無人機在地球物理探測中的應用

于顯利，劉順安，劉佳琳

(1.吉林大學地球探測科學與技術學院，吉林 長春 130026；2.吉林大學機械科學與工程學院，吉林 長春 130022)

無人機是一種不載人的、可重復使用和具有自主飛行能力的飛行器，具有遙控和自主飛行兩種飛行模式[1]。無人機一般由機體骨架、動力系統、傳感器系統、任務載荷系統、飛行控制系統、數據鏈和執行機構等構成。根據無人機搭載任務載荷尺寸和重量的不同，可以分為微型、小型、中型、大型、超大型無人機。無人機具有的優點包括體積小、重量輕、可以在復雜地形起飛(發射)和著陸(回收)；可以搭載多種任務載荷在空中長時間飛行，可以執行繁瑣的、重復性很高的飛行任務；可以在非常危險的環境下飛行；最重要的是不會造成人員的損失。正是由于無人機具有的這些優點，所以目前無人機廣泛應用于自然災害預防與處理[2-3]、農業資源監測[4-5]、林業資源監測[6]、科學觀測[7-8]、公安邊防、海事、石油、電力等領域。文獻[5]使用小型無人機直升機對農田生長情況進行觀測；文獻[7]使用四旋翼無人機對山體滑坡現場進行科學觀測；文獻[8] 利用小型固定翼無人機對移動冰川進行監測。然而，這些應用大多是地表層面的無人機遙感應用，無人機對地殼及其地球深部物理探測方面的應用，從國內外文獻來看，介紹的不多。

隨著經濟持續快速發展，我國現有資源已經很難滿足經濟建設發展的需求，所以迫切需要尋找新的礦產資源。然而，我國地域遼闊，地質條件復雜，很多有用的礦產資源大多分布在人跡罕至的山區、峽谷等區域。由于山區地形復雜，交通不便甚至沒有交通，導致地面物探工作往往很難開展。缺少飛行平臺是目前我國進行復雜地形條件下物探數據獲取的主要瓶頸之一，而無人機技術的眾多特點，正好可以滿足這些需求。近年來，國際航空物探飛行平臺已有從傳統的有人機向無人機發展的趨勢。同時，航空物探測量設備的性能是否達到工作要求，也是限制無人機應用于地球物理探測的一個重要因素。如果探測設備的性能參數達標，那么無人機在地球物理探測上的應用，將具有非常廣闊的應用前景。

1 無人機在地球物理探測中的應用現狀

在地球物理探測中，無人機作為一種適用于復雜地形條件下,高效率、高精度采集空間位場數據的重要手段，用來揭示地下位場場源分布規律。無人機通過搭載不同的任務載荷(磁力儀、重力儀、重力梯度儀、放射性探測儀、電磁線圈等)，可以實現無人機航磁、航重、航放、航空電磁的地球物理探測應用。目前，無人機地球物理探測技術屬于國際前沿技術和研究熱點，只有美國、英國、以色列、加拿大、德國、法國等少數發達國家掌握其核心技術。

1.1 國外主要應用

國外已經將無人機技術廣泛地應用到地球物理探測中的各個領域，并取得了良好效果，很大程度上提高了科學研究質量。這些對中國的相關技術應用，具有很好的借鑒作用。

英國的Magsurvey Limited公司提供無人機對地球磁場的探測服務。文獻[9]介紹了使用小型固定翼無人機搭載磁力儀對油氣和礦產資源進行探測。指出使用小型固定翼無人機作為移動平臺的原因：①任務載荷-銫光泵磁力儀精度高、質量輕(小于1kg)，小型無人機完全可以承載；②小型無人機可以近地飛行(飛行高度小于20m)，可以獲得更高精度的探測數據；③無人機搭載先進的GPS/慣導系統、高度計以及控制精確的飛行控制系統，可以保證無人機按照規劃飛行路線精確飛行；④探測一般在夜間黑暗環境下進行，降低太陽活動和環境噪聲對探測的干擾；⑤小型無人機相比載人飛機,在機體材料上會采用數量更少、質量更輕的非金屬復合材料，這樣機體產生的電磁和重力場對探測儀器的影響更小。

2004年，加拿大Fugro公司投資研發用于資源探測的無人機航磁系統GeoRanger，用于沿海和偏遠地區的石油和礦產勘查。該無人機系統，近期已進入試飛階段。該無人機翼展3m，機身重量15kg，在巡航速度100km/h下，續航時間可以超過15h。該無人機搭載銫蒸汽磁力儀和飛行補償裝置，該裝置用來降低機身運動對探測數據的干擾[10]。

1.2 國內主要應用

在國內，無人機在地球物理探測方面的應用起步較晚，仍處于研發階段，與國際水平相比差距很大。隨著國家對能源戰略的重視，做好自有能源的勘查和能源儲備被提上議事日程。所以,我國正在不斷加大力度支持無人機技術在資源探測方面的應用，并取得了較大的進展。2010年，中南大學何繼善院士主持完成了小型無人直升機探礦技術，為我國補償鐵礦石來源提供技術支持[11]。該無人機搭載質子旋進磁力儀，可以對地面下的鐵礦有很好的探測效果。由于小型無人直升機非常適合在復雜的山區地形飛行，同時具有探測速度快、探測效率高、無人員傷亡的特點，所以非常適合山區探礦。2011年，國家地球深部探測專項Sinoprobe-09-03固定翼無人機航磁探測系統研制子項目,對搭載航空磁力儀的固定翼無人機進行了試飛，取得了良好的試驗數據。該項目致力于高低空固定翼無人機航磁探測系統的開發，重點攻關核心傳感器、固定翼低磁無人機、磁干擾補償、系統集成等關鍵技術[12]。該項目正處于研發和攻關階段，相信不久就可以推出我國首個固定翼低磁無人機航磁探測系統，為我國深部科學探測和礦產資源勘探提供一種安全高效的探測工具。

