平流層飛艇對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)在遙感領(lǐng)域中的應(yīng)用

郭雙仁 唐芝青

摘 ?要 ?本文首先介紹了遙感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及遙感平臺(tái)的分類，引出了平流層飛艇的概念、特點(diǎn)和重要性。然后，對(duì)比闡述了國(guó)內(nèi)外平流層飛艇在遙感領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了其相對(duì)優(yōu)勢(shì)，列出了部分應(yīng)用案例。最后總結(jié)全文，展望了平流層飛艇技術(shù)發(fā)展的未來。

關(guān)鍵詞 ?遙感;平流層飛艇;對(duì)地觀測(cè)

中圖分類號(hào)：V274 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper firstly introduces the classification and application fields of remote sensing and remote sensing platform， introduces the concept， characteristics and importance of stratospheric airship. Then， contrast expounds current situation at home and abroad in the field of remote sensing of stratospheric airship， and analyzes its key techniques， advantages， Finally， a summary， prospect of stratospheric airship technology development in the future.

Keywords： Remote sensing; Stratosphericairship; The earth observation

0 ? 引言

平流層飛艇是一種依靠空氣浮力駐空，以太陽(yáng)能為能源動(dòng)力，并保有推進(jìn)系統(tǒng)的浮空器，它具有可垂直起降、能懸停于任意地理位置上空、運(yùn)行高度超出空管范圍、不受對(duì)流層惡劣天氣影響、可全天侯、全天時(shí)連續(xù)工作的特點(diǎn)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，平流層飛艇非常適合長(zhǎng)期駐空對(duì)地觀測(cè)，獲取遙感數(shù)據(jù)，應(yīng)用廣泛，對(duì)推動(dòng)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展、統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展，推進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)、加強(qiáng)能源資源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境保護(hù)、增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力、優(yōu)化國(guó)土開發(fā)格局和保護(hù)國(guó)土安全有著極其重要的作用。

1 ?平流層飛艇發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

由于平流層飛艇在對(duì)地觀測(cè)應(yīng)用上與生以來的優(yōu)勢(shì)，以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家早在上世紀(jì)80年代初就開展了平流層飛艇平臺(tái)民用的技術(shù)可行性論證及模擬試驗(yàn)。然而，由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，平流層飛艇平臺(tái)的實(shí)質(zhì)性推廣應(yīng)用仍然不具備可靠條件。得力于科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，進(jìn)入90年代后，平流層飛艇的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)取得了實(shí)質(zhì)性突破，使平流層飛艇的軍民應(yīng)用成為可能。近年來，美、英、德、日等國(guó)都積極投入巨資進(jìn)行研發(fā)，搶奪先機(jī)。美國(guó)非常重視平流層飛艇技術(shù)發(fā)展及軍用，明確將平流層飛艇發(fā)展計(jì)劃納入其軍事行動(dòng)快速響應(yīng)空間規(guī)劃和聯(lián)合作戰(zhàn)空間規(guī)劃之中，同時(shí)投入巨資進(jìn)行平流層飛艇項(xiàng)目的研究，以滿足軍方目前對(duì)平流層飛艇的迫切需求，諸多項(xiàng)目中僅“美國(guó)高空飛艇”項(xiàng)目投資已超過2億美金[1]。日本、俄羅斯1992年成立阿夫古力浮空器中心，正在實(shí)施“金雕”平流層飛艇計(jì)劃方案， 可部分代替靜止衛(wèi)星，用于通信、觀測(cè)和其他軍事目的。日本自1998年開始平流層飛艇研究，計(jì)劃使用15個(gè)平流層平臺(tái)覆蓋全部國(guó)土面積[2];韓國(guó)自2000年開始實(shí)施分三步走的平流層飛艇發(fā)展計(jì)劃;以色列計(jì)劃于1998年開始研究偵察飛艇;英國(guó)ATG 公司2002年開始實(shí)施“天貓（SkyCat）”高空無人飛艇計(jì)劃，并正與馬來西亞合作研制平流層目標(biāo)艇。德國(guó)Sanswire TAO 公司與斯圖加特大學(xué)合作研制Airworm和Airchain鏈?zhǔn)蕉鄽饽移搅鲗语w艇。

