无人机遥感系统海洋监管应用

● 文|天津航天中为数据系统科技有限公司 张拯宁 李器宇



无人机遥感系统海洋监管应用

● 文|天津航天中为数据系统科技有限公司 张拯宁 李器宇

我国作为海洋大国，海域辽阔、海岛众多、资源丰富。近年来，随着海洋开发力度的不断加大，用海需求日益增多，用海矛盾也日益突出，且领海争议和海洋侵权问题时有发生，因此急需探索全天候、高精度、智能化海洋监视监测手段，加强海洋综合监控管理能力，维护海洋生态平衡和资源合理开发利用，维护国家领海主权和海洋权益。

对于如何提高海域管控能力，国内外都进行了积极探索，目前常用的海洋监测手段主要有现场监视监测、远程视频监控、卫星遥感和载人航空遥感。但这些传统监视手段在实际应用中均存在着一些不足，如现场监视监测野外工作量大，人力成本高，作业范围有限且效率低下；远程视频监控则存在拍摄范围较小且视频精度不高等问题；卫星遥感影像获取周期长，分辨率不高，易受天气影像，存在较大的局限性和延时。有人机航空遥感可更好地满足高精度高分辨率监测需求，但是在飞行安全、航空交通管制、人员要求、气候条件、飞行路线和作业费用方面都存在很多限制。无人机作为一种新型海洋监测手段，是对现有手段的重要补充，具备机动灵活、运行成本低、环境适应性强等特点，可以及时快速获取高分辨率影像和高精度定位数据，完成高污染、高强度和高风险海洋监测任务，可有效提升我国海洋综合监控能力。

一、国内外海洋无人机应用现状

目前，世界海洋大国都已经将无人机作为海洋监管的重要技术手段之一。美国作为世界第一海洋强国，于2002年提出了海岸警备队“深水计划”，通过采购包括各型无人机等各种装备与系统，提高应对海上威胁的能力，保护美国国家海上利益[1]。

目前美国海岸警卫队根据近海和中远海不同监测范围、常规巡查和应急监测等不同应用场景，统一规划了岸基和船基两大类无人机系统，计划采用3种机型、部署76架海域监测无人机，开展海上专属经济区海域岛礁和养殖区空中影像采集、船舶与浮标等监测数据收集、应急条件下无人机进行海上石油平台溢油监测和海上搜救等。其中捕食者B型大型无人机作为岸基无人机用于美国全海域长航时大范围空中监测，续航时间最长可达24小时，可实现海岸警卫队的监控覆盖范围从海岸带扩展至中远海域。火力侦察兵无人机作为船载起降的船基无人机，能与海上监测和救援船协同使用，在任务区域及时升空，完成航空影像采集、应急搜救等工作。

除美国外，欧洲海上安全局与欧洲航天局共同利用AR5“生命射线”无人机进行海上监视系统试验。试验预计为期两年。第一年将进行传感器集成，研制机载传感器以及数据传输能力优化等工作；第二年将在大西洋和地中海等不同的场景下验证AR5无人机执行海上搜救、油污监测等任务的能力。

国内“863”计划在“十五”期间就设立了“无人机海洋遥感监测技术”课题，开展无人机海洋遥感监测领域的研究。近年来随着无人机系统技术能力的提高，以及海洋动态监测领域的现实需求，无人机在我国海洋遥感监测应用中进入了快速发展时期。国家海洋局、中华人民共和国海事局、农业部渔业渔政管理局等海洋职能部门均在着手部署无人机海洋监视监测试点工作，2012年1月，国家海洋局正式印发了《关于开展海域无人机遥感监视监测试点工作的通知》，通过引入灵活性和应急监测能力更强的无人机系统作为传统海洋监测手段的有效补充。国家海洋局规划在全国11个沿海省（区、市）各建设一个无人机基地，每个基地至少配备一架无人机，负责监测省内管辖的海域[2]。江苏省作为建设成果显著的地区，自2012年起使用无人机对连云港、南通、如东等地海域进行监测，辅助海域空间资源管理、海域开发利用、海域应急监管等工作[3]。福建等地也开展无人机海域监管应用的探索[4]。

