北斗導(dǎo)航無人機在動物保護方面的應(yīng)用

薛 蓮，黨元曉，汪兵兵，沙 磊，孫 雯

(昌吉學(xué)院，新疆 昌吉 831100)

1 研究背景及意義

近年來，無人機行業(yè)發(fā)展迅速，不僅廣泛應(yīng)用于軍事方面，在民用方面也越來越受到人們的關(guān)注。將無人機應(yīng)用于動物保護，尤其是在農(nóng)牧業(yè)比較發(fā)達(dá)的西北地區(qū)，可以代替人力，對動物進行巡視以及檢測生命體征等，大大減少放牧成本、解放勞動力，也可以為野生動物的保護和研究起到非常重要的作用。近年來，無人機利用其靈活機動性好、成本較低、可靠性好等特點，在生態(tài)調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測以及生物多樣性研究等方面開始大量應(yīng)用[1]。尤其是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，使得無人機在動物保護方面效率更高，因此基于北斗導(dǎo)航在無人機對動物保護方面的應(yīng)用進行研究具有深遠(yuǎn)的意義。

1.1 北斗導(dǎo)航的概念及特點

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是當(dāng)今世界上最為成熟的導(dǎo)航系統(tǒng)之一,它是由我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[2]。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是一種結(jié)合多部門、多學(xué)科、多行業(yè)以及多地域的復(fù)雜系統(tǒng)工程。

我國從1994年啟動北斗一號系統(tǒng)的工程建設(shè)，起初只能為中國用戶提供定位、授時、廣域差分和短報文通信的服務(wù)[3]。到2020年，北斗三號系統(tǒng)可以面向全球范圍提供定位導(dǎo)航授時、全球短報文通信、國際搜救等服務(wù)[4]。

如今，北斗服務(wù)已經(jīng)深入我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗Ｎ覈?0%以上的入網(wǎng)智能手機已經(jīng)在使用北斗服務(wù)。利用北斗系統(tǒng)，手環(huán)、手表等電子產(chǎn)品更加可靠和便捷。共享單車通過配裝北斗終端可以實現(xiàn)精細(xì)管理，牧民通過北斗項圈能夠?qū)崿F(xiàn)坐在家里就能放牧牛羊。北斗衛(wèi)星作為我國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要領(lǐng)域，不僅在日常生活中應(yīng)用越來越廣，也將在我國軍事和科技方面起到舉足輕重的作用。

1.2 無人機的概念及特點

無人機，是隨著當(dāng)今時代工程領(lǐng)域全球化、現(xiàn)代化和技術(shù)化發(fā)展而誕生的一種新型飛行器[5]。無人機是一種由動力驅(qū)動、機上無人駕駛、依靠空氣提供升力、可重復(fù)使用航空器的簡稱[6]。無人機由于其體型小，起飛和降落時對場地要求較小，具有穩(wěn)定性、安全性好，轉(zhuǎn)場方便，機動性好、靈活性高、安全系數(shù)高等特點。隨著無人機技術(shù)的提高、可搭載相機及數(shù)據(jù)處理軟件技術(shù)的發(fā)展，在快速獲取高分辨率影像方面，無人機遙感具有明顯優(yōu)勢，因此廣泛應(yīng)用于測繪、管道巡檢、電力線路巡檢、林業(yè)防火、災(zāi)情評估、應(yīng)急通信、軍事偵察等領(lǐng)域[7]。無人機早期廣泛使用的是GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)不是我國完全自主研發(fā)并且沒有供其使用的完善的差分系統(tǒng)設(shè)施，極大的限制了我國無人機事業(yè)和國防科技力量的發(fā)展[8]。在我國研發(fā)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，無人機的定位更加精準(zhǔn)，信息傳輸效率和質(zhì)量更高，為無人機的進一步發(fā)展奠定了有力支撐。

1.3 北斗導(dǎo)航在無人機的應(yīng)用

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用在無人機上，能夠精確導(dǎo)航，提升無人機的飛行精度。同時，基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠提高無人機的信息處理效率和質(zhì)量，在無人機與地面操作人員的信息交流方面更加有效，從而提升無人機在對動物保護監(jiān)測時的準(zhǔn)確性。由于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的精確性和及時性，使得無人機在處理突發(fā)情況以及飛行監(jiān)管時，能夠及時發(fā)現(xiàn)和處理，使得無人機的應(yīng)用更可靠、應(yīng)用范圍更廣[9]。

2 北斗導(dǎo)航無人機在動物保護方面的應(yīng)用

近年來，經(jīng)濟發(fā)展速度不斷加快，在發(fā)展與保護中，動物的生存和保護面臨嚴(yán)峻的考驗。而無人機作為一種新興技術(shù)，在動物保護方面具有巨大潛力。