就我國(guó)而言，目前已有少數(shù)有政府背景的測(cè)繪研究院所、高?？蒲性盒Ｖ匾暺搅鲗语w艇的科學(xué)研究和試驗(yàn)，如上海交通大學(xué)研制的“致遠(yuǎn)一號(hào)”平流層飛艇于2009年11月8 日試驗(yàn)飛行成功，具有重要意義。中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院和武漢大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早應(yīng)用遙感飛艇平臺(tái)開展低空攝影測(cè)量地形圖測(cè)繪的。2008年，彭曉東等針對(duì)航空攝影測(cè)量的要求，改進(jìn)設(shè)計(jì)制造而成了FKC-1 無人飛艇平臺(tái)，并專門開發(fā)了解決無人飛艇所獲取的高重疊度、大旋轉(zhuǎn)角的立體影像，大數(shù)據(jù)量等問題的空中三角測(cè)量軟件，基本實(shí)現(xiàn)無人飛艇影像空中三角測(cè)量的自動(dòng)處理。2012年，華南理工大學(xué)任鵬等利用自制的小型遙控飛艇搭載數(shù)碼相機(jī)和紅外成像設(shè)備，在廣州大學(xué)城飛行，獲取了近2355 m×2081 m的正射影像。2007年，中國(guó)電子科技集團(tuán)38所在安徽省六安市試驗(yàn)場(chǎng)利用BWT-300飛艇搭載自研的SAR 設(shè)備，開展了高分辨率寬幅成像模式、GMTI模式、InSAR 模式、方位向擺掃成像模式試驗(yàn)，獲取大量低空遙感數(shù)據(jù)[3]。然而總體而言我國(guó)平流層飛艇技術(shù)仍處在研究和演示驗(yàn)證階段，未完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，與已經(jīng)基本完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)并正準(zhǔn)備高度仿真試驗(yàn)的西方國(guó)家相比，存在較大差距。

2 ?平流層飛艇遙感應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

相對(duì)衛(wèi)星遙感平臺(tái)，平流層飛艇機(jī)動(dòng)性更好、成本更低、影像清晰度更高、對(duì)固定區(qū)域的連續(xù)觀測(cè)時(shí)間更長(zhǎng)，易于更新和維護(hù)。相對(duì)對(duì)流層遙感平臺(tái)，平流層飛艇則觀測(cè)覆蓋面積更大、動(dòng)力更環(huán)保、滯空時(shí)間更長(zhǎng)、安全性也更高。細(xì)節(jié)對(duì)比如表1所示：

3 ?平流層飛艇遙感應(yīng)用舉例

平流層飛艇可廣泛應(yīng)用于自然資源觀測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)、防災(zāi)減災(zāi)、精細(xì)農(nóng)業(yè)、水利監(jiān)測(cè)、大地測(cè)繪、城市規(guī)劃與管理等領(lǐng)域，在此列舉部分應(yīng)用案例。

3.1 在生態(tài)環(huán)保監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2014年起，青海湖管理部門利用平流層飛艇對(duì)青海湖區(qū)域進(jìn)行了草場(chǎng)長(zhǎng)勢(shì)、牧草營(yíng)養(yǎng)量、種類、載畜量等信息的對(duì)地觀測(cè)，為制訂科學(xué)放牧路線提供了技術(shù)參考。平流層飛艇獨(dú)具穩(wěn)定性和可控性，觀測(cè)精度可達(dá)3cm，使用艇身所帶的紅外光譜、可見高光譜、大面積高清相機(jī)、高清視頻、低清視頻、多光譜六種載荷經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后，可以得到觀測(cè)地區(qū)的草場(chǎng)長(zhǎng)勢(shì)、牧草營(yíng)養(yǎng)量、種類、載畜量等信息，輔助放牧路線規(guī)劃，如圖1所示。

