無人機遙感技術在第33次南極考察普里茲灣海冰卸貨中的應用探索

張寶鋼 馬馳 程曉

2016年11月29日，雪龍號極地考察船抵達中山站附近時，衛星影像顯示，固定冰面積較大，冰面破碎，冰脊較多，經過實地勘察后，考察隊臨時決定使用無人機進行海冰探路。通過分析衛星影像，為無人機設計航線，累計飛行三個架次后共獲取205張圖像。通過分析處理這些照片，獲得海冰的正射影像圖，對海冰冰情進行了相關分析，選擇雪地車可行駛的潛在安全區域并對傳統海冰探路方式進行總結，最終設計出海冰卸貨探路的最優流程，并對現有的不足和未來可能的發展進行了相關討論。

北京師范大學

截至2017年，30個國家組成的國家南極計劃管理委員（COMNAP）成員國在南極共建有80個科學考察站。由于南極大陸特殊的環境條件，幾乎所有考察站的物資都需依靠外部補給。目前，各國科考站的補給方式主要有兩種，一種是通過運輸機的航空運輸，如美國麥克默多站和澳大利亞的凱西站等;另一種是利用補給艦船的海運補給，中國中山站就是如此。航空運輸不僅要求國家具有大型運輸機的保障能力，而且要求站區附近有能夠起降大型運輸機的機場設施，故不是所有考察站都有條件進行航空運輸補給，因此絕大多數考察站仍然以海運為主要補給方式。

中國中山站是中國于1989年，在東南極伊麗莎白公主地拉斯曼丘陵建設的一座常年南極考察站，是中國向南極內陸地區的DOME-A及格羅夫山開展考察活動的中樞站，每年由中國雪龍號科學考察船負責當年科考及生活物資的補給。雪龍號是一艘B1級的破冰船，總排水量21250t，船長167m，船寬22.6m，可以3.7km/h的航速連續破1.2m厚的冰（包含0.2m厚的雪）。雪龍號通常會在每年1 1月末或12月初到達中山站周邊的普里茲灣，進行站區人員輪換及物資補給。這一時期，中山站周邊廣泛分布有一年期固定冰（Fast-ice）。補給物資卸載至冰面后，再在冰面上由重型車輛運輸至站區。由于固定冰的成冰過程受潮汐、氣象、海洋等多種因素共同作用，表面情況十分復雜，部分區域遍布冰脊，重型車輛無法通過或行車存在安全隱患。在2008年11月27日中國第25次南極考察卸貨期間，曾發生過雪地車沉海事件，所幸沒有發生人員傷亡。因此，在每年實施冰面卸貨之前，通常需要進行海冰探路，在冰面上尋找一條可通過、安全的卸貨路線。

傳統的海冰探路是以實地踏勘為主，即由考察隊員駕駛雪地摩托，從站區和雪龍號出發，沿途觀察冰面平整度，測量冰厚，記錄航路點，并插放標志物。通常站、船各需要兩輛雪地摩托車同時探路，耗時兩天，實地踏勘工作十分艱苦，且在冰面行車存在一定風險。中國第33次南極考察期間，由于該年的普里茲灣固定冰范圍廣、冰情復雜，為保障冰面卸貨工作，考察隊首次嘗試將固定翼無人機遙感技術應用于卸貨探冰，所獲取的高分辨率無人機遙感數據為卸貨方案的制定提供了決策依據。

無人機作為一種新型的數據獲取手段，具有響應迅速，獲取影像分辨率高，操控簡單，易于起降等特點。由于不搭載飛行員，所以不會發生人員傷亡事故，避免人員犧牲，可應用在較危險的環境。目前，許多國家都將無人機作為數據獲取的手段應用于南極研究，如中國、澳大利亞、美國、英國、日本、韓國、新西蘭、波蘭、挪威、德國、葡萄牙、智利等國;主要研究方向為海冰、冰山、冰川、大氣等，并取得了優異的成果。

在南極考察中，利用無人機開展應急保障也可發揮其優勢，但這方面的工作相對較少。2015年12月，澳大利亞科考隊員在“南極光”號（Aurora Australis）破冰船上操控無人機，幫助船只導航，取得良好效果。本文以中國第33次南極考察期間利用固定翼無人機進行卸貨探冰工作為例，分析無人機所獲取的固定冰遙感數據，為雪地車運輸規劃路線，并結合雪地摩托實地踏勘情況，探索無人機在未來南極考察應急保障方面的應用前景。

應用方法

“極鷹”川無人機平臺

由于首次使用無人機進行探路嘗試，所以具有一定的不確定性，為了不影響整體卸貨進程，本次考察中的無人機數據主要作為常規雪地摩托探路的補充和驗證。本次海冰探路使用的“極鷹”III無人機智能航測系統主要技術指標如圖3所示。

該型無人機的主要優勢在于任務響應能力快，所有起飛前準備工作（包括航線規劃到完成組裝調試）可在30min內完成，飛行結束后配套有快速拼接軟件，可以快速處理生成測區的正射影像，十分適合在應急作業中使用。目前，該無人機在國內已廣泛應用于地震、泥石流等自然災害的應急任務，發揮了重要作用。根據經驗，在常規航測標準下，該系統以10cm分辨率時每架次可探測10km2的區域，20cm分辨率時為20km2，遠高于多旋翼機型的作業能力。

無人機數據采集

衛星遙感數據可以提供近實時的冰情信息，近年來已廣泛應用于雪龍號冰區航行導航。在海冰探路中，衛星遙感數據雖然可以識別出冰面的冰脊分布，但由于分辨率有限，無法在冰脊中發現可供重型雪地車通過的路徑。同時，衛星遙感受天氣影響較大，有時無法獲得及時有效的數據。因此，無人機數據能很好地彌補衛星數據的不足，可以提供實時、高分辨率的遙感數據。但無人機的作業能力有限，如何規劃合理有效的航拍區域，仍需借助衛星遙感數據的支持。

雪龍號于2016年11月29日到達中山站附近，開始準備卸貨任務，根據11月29日最新的sentinel-2A可見光遙感影像見圖4，10m的分辨率可在宏觀上有效判斷海冰冰情。雪龍號停泊于距中山站直線距離約31km處，對比往年中山站周邊固定冰情況，2016年冰情較為嚴重，在雪龍號前方存在的亂冰區寬度達13km，雪地車冰面運輸十分困難且存在安全隱患。根據衛星影像，從雪龍號到冰山A的冰情十分復雜，是冰面探路的關鍵區域。影像可以提取亂冰區中相對平整冰區（圖4中用圓圈標注），雪地車在上面可以快速安全地通過。但是在平整區域之間存在大量破碎的海冰、冰山和冰脊，這些區域的海冰穩定性差，強度低，雪地車在上面行駛極易掉人海中，造成人員傷亡和物資損失。這些區域是本次無人機航拍的重點監測區域。