極地航空對地觀測現狀與展望

龐小平 季 青 崔祥斌 朱李忠, 范 沛

（1.武漢大學 中國南極測繪研究中心 武漢 430079；2.武漢大學 極地測繪科學國家測繪地理信息局重點實驗室 武漢 430079；3.中國極地研究中心 上海 200136；4.黑龍江(省)測繪地理信息局 哈爾濱 150081）

0 引言

全球氣候變化對極地地區造成劇烈影響[1]。受地理位置、自然環境和觀測手段的限制，長期以來，我國對于兩極地區的認識存在不足，對極地生態環境和自然資源潛力的評估相對落后。遙感技術是獲得極區觀測數據最有效的手段之一，其能夠全天時、大范圍、定量化、持續性監測極區環境參數及其變化[2]。航空遙感技術是遙感對地觀測體系的重要組成部分。相對于衛星遙感，航空遙感具有較低的飛行高度，因而可以提供更高的時空分辨率、更優的觀測精度以及更靈活的時間覆蓋度，從而在衛星遙感與地面觀測之間建立橋梁，推動極地觀測的立體化和精細化發展[3]。

我國在極地航空對地觀測領域起步較晚，在觀測技術手段和科學研究的廣度與深度方面均落后于極地考察強國，對極地環境變化的監測與自然資源潛力的評估相對不足，極大影響了我國應對全球氣候變化和處理南北極事務的能力。隨著我國極地事業的發展和對極地權益的戰略需求，應用航空平臺獲取極地環境信息的緊迫性越來越強烈。在作為國家戰略新疆域和天然試驗場的極地區域開展航空考察，可滿足國家權益和極地戰略落實的需求、滿足我國“十四五”期間極地資源與環境綜合考察的需求、滿足全球變化研究的需求，因而具有重要的科學和實踐意義。本文即在此背景下，歸納和總結國外極地航空對地觀測項目及其應用，分析我國極地航空對地觀測的現狀和差距，嘗試給出我國極地航空遙感應用方向，以期更有效地開展我國極地的“地-空-天”立體觀測，更好地認知和利用極地資源，為人類共同利益服務。

1 國外極地航空對地觀測概述

西北領地和北極群島航空考察計劃，便在加拿大皇家空軍的后勤支持下，對北極和亞北極大量難以到達的區域進行了大規模的地面大地測量和生態學考察，而該次考察的總結報告也是科學引文索引數據庫（web of science）收錄的第1 篇關于極地航空考察的文獻資料[4]。1946 年，美國首次對南極進行了機載雷達測高實驗[5]。1955 年至1957 年，英國首次對福克蘭群島（馬爾維納斯群島）、南設得蘭群島和南極半島北部進行了詳盡的航空攝影測量實驗，并在部分區域進行了航空重力和地磁測量。該次考察被認為是現代南極航空考察的開端，從此，南極考察更加注重科學性，而非探險性[6]。此外，蘇聯也在1956 年基于固定翼飛機對南極進行了首次航空物探調查[7]。20 世紀80 年代之后，南北極航空考察開始加速。考慮到遙感數據的時效性和航空測量技術的迭代，本文著重介紹2000 年之后的國外極地航空對地觀測計劃。全球范圍內迄今為止持續時間最長、覆蓋范圍最廣、載荷種類最多的極地航空考察計劃是美國國家航空航天局（national aeronautics and space admini-stration,NASA）主導的“冰橋”計劃（operation icebridge,OIB）。其最初目的是為了填補冰、云和陸地高程衛星（ice,cloud and land elevation satellite,ICESat）結束任務后極地海冰、冰蓋高程測量數據的空白，并為新一代ICESat-2 衛星的發射進行預研和算法評估[8]。2009 年至2019 年的11 年間，“冰橋”計劃使用P-3B、LC-130、DC-8 和Ikhana 等多種適應極地考察的飛機和無人機平臺，集成光學相機、雷達、激光雷達和航空重力儀等多類別多型號傳感器，觀測了南極、格陵蘭冰蓋和南北極海冰區域等眾多氣候和戰略敏感區，獲取了大量連續且高質量的科學數據，支撐了一系列南北極海冰變化、冰蓋消融和傳感器檢校的研究[9-10]，取得了遠超原定計劃的成果。“冰橋”計劃所采用的傳感器及其應用如表1[11]所示，其數據采集區域如下頁圖1 所示，這些數據可由https://nsidc.org/icebridge/portal 網站下載。