二、海洋监测现状及无人机应用需求

当前我国海洋监测管理工作主要集中在海洋资源环境监测、海域动态监管、海洋维权执法、海洋突发情况应急响应等方面。

1. 海洋资源环境监测

我国周边海域具有丰富的海岛资源、海洋渔业资源、海洋油气资源，但近年来屡屡遭到各方侵占和破坏。为保护海洋资源环境，维护国家合法权益，国家加大了对重点海域的海监船巡逻力度。但是受海监船自身条件限制，仍存在监测范围有限、遇突发事件响应不及时等问题。

海洋资源环境监测无人机应用需求：无人机具有飞行速度快、机动性强、监测面积大等特点，能第一时间获取资源变化数据，在海洋资源监测由传统地获取资源的数量、位置方面向资源的动态变化监测方向发展的大趋势下，可以快速发现并计算海上溢油区域面积，监测海冰分布，为海上运输和海洋工程提供及时预报，与现有的海监船等巡视手段有效配合，更高效地完成海洋资源环境监测任务。

2. 海洋动态监测与执法

我国海洋面积十分广阔，随着用海需求和海洋工程的持续增长，违规围填海、盗采海沙、违法打捞、养殖区侵占港口与航道等海上违法活动严重损害了正常的海洋开发秩序，监管安全执法形式日趋严峻。目前地面监测和巡逻船监测相结合的模式一方面难以满足大范围海洋监测的发展要求；另一方面执法反应能力不足，面对违规违法用海、捕捞等取证困难，不足以有效震慑海上违法行为。

3. 海洋突发情况应急响应

当前由于海上自然灾害、海上人类活动等多种原因造成的海洋突发事故日益频繁。一方面，针对海上应急搜救工作，传统海上救援力量应急响应速度不足，搜救范围有限，导致海上救援难度增大，现有监测手段难以在事故发生及救援期间第一时间到达救援现场，救援现场的情况与指挥中心之间也无法建立高效的通信连接；另一方面，针对海洋灾害灾情响应工作，尤其是对于海上油轮泄漏、钻井平台破损等对于海洋环境造成重大破坏的事故，海洋有关部门迫切需要迅速了解和掌握现场事故发展情况。此种情形下，船舶监测等手段响应速度慢，监测视野小，不能迅速了解灾情全貌；而卫星监测也存在时效性差、分辨率低等问题。

综合分析以上三类应用场景，当前海洋工作中以岸基观察、海上舰艇、海洋传感器、卫星遥感为代表的传统监测手段已经无法满足当前范围大、响应快、效率高的工作需求，有人机遥感受管理机制、应用成本等方面的制约尚未得到全面普及应用。相比之下，无人机遥感系统机动灵活性好、响应速度快、监测范围大，在大范围海域监测、中远海监测、海上应急监测等方面具有良好的应用潜力。

三、无人机遥感系统海上监管典型应用模式

目前无人机根据机型不同可划分为固定翼无人机、无人直升机、多旋翼无人机[5]。

☆　固定翼无人机

☆　无人直升机

☆　多旋翼无人机

固定翼无人机具备载荷能力大、平飞速度快、实用升限高等特点，根据动力类型不同包括油动固定翼与电动固定翼；但是固定翼无人机对起降场地要求高，一般需要起降跑道，如伞降则对于现场风力要求较高，且有最低飞行速度要求，详细监测、持续定点监测能力较弱。无人直升机可实现垂直起降，对起降场地要求较低，飞行较为灵活，可在监测区域上空悬停，对指定区域持续详细监测。但是无人直升机平飞速度、载荷能力、抗风能力相对固定翼无人机较低。多旋翼无人机一般采用高能电池供电，设备体积小巧、操作简便、对于起降场地要求简单，是适应性最强的机型；但受机身尺寸与电池性能所限，多旋翼无人机载荷能力差、续航时间短、作业半径有限（见表1）。

