無人機遙感在非戰爭軍事行動中的應用

姚園園，朱 輝

(解放軍61175部隊， 南京210049)

0 引言

無人機遙感技術是集無人飛行器、遙感、傳感器、遙控、通信、(POS)定位、全球定位系統(GPS)差分定位等技術于一體的系統技術，可以自動、智能、專業、快速的獲取國土、資源、環境、事件等空間遙感信息，并進行實時處理、建模和分析［1］。目前，無人機遙感的應用非常廣泛，各國政府或軍隊都在大力發展與其相關的機身結構、飛行器、傳感器以及數據存儲、處理和傳輸等技術。最初，無人機遙感的研究成果大多都來自于軍事需求的牽引，但其在非戰爭軍事行動中的作用越來越明顯，甚至對它的發展趨勢提出了更多更高的要求。

1 無人機遙感介紹

1.1 國內外研究現狀

隨著數字化、小型化和高精度的新型傳感器的出現，無人機遙感的應用范圍和領域得到了迅速拓展。目前，無人機的類型已達數百種之多，用途多樣，性能各異，續航時間持續增加，根據平臺搭載的任務載荷的不同，無人機執行任務的時間、范圍都可靈活實現，這也為搭載多種傳感器和執行專項任務創造了有利條件。其中，遙感傳感器是無人機平臺的眼睛，是無人機遙感得以廣泛應用的基礎［2］。

自21世紀以來，美國對無人機遙感的應用呈現加速發展趨勢，研發的預算規模不斷擴大。美海軍“MQ-4C”遙感系統是最新型的無人機平臺，其功能包括監視、偵察、情報，可在18 km高空持續飛行24 h，通過其平臺上的高性能傳感器可對視場下方進行360°監控，一次飛行就可偵查近7 000 000 km2海域，分辨率小于0.1 m，可實時收發數據，自動識別艦船，自動校正紊流引起的擾動，具備除冰和防雷擊功能，與其他無人機相比具有跟高的飛行高度和更遠的航行距離［1］。這些功能確保其戰時能夠長航時收集情報、監察和識別目標，為美軍實時了解戰場態勢及評估戰損效果等提供重要依據。

在國內，無人機遙感技術研究也取得了一定的成果。如適合無人機SE-1的小型多光譜成像儀，內置攝影控制軟件，可實現飛行控制系統通信、飛行參數獲取、曝光時間計算和修正、實時數據存儲等功能［2］。近年來有研究人員采用系統集成方法，設計了應用于無人機的大面陣CCD相機遙感系統，并在無人遙感飛機Y-12上進行了搭載飛行試驗，獲得了符合精度的圖像，如圖1所示。

圖1 無人機上搭載的部分傳感器及圖像

1.2 無人機遙感的主要優點

1)系統研制周期短，成本低

無人機體形小，相對耗費低，對開發團隊來說大大節省了人力資源，緩解了資金方面的壓力，對操作員的培養周期也相對較短。日常維護簡單，同時節約機庫場地。

2)機動性好

由于體積小，比較靈活，無人機執行任務時可以通過地面運輸到指定地點。起飛要求低，不需要專用跑道，可以在平地、坡路、沙灘等地通過車載、導彈或者地面方式直接發射，回收方式可以采用滑行或傘降的方式［3］。

2013年，美國X-47B型無人機甚至已實現從航空母艦上起飛并自行回落，下一步該型機還將試驗攜帶各種傳感設備和內部武器裝備載荷，可以滿足聯合作戰網絡作戰的需求。

3)易操控，安全性好，應對突發事件能力強

遙感型無人機的飛行路線可以預先設定、也可以在飛行過程中進行校對和調整，以對目標進行精確測量。若執行任務過程發生故障，無人機可以通過配備的自動診斷及顯示故障功能，自動返航到起點上空等待排除故障。在任何場地，都能夠全天時、全天候執行任務，觀測距離可大大超過操作員的可視距離。

4)高分辨率遙感影像數據獲取能力，適合于區域性專業應用

無人機遙感的亮點是實時獲取高分辨率遙感影像數據，其搭載的高精度成像設備，不僅滿足大范圍覆蓋的要求，還具備垂直或傾斜成像的能力。無人機遙感獲取的圖像空間分辨率可達亞米級，甚至可以更高，滿足1∶10 000以上比例尺的遙感應用需求。

2011年，我國首次成功試用Z-3直升無人機懸停在內蒙古三湖河口至昭君墳河段進行凌情應急遙感監測，實時傳輸在線凌情監測視頻信息，并實現凌情監測影像在線實時快速拼接，及時提供了防凌決策信息。

1.3 無人機遙感的關鍵技術

無人機遙感系統是指以無人機為平臺，搭載多種成像與非成像傳感器，飛行高度一般在幾千米以內(軍用可達10 km以上)，以獲取遙感圖像、視頻等信息的無人航空遙感與攝影測量系統，其關鍵技術包括以下四點。