圖1 美國“冰橋”計劃歷年南北極數據采集路線

表1 OIB 計劃采用的主要傳感器

續表1

國外極地航空遙感項目不僅可為我國學者研究正在經歷快速變化的北極和南極地區提供海量的科學資料，也為我國建設自主的極地航空遙感對地觀測體系提供了借鑒。

國外的極地航空遙感實驗起步較早，早期的極地考察一般將飛機作為運輸工具而非載荷平臺。例如1946 年至1948 年進行的加拿大北昂加瓦、除美國外，歐洲國家也開展了一系列南北極航空考察計劃（CryoVEx、SMOSIce、IceSAR 等），取得了寶貴的實測資料和戰略信息，如下頁表2所示。例如：由歐空局（European space agency,ESA）和NASA 合作推進的激光和雷達測高項目（the airborne laser,radar altimeter,LaRA）首次同時 獲取了冰雪表面的激光和微波測高數據集，為后續的冰蓋和海冰厚度變化監測指明了方向。目前由歐洲主導的最綜合的極地航空測量計劃是 CryoVEx 計劃（CryoSat validation experiment），是指歐 空局為了對CryoSat 和CryoSat-2 衛星數據的可靠性進行驗證所進行的一系列航空觀測實驗。最早的一次CryoVEx 觀測實驗于2003 年春季在斯瓦爾巴群島北部海域進行（CryoVEx 2003）[12]，該計劃每 1～ 2 年重復執行1 次。例如：北極地區的CryoVEx 2008、CryoVEx ASRIAS、CryoVEx AEM 和CryoVEx ICESat-2 Summer 2019 計劃，以及南極地區的CryoVEx Ant 和CryoVEx Ant 2008/2009 計劃等，取得了大量雷達、激光和GNSS 測高數據，支撐了一系列研究成果[13-14]。

表2 歐洲主導或美歐合作主要極地航空遙感計劃及其應用

除了通過測高手段間接獲取海冰厚度之外，德國阿爾弗雷德·魏格納極地和海洋研究所（Alfred-Wegener-Institute for polar and marine research,AWI）也開發了一種便攜式的頻率域電磁感應系統（helicopter-borne electromagnetic induction system,EM-Bird），其可以掛載于直升機等航空平臺之上，直接準確地測量海冰厚度[15]。由于其較低的成本和較高的測量精度（特別是在平整冰上），EM-bird 被廣泛應用于南北極海冰考察之中，其獲取的海冰厚度數據不僅應用于海冰變化監測，也可以作為實測基準數據校準和驗證基于衛星遙感和模型的海冰厚度產品[16-17]。此外，歐洲相關科研機構還和美國合作，開展了ICECAP（international collaborative exploration of the cryosphere by airborne profiling）等一系列極地航空考察計劃。上述歐空局主導的極地航空考察數據可從https://earth.esa.int/eogateway/campaigns 網站查詢。除了專門的極地航空考察計劃之外，各國的常規南北極考察和諸如SHEBA（The surface heat budget of the Arctic ocean）[18]、N-ICE 2015（Norwegian young sea ICE expedition）[19]和MOSAiC（multidisciplinary drifting observatory for the study of Arctic climate）[20]等大規模南北極多學科綜合考察也會獲取大量機載對地觀測數據。以MOSAiC 計劃為例，該計劃涵蓋了大氣、海冰、海洋、生態和生物地球化學循環等眾多學科，是迄今學科最齊全、支撐能力最強的北極科考計劃。MOSAiC 漂流冰站主要依托德國的極星號破冰船，但直升機和無人機觀測系統在考察中也扮演著重要角色，其觀測的海冰參數包括冰面形態、溫度、氣溶膠濃度、空間和垂直輻射通量以及空間近地表湍流能量通量等，為海冰物質平衡及其與上層海洋耦合機制的研究提供了寶貴的數據源。

