微型無(wú)人機(jī)，搭載新型的臭氧傳感器和粒子（數(shù)濃度或質(zhì)量濃度）探測(cè)儀以及溫度濕度傳感器進(jìn)行探空試驗(yàn)，獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)合理可信，試驗(yàn)證明，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用是切實(shí)可行的；而中科院安徽光機(jī)所利用該無(wú)人飛機(jī)平臺(tái)，搭載自主研發(fā)的大氣污染差分吸收光譜探測(cè)系統(tǒng)，成功獲取大氣污染成分NO2等的二維時(shí)空分布。反觀國(guó)外氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備研究的技術(shù)一直走在前列，國(guó)外諸國(guó)已經(jīng)開始進(jìn)行多無(wú)人機(jī)協(xié)同監(jiān)測(cè)大氣污染物的研究，多無(wú)人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中獲取的傳感器數(shù)據(jù)，利用相關(guān)地圖建模算法建立污染氣體的分布地圖，進(jìn)而獲取系統(tǒng)監(jiān)測(cè)污染氣團(tuán)的環(huán)境信息，為任務(wù)分配和路徑規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（三）在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用

近年來(lái)應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)主要集中在災(zāi)害監(jiān)測(cè)、森林資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境等方面，而應(yīng)用方式通常是利用數(shù)碼相機(jī)或光譜類設(shè)備來(lái)獲取遙感數(shù)字影像資料，然后通過(guò)數(shù)據(jù)的拼接、鑲嵌和后處理，從而實(shí)現(xiàn)宏觀環(huán)境監(jiān)測(cè)或大范圍監(jiān)測(cè)指標(biāo)的提取。如遼寧環(huán)境與航空應(yīng)用工程中心采用無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)對(duì)遼河流域現(xiàn)狀進(jìn)行航拍和遙感監(jiān)測(cè)，獲取了高分辨率影像資料。并以此為依據(jù)對(duì)遼河生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)，其不但可以從宏觀上觀測(cè)空氣、植被、土壤和水質(zhì)的狀況，而且還可以實(shí)時(shí)快速地跟蹤和監(jiān)測(cè)突然環(huán)境污染事件的發(fā)展情況，及時(shí)根據(jù)最新狀況制定出有針對(duì)性的處理應(yīng)對(duì)措施，進(jìn)而來(lái)達(dá)到控制污染發(fā)展和減少損失的目的。

三、現(xiàn)有海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)手段及其不足

目前對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的手段繁多，所采用的新技術(shù)、新設(shè)備也是日新月異，但從獲取數(shù)據(jù)資料的采集方式來(lái)看，無(wú)外乎歸為宏觀全局觀測(cè)和定點(diǎn)局部觀測(cè)兩大類。宏觀全局觀測(cè)通常采用衛(wèi)星、航空或航天平臺(tái)，搭載各類專業(yè)傳感器采集所需的各種高分辨率數(shù)據(jù)資料，然后利用各種算法及數(shù)據(jù)模型反演整個(gè)海域甚至全球的海域的環(huán)境變化情況。為海洋新能源的勘探、海岸帶基礎(chǔ)建設(shè)以及深海礦藏開采提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)服務(wù)。其優(yōu)勢(shì)在于采集數(shù)據(jù)的范圍廣、效率高、周期快，但同樣它的缺點(diǎn)也是十分明顯的，在針對(duì)小區(qū)塊進(jìn)行精細(xì)化數(shù)據(jù)采集時(shí)，這類方法則顯得無(wú)能為力。而定點(diǎn)局部觀測(cè)則是恰恰相反，其通過(guò)固定的觀測(cè)站或?qū)I(yè)調(diào)查船對(duì)局部海域進(jìn)行反復(fù)、精細(xì)數(shù)據(jù)采集，雖然獲取數(shù)據(jù)的精度高、針對(duì)性強(qiáng)，但是效率低，采集周期長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)更新海洋環(huán)境變化狀況。特別是在海洋新能源試開采階段，開采前后需要對(duì)周邊海域進(jìn)行環(huán)境評(píng)估與評(píng)價(jià)，而調(diào)查船在進(jìn)行區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)無(wú)法兼顧區(qū)域范圍、采集效率及更新周期等問(wèn)題。因此，需要一種新的環(huán)境監(jiān)測(cè)手段，不但可以取兩者之長(zhǎng)，而且可以補(bǔ)兩者之短。

