無人機在圍填海動態監測中應用探討

周慶偉，汪小勇，孟潔，張松，白楊

(國家海洋技術中心 天津 300112)

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無人機在圍填海動態監測中應用探討

周慶偉，汪小勇，孟潔，張松，白楊

(國家海洋技術中心 天津 300112)

開展圍填海工程的海域使用動態監測是海洋管理部門加強監管、規范項目用海和施工、保護海洋資源環境的有效手段。圍填海項目動態監測現場勘測耗費大量的人力物力，而且時效性差，而無人機具有結構簡單、易操作、使用成本低、風險小、響應快、適應性強、平臺自主性強、可獲得高分辨率數據等優勢。文章對無人機在圍填海動態監測的應用進行了探討和展望。

無人機；圍填海；動態監測；應用

1 引言

我國海岸線總長度約3.2萬km，其中大陸海岸線北起中國同朝鮮之間的鴨綠江口，南至中國同越南之間的北侖河口，全長為1.8萬km；島嶼海岸線1.4萬km。我國沿海11個省、市、自治區具有臨海的位置優勢，對外經濟聯系方便，海運陸運便利，是經濟最發達的地區，其國內生產總值一直占全國的60%以上，同時承載著全國40%以上的人口，但是陸域土地面積僅為14%。隨著經濟的不斷發展和人口的快速增長，人地矛盾越來越突出，土地資源的不足長期制約了沿海地區社會經濟的發展步伐。自21世紀以來，沿海地區經濟持續快速發展，工業化、城市化和人口集聚進一步加快，從而加大了對土地資源的需求。沿海各地紛紛將發展目光轉向“藍色國土”——海洋，圍填海成為解決用地需求、發展經濟和拓展生活空間的重要形式之一。

多年來，國家海洋局制定和實施了一系列圍填海管理政策和法規。國家海洋局2002年頒布實施了《中華人民共和國海域使用管理法》，2007年印發《填海項目竣工海域使用驗收管理辦法》，并聯合國家發展和改革委員會于2011年頒布實施了《圍填海計劃管理辦法》，根據這3個規定圍填海項目需進行全過程動態監測。

2 圍填海工程海域使用動態監測

“海域使用”指持續使用特定海域3個月以上的排他性用海活動。《海域使用分類》中指出：“填海造地”指筑堤圍割海域填成土地，并形成有效岸線的用海方式；“圍海”指通過筑堤或其他手段，以全部或部分閉合形式圍割海域進行海洋開發活動的用海方式[1]。圍填海包括填海和圍海兩種方式，填海包括直接填充和先進性圍割再填充兩種方式；圍海包含沿海岸進行圍割海域的用海方式和全部在海中進行筑堤圍割的用海方式[2]。圍填海可定義為：通過人工修筑堤壩、填埋土石方等工程措施，將天然海域空間改變成陸地，以拓展社會經濟發展空間的人類活動，它是當前我國海岸開發利用的主要形式。

圍填海工程的海域使用動態監測是海洋管理部門加強監管、規范項目用海和施工、保護海洋資源環境的有效手段[3]。《填海項目竣工海域使用驗收管理辦法》(國海發〔2007〕16號)要求填海項目在竣工驗收時需要提交施工過程中海域使用動態監測報告。但是目前國內關于圍填海工程的監測和驗收等內容沒有形成正式的技術規范或規程，只有在國家海洋局東海分局于2010年編制的《填海項目海域使用動態監測技術規程——試用稿》中規定了填海項目實施工期內海洋水文動力、水深地形、海洋環境以及海域使用等動態監測的基本內容和基本方法，其中對于岸線變化和地形的監測內容、范圍、技術要求、比例尺和監測周期都有了明確的規定。在該規程中的岸線變化和地形監測的方法和依據主要參照《海籍調查規范》和《海洋工程地形測量規范》，測量方法基本使用GPS、DGPS、全站儀等傳統測量設備進行現場人工勘測。除人工勘測外目前監測手段還有無人機監測、衛星遙感監測等手段。

人工勘測的缺點主要表現在：應對從幾平方千米到幾十平方千米甚至是上百平方千米的大范圍監測時，現場勘測需要耗費大量的人力物力；且監測區域環境復雜，現場施工車輛、設備眾多，現場勘測困難很多測量點無法到達。上述兩點原因造成勘測周期較長、時效性差，人工勘測往往需要幾周甚至更長的時間，所出具的成果報告也會有一定的延遲。衛星遙感影像檢測與地理信息系統相結合的技術手段，可以快速、有效地對海岸帶及其海域空間變化，進行及時、準確的動態監測，具有宏觀、快速、直觀等特點[2]，但是高分辨率的衛星遙感數據難以獲取，低分辨率的遙感數據又無法滿足圍填海監測的要求。

3 無人機系統

無人飛行載具(unmanned aerial vehicle，UAV)或稱無人飛機系統(unmanned aircraft system，UAS)俗稱無人飛機、無人機，廣義上為不需要駕駛員登機駕駛的、通過無線遙控或規劃航線飛行的各式飛行器。

3.1 無人機的組成和分類

無人機系統主要包括飛機機體、飛控系統、載荷系統(武器、偵查設備等)、發射回收系統和動力系統等部分[4]。無人機種類多種多樣，按用途可分為軍用和民用；按控制系統可分為自航和遙控無人機；按續航能力和航程的長短可分為長航時、中程、短程和近程無人機；按機體所產生的升力方式又可分為旋翼無人機、固定翼無人機、傘翼無人機和無人飛艇等。