海洋监管作业中根据应用环境不同，主要分为近海监测、中远海监测与海上应急监测，各应急场景对于无人机类型具有不同的需求。

（1）近海无人机监测

近海监测主要对海岸带及沿岸海域进行监测，由于测区靠近陆地，作业半径较小、作业时长较短的小型无人机即可实现对目标区域的覆盖。因此选用小型无人机可在充分发挥其飞行灵活、操作简便的优势下完成作业任务。

表1　三种无人机性能对比

在近海监测中，小型固定翼无人机可实现对小范围目标海域环境监测，以及对围填海、养殖、海岸带建设等各类海域使用情况常规调查。对于局部重点目标监测，如沿海工厂调查、违法排污取证等任务，可选用多旋翼无人机。在执行沿海化工厂、储油罐等高危敏感区域的常规监测，或涉及化学品泄漏存在爆炸风险的突发情况应急监测时，需要选用电动固定翼无人机或电动多旋翼无人机，消除无人机因意外坠落造成的油箱爆炸的安全隐患。

（2）中远海无人机监测

中远海监测由于测区远离陆地，需要选用长航时无人机执行相关任务。中小型长航时无人机在飞行过程中可采用自主飞行模式，根据预先规划的航线自动飞行，一定程度上克服地球曲率对无人机通信半径的约束。大型固定翼无人机可采用卫星通信，实现飞行中的全程实时通信，但其所需的保障队伍庞大、起降场地要求高。

（3）海上应急监测

面对海上人员搜救、海上事故监测、海上执法等海上应急任务，由于岸基起降无人机响应速度慢，可在执法船只配备具备船载起降能力的无人机，在抵达目标海域后释放无人机，根据海上情况快速监测、灵活作业。固定翼无人机受起降方式所限，不适合舰载应用；多旋翼无人机体积小巧、操作简便、起降灵活，可在轻微起伏的船只安全上安全起降，适合在各型船只应用；无人机直升机具备垂直起降能力，但对于起降场地空间要求明显大于多旋翼无人机，因此无人直升机适合在具备起降甲板的大型执法船只上应用。

四、天空地海一体化海洋综合监管系统设想

经过海洋管理部门经过多年建设，我国海洋监管技术装备水平得到全面提升，包括岸基移动监测车、海上执法船只等多种监测手段，地面光纤专线、无线3G/4G通信、车载卫星通信、船载卫星通信等多种通信手段，海洋监管业务管理平台等指挥调度手段逐步进入业务化应用。随着无人机遥感系统在海洋监管中全面推广应用，将无人机与其他技术装备充分融合应用是未来海洋监管工作的必然选择。在近海监测中，无人机可将实时监测数据通过测控数据链传回岸基移动监测车，根据作业地点的通信条件，选用地面光纤专线、无线3G/4G通信或车载卫星通信将数据实时传回后方指挥中心，实现对监测情况的快速分析、辅助指挥决策。在中远海监测与海上应急监测中，无人机可将实时监测数据传回到海上执法船只，利用船载卫星设备实现与后方通信。

☆　天空地海一体化海洋综合监管系统概念构想

五、结束语

无人机遥感系统作为一种高效、灵活的技术装备在海洋监管领域具有良好的应用前景，能够满足多种不同场景的监测作业需求。随着技术水平的不断成熟，无人机遥感系统将与海洋监管中的其他各种监测、通信、指挥调度手段相融合应用，最终形成具备多源综合监测、多模实时通信、多地协同指控的天空地海一体化海洋综合监管系统，服务于我国海洋事业发展。

参考文献

[1]陶然．美国海岸警卫队的“深水计划”[J]．现代舰船，2003，6：39-40．

[2]余建斌．无人机增强我国海域管控能力[N].人民日报，2012-9-2(2)．

[3]崔丹丹，吕林，方位达．无人机遥感技术在江苏海域和海岛动态监视监测中的应用研究[J]．现代测绘，2013，36(6)：10-11．

[4]杨燕明，郑凌虹等．无人机遥感技术在海岛管理中的应用研究[J]．海洋开发管理．2011，1：6-10．

[5]李德仁，李明．无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J]．武汉大学学报·信息科学版，2014，39（5）：505-511．