1)無人機遙感平臺技術

無人機遙感平臺由飛行器分系統，測控及信息傳輸系統，信息獲取與處理以及綜合保障系統四部分組成。目前，國內研制無人機遙感系統的整機集成商大約有三十多家，眾多型號的無人機遙感平臺根據用途，大致可分為通用測繪型、長航時型、高升限型和監測型四個系列。在關鍵性能指標中，提高導航精度和自動起降精度將是科研人員下一步研究的重點。

2)無人機遙感設備的集成與接口技術

無人機可搭載的遙感設備包括空間分辨率(小于1 m×1 m)較高的機載合成孔徑雷達(SAR)和光學成像設備，考慮到功耗、重量等因素，要求質量較輕［4］(＜60 kg)。針對不同應用要求選擇性價比高的遙感設備，并進行標準化接口和科學化調試是集成應用型無人機航空遙感系統的關鍵。

3)遙感數據的實時處理與下傳

無人機遙感可以全天時作業，關鍵技術在于高分辨率遙感數據與其他數據(包括GPS定位、輔助導航定位、無人機飛行姿態、成像傳感器姿態角、航拍時刻等)的融合。無人機遙感數據都帶有地理位置和時間信息。應用抗干擾編碼技術，通過寬帶無線通信網絡，便可以將無人機遙感數據實時下傳到陸地基站。目前海量數據的實時下傳多采用高壓縮比的有損圖像壓縮，其誤差限制了無人機遙感在一些高標準領域(如測繪領域)的應用。因此，如何減小或消除圖像壓縮的損耗，從而提高下傳遙感圖像的質量也是無人機遙感的關鍵技術之一。

4)遙感數據的地面接收與處理

若想提供面向專業的遙感應用服務，必須解決海量無人機遙感的數據接收和處理技術，具體研究內容包括面向應用的數據接收站的建立、圖像數據庫的建立、遙感數據共享標準化、圖像數據的輻射糾正、幾何糾正、圖像反差調整和鄰域增強等。

2 非戰爭軍事行動對無人機遙感提出的需求

2.1 非戰爭軍事行動的內涵和特點

非戰爭軍事行動是美軍在冷戰結束后提出的一個概念，在“9·11”事件后，它的內涵和樣式都有了新的發展，但是懾止戰爭、提供應急救援仍是其核心內容。

隨著國家安全利益內涵的拓展，軍隊的職能也從準備和實施戰爭滲透到“非戰爭”領域。在國內，最初的非戰爭軍事行動多用于支援地方建設和維護社會穩定，但近年非傳統安全威脅大大增加，如“5.12”汶川地震、新疆暴恐事件等，其發生的具體時間、地點事前都難以確定，危害程度還很大，直接導致應急性的非戰爭軍事行動越來越頻繁。同時，非戰爭軍事行動的參戰力量多元，任務在多樣化的基礎上有時專業性也較強。

非戰爭軍事行動一般是在戰略層面，使用軍事力量消除沖突、維護和平與穩定而又不直接構成戰爭的準軍事實踐活動。其內容主要包括人道主義援助、維和行動、搶險救災、反恐行動、情報的收集與分享、聯合演習、撤離戰區非戰斗人員以及支援地方建設等。

由此可見，加強非戰爭軍事行動力量，充分發揮無人機遙感系統的作用，有利于提升軍隊完成多樣化軍事任務的能力，并大大提高了軍隊的應變能力，同時降低了人員傷亡情況，具有重要而特殊的意義。

2.2 非戰爭軍事行動對無人機遙感的迫切需求

非戰爭行動對無人機遙感提出了以下三點需求:

1)快速及時的地理信息保障

地理信息保障涵蓋了整個陸地、海洋、天空直到外太空的地理空間［5］。對于戰爭和非戰爭軍事行動來說，無論是戰略決策還是戰術行動，無一不依賴于地理信息。由于某些非戰爭軍事行動的突發性和強破壞性，無人機遙感影像的時效性非常關鍵，第一手影像通常具有戰略意義。

2)靈活多樣實時動態的地理信息保障

非戰爭軍事行動任務具有多變性，要求無人機遙感能夠提供不同比例尺的地理數據，既可以滿足戰略的決策需要，也可以滿足戰術行動的需要。在一些具體任務中要求無人機遙感能夠傳輸視頻、圖像、文本等，從不同側面描述和表達地形信息，最大程度地滿足戰術指揮決策中對地理信息的要求。