2.1 動物種群與數(shù)量調(diào)查

我國地域遼闊，地形復(fù)雜，利用傳統(tǒng)方式對動物分布、生命體征以及生活習(xí)性等的調(diào)查很難實現(xiàn)。無人機利用其便利、靈活，可以升高作業(yè)等優(yōu)勢，通過地面操作人員的操控，無人機短時間內(nèi)可飛至高空區(qū)域進行動物種群和數(shù)量的調(diào)查與監(jiān)測。這樣不僅可以減少對動物的擾動，還可以進入工作人員難以到達(dá)或者危險的區(qū)域作業(yè)，從而提高作業(yè)安全性。相對于人工作業(yè)，無人機作業(yè)具有時效性高，成本低等優(yōu)勢[10]。

將北斗導(dǎo)航的精準(zhǔn)定位技術(shù)應(yīng)用在無人機上，并通過搭載普通相機或紅外相機，對調(diào)查區(qū)進行無人機拍攝，可在大區(qū)域調(diào)查大中型動物的種群數(shù)量及分布情況，進行動物個體的識別、動物種群分布、生長情況以及動物棲息地監(jiān)測等。已有研究利用無人機航拍技術(shù)，通過對拍攝資料分析，調(diào)查巖羊種群的情況[11]；利用無人機拍攝清晰的非洲象影像，從而統(tǒng)計非洲象的個體數(shù)量等[12]。

2.2 動物救護與監(jiān)測

在動物救護方面，及時性非常重要。尤其是對于野外生存的動物，難以做到及時有效的救護，也難以徹底杜絕野生動物的人為捕殺。利用無人機實時傳輸高清影像數(shù)據(jù)，可以對動物的數(shù)量以及狀態(tài)進行實時監(jiān)控。在夜晚也可以用無人機紅外熱成像技術(shù)對動物夜間活動進行追蹤，對動物的生命體征進行監(jiān)測[13]。在發(fā)生人類捕殺、動物受傷或受困時，可以通過無人機定位受傷動物及時提供動物救護。目前已有利用無人機技術(shù)在中國印度野牛野外救護中的首次應(yīng)用[14]。

3 北斗導(dǎo)航無人機在動物保護的應(yīng)用展望

近年來，利用無人機對動物保護的應(yīng)用越來越引起重視，現(xiàn)已有利用無人機快速、經(jīng)濟、可靠等優(yōu)點，基于無人機遙感的大型野生食草動物種群數(shù)量調(diào)查等[15]。無人機雖然有其一定的優(yōu)點，但因為其自身的缺點使得在動物保護的應(yīng)用方面受到一定限制。

3.1 優(yōu)點

利用北斗導(dǎo)航，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離動物檢測和保護。無人機擁有自動化程度高，體積小，重量輕，運輸攜帶方便，成本低廉等優(yōu)點。利用無人機對動物進行監(jiān)測，能夠減輕調(diào)查人員傷亡概率，且無人機只需3～5人就能組建作業(yè)隊伍，大幅減少人力成本。而且無人機作業(yè)范圍廣，一次性作業(yè)面積大，效率高，維護簡單便捷。許多動物保護的輔助功能，如定位技術(shù)[16]、圖像實時傳輸技術(shù)[17]、動物紅外熱成像技術(shù)[18]等，只需要在無人機上安裝相應(yīng)設(shè)備即可實現(xiàn)對動物進行定期巡視、生命體征監(jiān)測等功能。無人機的功能兼容性強、靈活性好。

3.2 缺點

無人機抗風(fēng)能力較差，在風(fēng)力較大的區(qū)域很難飛行，飛行姿態(tài)會受到影響，從而會影響監(jiān)測。無人機雖然輔助功能兼容性好，但是相應(yīng)技術(shù)水平還需提高，比如應(yīng)用無人機進行動物調(diào)查的研究越來越多，但是缺乏有效的自動處理圖像方法，使得目視解釋工作量較大[19]。

4 結(jié)論

無人機在動物保護以及監(jiān)測方面相比于人類有著不可比擬的優(yōu)點，但同時也存在一些缺點，所以為了更好地進行動物保護，仍需繼續(xù)完善無人機的一些技術(shù)問題。基于北斗導(dǎo)航的無人機，在動物保護方面，能夠以更高的飛行精度，更及時的信息處理能力，可以實現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用。比如未來無人機隨著相關(guān)技術(shù)的提高，不僅可以應(yīng)用在動物種群與數(shù)量調(diào)查、動物救護等，還可以應(yīng)用到放牧作業(yè)[20]。無人機通過掛載的傳感器，能夠收集放牧所需的牧場情況、氣象條件以及牲畜疫情等信息，甚至可以獲取牲口數(shù)量、具體位置的具體數(shù)據(jù)，利用紅外線傳感器可以監(jiān)測羊群的生命體征等。利用掛載攝像機和傳感器的無人機，可以及時地對羊群數(shù)量和狀態(tài)進行統(tǒng)計和數(shù)據(jù)實時傳輸。利用無人機航拍的功能，可以在不打擾羊群的情況下查看羊群的情況。此外，無人機也可以應(yīng)用到放牛以及小馬駒的成長監(jiān)測等。