无人机遥感技术在第33次南极考察普里兹湾海冰卸货中的应用探索

张宝钢 马驰 程晓

2016年11月29日，雪龙号极地考察船抵达中山站附近时，卫星影像显示，固定冰面积较大，冰面破碎，冰脊较多，经过实地勘察后，考察队临时决定使用无人机进行海冰探路。通过分析卫星影像，为无人机设计航线，累计飞行三个架次后共获取205张图像。通过分析处理这些照片，获得海冰的正射影像图，对海冰冰情进行了相关分析，选择雪地车可行驶的潜在安全区域并对传统海冰探路方式进行总结，最终设计出海冰卸货探路的最优流程，并对现有的不足和未来可能的发展进行了相关讨论。

北京师范大学

截至2017年，30个国家组成的国家南极计划管理委员（COMNAP）成员国在南极共建有80个科学考察站。由于南极大陆特殊的环境条件，几乎所有考察站的物资都需依靠外部补给。目前，各国科考站的补给方式主要有两种，一种是通过运输机的航空运输，如美国麦克默多站和澳大利亚的凯西站等;另一种是利用补给舰船的海运补给，中国中山站就是如此。航空运输不仅要求国家具有大型运输机的保障能力，而且要求站区附近有能够起降大型运输机的机场设施，故不是所有考察站都有条件进行航空运输补给，因此绝大多数考察站仍然以海运为主要补给方式。

中国中山站是中国于1989年，在东南极伊丽莎白公主地拉斯曼丘陵建设的一座常年南极考察站，是中国向南极内陆地区的DOME-A及格罗夫山开展考察活动的中枢站，每年由中国雪龙号科学考察船负责当年科考及生活物资的补给。雪龙号是一艘B1级的破冰船，总排水量21250t，船长167m，船宽22.6m，可以3.7km/h的航速连续破1.2m厚的冰（包含0.2m厚的雪）。雪龙号通常会在每年1 1月末或12月初到达中山站周边的普里兹湾，进行站区人员轮换及物资补给。这一时期，中山站周边广泛分布有一年期固定冰（Fast-ice）。补给物资卸载至冰面后，再在冰面上由重型车辆运输至站区。由于固定冰的成冰过程受潮汐、气象、海洋等多种因素共同作用，表面情况十分复杂，部分区域遍布冰脊，重型车辆无法通过或行车存在安全隐患。在2008年11月27日中国第25次南极考察卸货期间，曾发生过雪地车沉海事件，所幸没有发生人员伤亡。因此，在每年实施冰面卸货之前，通常需要进行海冰探路，在冰面上寻找一条可通过、安全的卸货路线。

传统的海冰探路是以实地踏勘为主，即由考察队员驾驶雪地摩托，从站区和雪龙号出发，沿途观察冰面平整度，测量冰厚，记录航路点，并插放标志物。通常站、船各需要两辆雪地摩托车同时探路，耗时两天，实地踏勘工作十分艰苦，且在冰面行车存在一定风险。中国第33次南极考察期间，由于该年的普里兹湾固定冰范围广、冰情复杂，为保障冰面卸货工作，考察队首次尝试将固定翼无人机遥感技术应用于卸货探冰，所获取的高分辨率无人机遥感数据为卸货方案的制定提供了决策依据。

無人机作为一种新型的数据获取手段，具有响应迅速，获取影像分辨率高，操控简单，易于起降等特点。由于不搭载飞行员，所以不会发生人员伤亡事故，避免人员牺牲，可应用在较危险的环境。目前，许多国家都将无人机作为数据获取的手段应用于南极研究，如中国、澳大利亚、美国、英国、日本、韩国、新西兰、波兰、挪威、德国、葡萄牙、智利等国;主要研究方向为海冰、冰山、冰川、大气等，并取得了优异的成果。

在南极考察中，利用无人机开展应急保障也可发挥其优势，但这方面的工作相对较少。2015年12月，澳大利亚科考队员在“南极光”号（Aurora Australis）破冰船上操控无人机，帮助船只导航，取得良好效果。本文以中国第33次南极考察期间利用固定翼无人机进行卸货探冰工作为例，分析无人机所获取的固定冰遥感数据，为雪地车运输规划路线，并结合雪地摩托实地踏勘情况，探索无人机在未来南极考察应急保障方面的应用前景。

应用方法

“极鹰”川无人机平台

由于首次使用无人机进行探路尝试，所以具有一定的不确定性，为了不影响整体卸货进程，本次考察中的无人机数据主要作为常规雪地摩托探路的补充和验证。本次海冰探路使用的“极鹰”III无人机智能航测系统主要技术指标如图3所示。

该型无人机的主要优势在于任务响应能力快，所有起飞前准备工作（包括航线规划到完成组装调试）可在30min内完成，飞行结束后配套有快速拼接软件，可以快速处理生成测区的正射影像，十分适合在应急作业中使用。目前，该无人机在国内已广泛应用于地震、泥石流等自然灾害的应急任务，发挥了重要作用。根据经验，在常规航测标准下，该系统以10cm分辨率时每架次可探测10km2的区域，20cm分辨率时为20km2，远高于多旋翼机型的作业能力。

无人机数据采集

卫星遥感数据可以提供近实时的冰情信息，近年来已广泛应用于雪龙号冰区航行导航。在海冰探路中，卫星遥感数据虽然可以识别出冰面的冰脊分布，但由于分辨率有限，无法在冰脊中发现可供重型雪地车通过的路径。同时，卫星遥感受天气影响较大，有时无法获得及时有效的数据。因此，无人机数据能很好地弥补卫星数据的不足，可以提供实时、高分辨率的遥感数据。但无人机的作业能力有限，如何规划合理有效的航拍区域，仍需借助卫星遥感数据的支持。

雪龙号于2016年11月29日到达中山站附近，开始准备卸货任务，根据11月29日最新的sentinel-2A可见光遥感影像见图4，10m的分辨率可在宏观上有效判断海冰冰情。雪龙号停泊于距中山站直线距离约31km处，对比往年中山站周边固定冰情况，2016年冰情较为严重，在雪龙号前方存在的乱冰区宽度达13km，雪地车冰面运输十分困难且存在安全隐患。根据卫星影像，从雪龙号到冰山A的冰情十分复杂，是冰面探路的关键区域。影像可以提取乱冰区中相对平整冰区（图4中用圆圈标注），雪地车在上面可以快速安全地通过。但是在平整区域之间存在大量破碎的海冰、冰山和冰脊，这些区域的海冰稳定性差，强度低，雪地车在上面行驶极易掉人海中，造成人员伤亡和物资损失。这些区域是本次无人机航拍的重点监测区域。