2 我國極地航空對地觀測現狀

我國在極地航空領域的研究起步較晚。由于缺少相應的飛行平臺支持，國內早期的研究主要基于我國船載直升機平臺和國外公開的航空數據集。這些研究可以分為以下幾類：一是利用我國常規南北極考察所獲取的基于直升機或無人機的高分辨率可見光影像，對海冰特征進行研究。我國首次北極考察便基于直-9 型直升機進行了航空觀測。利用高分辨率的數字相機影像，趙進平等[21]提取了夏季破碎海冰的形態參數，如海冰密集度、海冰邊緣線、冰水比例以及破碎度等。此后，高分辨率的航空和無人機影像被廣泛應用于北極海冰密集度反演、冰面粗糙度提取和融池監測等研究[22-26]。我國南極的航空考察主要集中于中山站周邊的普利茲灣等區域。基于航拍數據，盧鵬等[27-28]對南極普里茲灣夏季海冰邊緣區海冰特征進行了詳細研究，并將邊緣區進一步細分為邊界區、過渡區和內部區三部分。二是利用國外公開的雷達或激光測高數據，對南北極海冰和積雪厚度、干舷、冰脊和冰蓋地形進行研究[29-33]。三是將航空數據作為輔助數據，對基于星載傳感器反演的冰雪參數進行對比和驗證[34-36]。此外，我國研究人員還利用高分辨率航空和無人機影像，對南極企鵝等標志性物種進行了精準識別，并研究了較長時序的企鵝種群數量分布和發展趨勢，為氣候變化背景下南極生態環境保護提供了理論基礎和數據支撐[37-38]。

隨著我國極地事業的發展和對極地權益的戰略需求，應用航空平臺獲取極地重要環境與資源信息的緊迫性越來越強。我國極地航空遙感事業正在快速發展，現階段已經裝配了“雪鷹601”固定翼飛機,“雪鷹12”、“海豚”直升機以及“雪燕”、“大白鯊”、“極鷹”等無人機（下頁圖2），并擁有站區機場和雪龍船起飛平臺，已初步開展了對北極航道、黃河站山地冰川、南極長城站生態環境、南極PANDA 斷面冰表和冰下地形等的觀測。這些航空觀測平臺的主要技術指標如表3所示。

圖2 我國現有極地航空遙感平臺

表3 我國極地考察固定翼飛機、直升機及無人機平臺載荷參數

2015 年裝配的“雪鷹601”是我國首架極地考察固定翼飛機，也是目前我國南極航空對地觀測所依賴的主要平臺。“雪鷹601”集成了冰雷達、重力儀、磁力儀、激光高度計和光學相機等傳感器，并裝配了GNSS 系統等輔助設備，其服役標志著中國極地航空考察邁入了“航空時代”[39]。2015 年以來，“雪鷹601”參與了AGAP（the Antarctic Gamburtsev province project）和ICECAP 等綜合性國際合作項目，在南極冰蓋，特別是PANDA（Prydz bay,Amery ice shelf and dome A）斷面及伊麗莎白公主地（princess Elizabeth land,PEL）進行了大范圍航空科學調查，取得了重大的研究成果[40]。

在2019 年底的中國第36 次南極科考期間，針對載荷設備國產化，崔祥斌等[41]實現了國產捷聯式航空重力儀與南極考察固定翼飛機“雪鷹601”的系統集成，并通過地面、機上靜態和飛行測試充分驗證了系統的可靠性和穩定性，共完成了9 個架次的航空重力觀測，總測線長度近1.5 萬km，填補了大量數據空白（參見下頁圖3）。該次考察所獲取數據將參與下一代國際南極航空重力數據集構建，有力地提升我國南極考察中的國際影響力。

圖3 基于國產航空重力儀量測的伊麗莎白公主地重力異常示意圖

無人機平臺也大量應用于我國極地考察工作。相比于傳統航空測量手段，無人機平臺操作簡便、部署靈活，可以彌補“雪鷹601”飛機因承擔后勤運輸工作而導致的機時不足問題。北京航天航空大學、北京師范大學和黑龍江測繪地理信息局等機構針對南北極特殊的氣象與地磁等環境，基于無人機平臺進行了一系列研究工作[42]。例如：針對極地特殊的氣象和地磁環境，中國極地研究中心和北京航空航天大學聯合研制了“賊鷗”和“大白鯊”這2 種固定翼機型，為“雪龍”號海冰卸貨提供了保 障；黑龍江測繪地理信息局則針對南極特殊的地理和氣象環境，基于直升機平臺，繪制出符合規范要求的南極1∶1 000 至1∶5 000 系列比例尺地形圖，并在長城站等區域周邊開展傾斜攝影測量，制作了長城站實景三維地圖。