四、無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景

在進(jìn)行海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)使用無(wú)人機(jī)，其優(yōu)勢(shì)顯著且應(yīng)用價(jià)值較高。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)不但彌補(bǔ)了衛(wèi)星、航空遙感經(jīng)常因云層遮擋獲取不到影像的缺點(diǎn)，同時(shí)解決了傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感重訪周期過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)急不及時(shí)等問(wèn)題；而且在拓展了固定觀測(cè)站、專業(yè)調(diào)查船監(jiān)測(cè)區(qū)域的同時(shí)，還有效地解決了工作效率與數(shù)據(jù)采集周期的瓶頸問(wèn)題，由此可見，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)將是兩類傳統(tǒng)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)手段的重要補(bǔ)充。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是兩項(xiàng)新興技術(shù)的優(yōu)勢(shì)組合，不但拓展了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，更是為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了新的手段。未來(lái)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)將徹底告別單一模式的衛(wèi)星、航空遙感觀測(cè)或是固定觀測(cè)站、專業(yè)調(diào)查船的點(diǎn)、線觀測(cè)模式，而是與無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)相結(jié)合真正做到?？找惑w、全海域、高精度、高實(shí)效的綜合觀測(cè)模式。對(duì)于遠(yuǎn)離近岸及島嶼的遠(yuǎn)海環(huán)境監(jiān)測(cè)，則可以采用專業(yè)調(diào)查船配備無(wú)人機(jī)，實(shí)行單船單機(jī)、單船多機(jī)甚至是多船多機(jī)的工作模式，將傳統(tǒng)的測(cè)線調(diào)查拓展為測(cè)面調(diào)查，不僅確保了采集數(shù)據(jù)的高精度要求，同時(shí)兼顧了海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)作業(yè)的時(shí)效性。因此，在未來(lái)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)將會(huì)作為一支生力軍獲得更多的關(guān)注以及更為重要的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 周張琪.淺談無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)在國(guó)土資源行業(yè)中的應(yīng)用[J].浙江國(guó)土資源，2012（06）：47-48.

[2] PetervanBLYENBURGH.UAVs：anOverview.AIR&SPACEEUROPE[J].1999，1（05）：43-47.

[3] Luke Wallace， Arko Lucieer.Christopher Watson Development of a UAV-LIDAR System with Application to Forest Inventory [J].Remote Sensing 2012（04）：1519-1543.

[4] 朱京海，徐光，劉家斌等.無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2011（09）：45-48.

[5] 李紫薇，曹紅杰，劉煜彤等.無(wú)人機(jī)海監(jiān)測(cè)繪遙感系統(tǒng)的應(yīng)用前景[J].遙感信息，1998（04）：32-33.

[6] 王斌永，舒嶸，賈建軍等.無(wú)人機(jī)載小型多光譜成像儀的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)與光電術(shù)，2004（02）：18-20.

[7] 大氣物理研究所.大氣所微型無(wú)人機(jī)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)飛行探測(cè)試驗(yàn)獲成功[J].中國(guó)西部科技，2008，7（35）：35-36.

[8] 中科院安徽光機(jī)所.無(wú)人機(jī)大氣污染成份探測(cè)載荷試驗(yàn)成功[J].安徽科技，2009（03）：32.

[9] 劉家斌.我省首次采用無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)對(duì)遼河治理現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)[EB/OL].2012（01）.