3)高精度的地理信息保障

地理數據的精確性、完備性、詳細性、準確性，直接影響著非戰爭軍事行動的戰略和戰術指揮決策，如在救災行動中，高精度的地理信息保障數據能有效地減少人員傷亡。

3 無人機遙感在非戰爭軍事行動中的應用

3.1 無人機遙感在災害應急救援中的應用

3.1.1 無人機遙感在地震應急救援中的應用

2008年，四川汶川發生8.0級地震，同時伴隨著大量山體崩塌、泥石流、滑坡以及堰塞湖等次生地質災害，主干道路嚴重破壞，救援生命線一度中斷。地震發生后，我國政府及時派出多型無人機航空遙感系統進入災區進行災情調查、滑坡動態監測、房屋和道路損害情況評估、救災效果評價等，為救災及災區重建起到了無法替代的作用［6］。這也極大推進了國內對無人機遙感應急救援應用的研究。

2014年，云南魯甸6.5級地震發生第二天，我國四旋翼無人機首次亮相，在克服震后降雨等不利因素后，經過長達2 h的飛行，獲取了災區417幅影像，分辨率達0.2 m，圖上可清晰看出房屋的損毀程度以及道路受阻、山體塌方、水位上漲等情況。國家測繪地理信息局力爭利用無人機遙感獲取更多震后影像數據，結合已有災區震前基礎測繪成果，快速對災區進行災害遙感解譯和評估，影像數據和情報還被及時提供給相關部門用于抗震救災指揮決策、災情評估、災害分析等。圖2為云南魯甸牛欄江紅石巖村段震前震后對比圖，圖2a)為2011年12月拍攝的衛星影像，分辨率0.5 m，圖2b)為2014年8月拍攝的無人機影像，分辨率0.2 m。

圖2 云南魯甸牛欄江紅石巖村段震前震后對比圖

3.1.2 無人機遙感在核泄漏事故中的應用

2011年3月11日，日本福島第一核電站在地震引發的海嘯中發生嚴重的核泄漏事故，因為核輻射的威脅，救援人員無法進入反應堆內查看情況。美國軍方迅速反應，派出全球鷹無人偵察機前往核電站上空近距離仔細觀察受損的核反應堆，并派出搭載測輻傳感器的微型無人機，監測和檢查福島核電站核燃料池附近的輻射水平。

2014年，日本索尼公司研發的新一代四旋翼無人飛行器，具有新穎的結構布局和獨特的飛行方式，具有自主或遙控飛行模式，可原地垂直起降，可實現空中定點懸停和固定航跡飛行，通過裝載攝像設備實現空中監測，視頻可直接下傳到地面站。上述優點可以使它深入反應堆內部，對于核專家關心的每個細節逐一進行詳細拍攝。

3.2 無人機遙感在海域和海島動態監測中的應用

我國海岸線較長，海域廣泛，海島統計數據有待補充更新，急需從太空到地面全方位多維立體的監測海域和海島動態使用情況，從而實現海洋信息綜合管理與服務。由于衛星遙感和航空遙感受天氣和拍攝周期等因素制約，無人機遙感優勢凸顯，它的輔助作用也越來越明顯。

利用無人機遙感，對沿海岸線圍海造地現狀、近海岸線資源保護及海島開發建設等情況進行實時監視監測;對海洋環境保護、海上船只動態、人工魚礁建設、海上養殖等方面進行實時監視監測，雖然監視監測范圍擴大了，但是數據精度的提高，有效減輕了人工作業強度，大大提高了工作效率。

此外，無人機遙感海上巡航搜索是未來艦載無人機的主要用途。它可以晝夜在可疑海域工作，也可臨時修正航線以滿足任務需求，實時獲取和傳輸視頻、圖像等數據，保障指揮決策高效可靠。

3.3 無人機遙感在應急測繪中的應用

無人機遙感技術日趨成熟，無人機攜帶的高精度相機設備具備垂直或傾斜攝影的能力，能夠低空多角度獲取建筑物表面高分辨率紋理影像，其影像分辨率達到分米級，可以建立高精度DEM模型和制作三維實景地圖，這使得它在應急測繪及地理信息保障等方面得到廣泛應用，取得的效果也相當令人滿意。例如，在2010年上海世博安保任務中，利用航空遙感數據生產的世博專題圖在安保專項任務中作用明顯。還有針對合理規劃實時交通運行方案、禁毒反恐圍捕等課題，使用低空小型無人機在小區域的專項測繪進行可行性分析，這對實時提供高精度遙感數據并且迅速展開任務規劃具有重要意義。

4 結束語

無人機遙感的應用需求正日益增加，由于無人機可最大限度接近目標，情報信息可信度高，在高危地區探測也少有損失。無人機遙感可靈活機動地實時獲取數據，它在非戰爭軍事行動領域必將大展拳腳。未來無人機遙感在小城鎮建設、森林火災撲救、生態環境監測、道路橋梁測量、艦載化的海島測繪以及重大活動安保等諸多領域將發揮更多積極作用。

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