不同形式的無人機各有優缺點：① 旋翼無人機，其優點是可垂直起降，能以較慢的速度飛行，甚至能夠在空中懸停、倒飛、側飛；缺點是續航時間較短，機身振動較大，抗風能力一般。② 固定翼無人機，具有飛行速度快、飛行穩定、抗風性強的優點；缺點是不適于低速飛行，而且起降需要無遮擋的較大空間。③ 無人飛艇耗能少，續航時間一般很長，需要很小的動力輸出就可以在空中懸停和飛行；缺點是體積大，抗風能力較差，而且由于自身慣性大，受控后的反應時間較長[5]。④ 傘翼無人機續航時間長，巡航速度較低；缺點是體積大，抗風能力較差，需要合適的跑道進行起飛和回收。

3.2 無人機的優勢

無人機除軍事用途外，民用方面已在多領域得到廣泛應用，如警務應用、新聞媒體、搶險救災、航空攝影、農林監測、氣象監測、地質調查、環境評估、管線巡檢、海洋測繪、海洋調查、礦產資源勘探、土地資源動態監測、數字化城市建設等[5-7]。無人機主要具有以下優勢。

(1)結構簡單，易操作。隨著技術的不斷發展，其結構會越來越簡單，操作也越來越智能化和自動化；操作人員只需短期培訓就可進行作業。

(2)使用成本低，效費比好，勘測人員風險小。無人機體形小，耗費低，具有可更換的配件，一次投入可重復使用；系統的保養和維修簡便，不用租賃起飛和停放場地；無人機可以飛行到危險地域或人員難以到達的區域進行勘測活動。

(3)適應性強，響應快，工作效率高。與衛星遙感和載人機航空遙感相比，其起降受場地限制較小，在廣場、屋頂、公路或其他較開闊的場地均可起降；對氣候條件要求較低，對地形適應性強，能對人工探測無法達到的地區進行監測；攜帶、運輸、轉場容易，可快速到達工作區域；飛行高度可覆蓋50～4 000 m，對測區進行大范圍監測業務，也可實現低空間較小范圍精確監測[8-9]。

(4)平臺自主性強，可獲得高分辨率數據。機載數據獲取系統可搭載不同的傳感器，如果搭載高精度數碼成像設備可使獲取的圖像空間分辨率達到分米級甚至是厘米級[7]，具有高清晰、大比例尺、小面積、高現勢性等優點。

4 無人機在圍填海動態監測中的應用

圍填海動態監測工作環境復雜、惡劣，并存在很多安全隱患，而且對監測的結果要求具有一定的時效性，無人機在圍填海動態監測具有較多優勢，同時結合GPS、GIS和衛星遙感等技術能夠更加準確地進行圍填海動態監測，從而加強海域使用監督管理工作。在使用無人機進行動態監測時需要根據區域面積、地理環境等情況選擇合適的無人機進行航測。根據不同形式無人機的優缺點，建議選擇固定翼無人機進行圍填海動態監測，航測的作業流程如圖1所示。

圖1 航測的作業流程

5 探討

圍填海動態監測過程中人工現場勘測工作費時費力，出具的成果時效性差，很難達到動態監測的目的。而無人機具備結構簡單、易操作、使用成本低、勘測人員風險小、響應快、適應性強、平臺自主性強、可獲得高分辨率數據等能力，尤其是在大范圍的圍填海工程中可以節省大量的人力物力，短時間內提供準確、高精度的地理信息數據等成果，在圍填海動態監測方面具有巨大的應用前景。當然，無人機也有其不足的一面，如起飛和降落需要一定的場地；對氣候條件要求較高；無人機勘測前要進行相應的申請、備案；存在一定的丟失風險，這需要隨著科技的進步以及政策方面的支持逐步完善動態監測方法，以便更加合理、有序、有效地進行海域開發利用的動態監測。

[1] 國家海洋局.HY/T 123-2009海域使用分類[S].2009.

[2] 吳正鵬,奚歌,王健潔,等.藎于多源遙感影像的圍填海監測:以天津南港工業區為例[J].城市勘測,2012(6):77-80.

[3] 鮑旭平,張釗,呂寶強,等.淺談圍填海工程海域使用動態監測方案設計:以溫州市甌飛淤漲型高涂圍墾養殖用海規劃為例[J].海洋開發與管理,2014，31(3):65-68.

[4] 王利民,劉佳,楊玲波,等.基于無人機影像的農情遙感監測應用[J].農業工程學報,2013(18):136-145.

[5] 于顯利,劉順安,劉佳琳,等.無人機在地球物理探測中的應用[J].中國礦業,2012,21(7):107-109.

[6] 雷添杰,宮阿都,李長春,等.無人機遙感系統在低溫雨雪冰凍災害監測中的應用[J].安徽農業科學,2011,39(4):2417-2419,2423.

[7] 王芳,宋士林,葛清忠,等.無人機在海洋調查中的應用前景展望[J].海洋開發與管理,2013，30(2):44-45.

[8] 田凱.無人機在水文監測中的應用前景[J].現代農業科技,2013(17):221-222.

[9] 李志彬,崔娜娜.無人機遙感技術的優勢及其在測繪測量中的應用[J].建筑工程技術與設計,2014(25):830-830.

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1005-9857(2015)12-0057-03