2 無人機在地球物理探測中的應用方法

無人機按照機體產生升力方式,可分為固定翼無人機、旋翼無人機和無人飛艇。這三種無人機各有其優缺點:①固定翼無人機,具有飛行速度快、飛行穩定性好的優點，所以它一般適用于平坦區域的地球資源勘探；由于固定翼無人機存在失速問題，所以它的最小飛行速度一般都挺大，不適于要求以很低速度進行飛行的探測需要。②旋翼無人機，主要指無人直升機，它可以以很慢的速度飛行，甚至可以在空中懸停，所以旋翼無人機一般適用于地形比較復雜、要求飛行速度慢、跟隨地形飛行的場合；缺點是續航時間較短，機身振動較大，對探測儀器的抗震性能要求較高。③無人飛艇利用自身的浮力，需要很小的動力輸出就可以在空中懸停和飛行，在環境風速較低的情況下，可以非常平穩地飛行;由于耗能少，所以無人飛艇的續航時間一般很長；適用于探測時間長和飛行速度慢的地球物理探測情況；缺點是體積大，受環境氣流影響較大，抗風能力較差；由于自身慣性大，受控后的反應時間較長。

在實際勘探過程中，根據勘探環境和技術指標不同，選擇合適的無人機平臺來完成任務，可以較好地保證勘探任務的完成質量，提高探測效率。

3 無人機應用于地球物理探測存在的問題

3.1 無人機本身

無人機本身就是一個非常復雜的系統，集材料、飛行控制系統、數據鏈、動力系統等于一身，任何一部分出現問題,都會影響無人機在地球物理探測中的應用。如何提高無人機的續航時間、飛行控制和任務管理智能化、任務載荷重量、惡劣環境飛行適應性,是無人機能否廣泛應用于地球物理探測的一個重要因素。

3.2 地球探測設備

無人機只是一個空中移動平臺，而其搭載的地球物理探測設備,才是進行地球物理探測的核心工具。只有地球物理探測設備的性能指標都過關，我們才有可能獲得地球物理場的真實數據。然而,在物探設備的研發上,我國和國外先進水平還存在不小的差距，所以地球物理探測設備的研發任重道遠。

3.3 耦合因素

地球物理探測設備的性能參數都滿足探測需要后，還有一個問題很重要，探測設備能否在無人機飛行環境下穩定地工作。即無人機平臺本身的電氣系統、動力系統、飛行中機體與空氣摩擦產生的靜電場、空中湍流產生的機身振動等，這些因素都會對探測設備產生不利影響。雖然機載穩定平臺可以有效地降低機身振動對探測設備的影響，但是如何降低或消除機體施加的靜電場、電磁場以及重力場干擾是一個需要解決的問題。

4 結束語

本文介紹了國內外無人機在地球物理探測上的應用現狀，給出了固定翼無人機、旋翼無人機和無人飛艇在資源勘探應用上的特點；介紹了無人機應用于地球物理探測存在的主要問題。總的來說，無人機是一種高效的探測移動平臺，具有有人機無法比擬的低功耗、靈活、低風險特性，是有人航空物探的理想替代工具。隨著我國經濟建設持續增長，對各種礦產、石油、天然氣資源的迫切需求，相信無人機地球物理探測技術在我國資源勘探上具有廣闊的應用前景。

[1]Paul G.Fahlstrom,Thomas J.Gleason.無人機系統導論[M].2版.北京：電子工業出版社，2003.

[2]韓文權,任幼蓉,趙少華.無人機遙感在應對地質災害中的主要應用[J].地理空間信息，2011,9(5):6-8.

[3]臧克,孫永華,李京,等.微型無人機遙感系統在汶川地震中的應用[J].自然災害學報，2010,19(3):162-166.

[4]P.J.Zarco-Tejada,V.González-Dugo,J.A.J.Berni.Fluorescence temperature and narrow-band indices acquired from a UAV platform for water stress detection using a micro-hyperspectral imager and a thermal camera[J].Remote Sensing of Environment,2012,117:322-337.

[5]Haitao Xiang,Lei Tian .Development of a low-cost agricultural remote sensing system based on an autonomous unmanned aerial vehicle (UAV)[J].Biosystems engineering,2011,108:174-190.

[6]張園,陶萍,梁世祥,等.無人機遙感在森林資源調查中的應用[J].西南林業大學學報，2011,31(3):49-53.

[7]U.Niethammer,M.R.James,S.Rothmund,et al .UAV-based remote sensing of the Super-Sauze landslide:Evaluation and results[J].Engineering Geology,2012,128:2-11.

[8]P.R.McGill,K.R.Reisenbichler,S.A.Etchemendy,et al.Aerial surveys and tagging of free-drifting icebergs using an unmanned aerial vehicle (UAV)[J].Deep-Sea Research Ⅱ,2011,58:1318-1326.

[9]Dr Joseph A.The use of Unmanned Aircraft in Oil,Gas and Mineral E+P activities[R].2008 SEG Annual Meeting,2008.

[10]The Northern Mine.Airborne Geophysical Surveying[R].Supplement to The Northern Miner,2006.

[11]武海亮,岳霞.無人小飛機將赴秘魯尋礦 何繼善院士主持完成[DB/OL].http:∥hunan.voc.com.cn/article/201001/201001271547345207.html,2010-01-27.

[12]董樹文,李廷棟,SinoProbe團隊.深部探測技術與實驗研究(SinoProbe)[J].地球學報,2011,23(增刊1):3-23.