3.2在交通監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

智慧交通需要信息技術(shù)手段為支撐，通過平流層飛艇上的高分辨率雷達(dá)、光學(xué)和紅外傳感器等遙感系統(tǒng)，可增強(qiáng)交通監(jiān)測(cè)的效率，特別是采用移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)技術(shù)（MTI）雷達(dá)技術(shù)非常適用于交通管理確定目標(biāo)移動(dòng)速度，平流層飛艇可全天時(shí)全天候工作，可為智能交通中的流量監(jiān)測(cè)、目標(biāo)車輛類型識(shí)別等提供輔助技術(shù)手段。

3.3 安全領(lǐng)域的應(yīng)用

在邊境監(jiān)測(cè)方面，對(duì)邊陲、開放水域、海岸線、水下、航空港、海關(guān)、貨物處理區(qū)域的常態(tài)化監(jiān)測(cè)非常有必要，需采用平流層飛艇搭載的雷達(dá)、輻射計(jì)、超光譜、多光譜和紅外傳感器，能有效獲取大型觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的多期高清影像。任務(wù)特點(diǎn)：持續(xù)時(shí)長(zhǎng)超過一年，需要近實(shí)時(shí)觀測(cè)，為保證安全需持續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)區(qū)域大，高分辨率傳感器（<0.5m）可探測(cè)人員和物品。

在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)方面，保護(hù)油、氣、水、交通、通信等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等非常重要，對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行實(shí)施觀測(cè)，防止人為破壞。任務(wù)特點(diǎn)：持續(xù)時(shí)長(zhǎng)超過一年，近實(shí)時(shí)持續(xù)觀測(cè)，對(duì)可能的威脅快速反應(yīng)，分辨率<1m，觀測(cè)區(qū)域大，平流層飛艇非常適合應(yīng)用。

在危機(jī)與災(zāi)害管理方面，包括重大火災(zāi)監(jiān)視、洪水監(jiān)測(cè)、自然災(zāi)害救援活動(dòng)、工業(yè)事故監(jiān)視等。平流層飛艇可提供以下能力：監(jiān)測(cè)武器，爆炸物等危險(xiǎn)品，第一時(shí)間為安全部隊(duì)確定事發(fā)位置。

4 ? 平流層飛艇遙感應(yīng)用展望

平流層飛艇高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)具有成本低、高精度、全天候、機(jī)動(dòng)性好、易于更新和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在遙感領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛?，將?duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、國(guó)防、科技進(jìn)步、農(nóng)業(yè)、災(zāi)害防治、資源環(huán)境、公共安全等重大領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn)，是未來各國(guó)必爭(zhēng)的技術(shù)高地，具有很好的發(fā)展前景。如果我們能高度重視，抓住機(jī)遇，大力攻克包括平流層飛艇專用的新型遙感影像獲取設(shè)備，提高透云霧能力，研發(fā)針對(duì)地面目標(biāo)慢速運(yùn)動(dòng)或靜止情況下高質(zhì)量成像的新體制雷達(dá)等技術(shù)，服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)科學(xué)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)/References

[1] 段洣毅，陳付幸.平流層飛艇的發(fā)展及其在遙感領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]，測(cè)繪地理信息2013.20（3）：63-65.

[2] 李智斌，吳雷，張景瑞.平流層飛艇動(dòng)力學(xué)與控制研究進(jìn)[J]，力學(xué)進(jìn)展2013.4：42-44.

[3] 彭桂林，萬志強(qiáng).中國(guó)浮空器遙感遙測(cè)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]，地球信息科學(xué)Vol.21，No4 Apr.，2019.