3 我國極地航空對地觀測與應用展望

目前，我國極地航空觀測技術已經取得了重大突破，但距離國外先進水平依然有著較大差距。在觀測體系方面，國外極地研究機構已經形成了完備的航空測量體系，而我國專門用于極地航空觀測的計劃和任務較少，沒有類似于美國“冰橋”計劃的業務化運行維護的大型綜合極地考察任務計劃。在觀測平臺和設備方面，各類國產測量裝備尚未大規模應用于南北極，并且對現有設備和飛行平臺的改裝與集成技術仍不成熟。

下頁圖4[40]為我國“雪鷹601”考察飛機和美國NASA“冰橋”計劃使用的P-3B 運輸機集成載荷對比圖。可以看出，我國“雪鷹601”的集成載荷較少，尚不能滿足對極地環境多要素、全方位的綜合立體觀測。此外,“雪鷹601”所集成的機載傳感器以進口儀器為主，自主研發的高分機載傳感器在極地的應用空缺，低溫環境下的指標性能未得到檢驗，缺乏相對應的冰雪環境應用分析研究。在數據發布和使用方面，我國極地考察數據發布平臺缺失，所獲取的數據尚未被廣泛、綜合利用。隨著全球氣候變化，北極航道開通，針對南北極航路保障等現實需求，極地航空測量大有可為。綜合國內外極地航空遙感發展現狀，從國家長遠戰略角度出發，我國極地航空遙感的應用展望可以歸納為以下幾點：

圖4 NASA“冰橋”所使用P3 運輸機和“雪鷹601”考察飛機集成載荷對比

（1）面向測量設備國產化的需求，在現有遙感平臺和傳感器的基礎上，增配自主研制的傳感器，在極地開展極端環境下高分辨率航空遙感觀測關鍵技術與應用示范研究，系統研究國產設備在極端條件下的穩定性以及國產設備和國際先進設備測量成果的一致性，并開發自主可控的數據處理和分析平臺，逐步形成獨立自主的極地航空遙感觀測體系；

（2）面向“空-天-地”多源觀測數據融合的需求，充分利用航空遙感尺度和精度的優勢，吸取“冰橋”計劃的先進經驗，開展大氣環境、海冰、近海地形等觀測，形成圍繞“北斗”衛星導航系統，“風云”、“海洋”、“高分”系列對地觀測衛星，“雪鷹601”等機載平臺，“雪龍”和“雪龍2”號船基考察平臺，以及我國現有南北極考察站的“天-空-海”和“天-空-地”立體觀測體系，實現快速準確獲取冰蓋地形、站區地物、航道海冰和岸線資源等重要的極地資源與環境參數信息；

（3）面向極地考察智能化的需求，充分發揮人工智能和機器學習在極地考察的優勢，設計自主化、智能化的極地考察設備，利用深度學習技術，探索基于航空遙感的極地關鍵參數快速反演、分析和預測算法，建立起極地智能化數據獲取分析和應用平臺；

（4）面向“一帶一路”和“冰上絲綢之路”建設的需求，基于北極航道航行保障的要求，充分利用現有設備，利用直升機平臺、無人機平臺開展北極航道的冰情觀測，結合氣象、水文、港口和沿岸國家法律信息，構建北極航道通航安全保障系統，同時展開艦船目標的遙感識別研究；

（5）面向考察站站區安全和后勤保障的需求，利用“雪鷹601”固定翼飛機開展PANDA 斷面綜合考察和變化監測，保障我國南極內陸考察的安全開展，同時應用無人機觀測平臺開展高精度數字高程模型（digital elevation model,DEM) 和站區生態環境信息的獲取；

（6）面向極地氣候變化監測的需求，在南極內陸冰蓋區域，可利用固定翼飛機平臺開展冰雷達、重力等觀測，獲取冰蓋表面流速、冰層層析等信息，為冰蓋物質平衡研究和資源調查服務，在北極黃河站區域，可通過無人機平臺開展冰川監測、站區地形、大氣環境等觀測，獲取北極高緯第一手冰雪和大氣環境資料，支撐我國氣候科學發展；

（7）面向研究成果國際化的需求，積極參與國際合作項目，通過國際合作加快我國極地科學考察的步伐，提高我國在極地領域的話語權，為極地科學考察貢獻中國力量，驅使我國從極地考察大國邁向極地強國。

4 結語

在美歐極地航空遙感不斷發展的背景下，加速提升我國極地航空遙感對地觀測能力的要求越來越緊迫。開展極地航空對地觀測，可獲取北極航道通航環境信息、考察站區高精度地形、考察區域避險交通路線、極區大氣環境、生態環境和海洋資源等重要信息，維護我國的極地國家權益，不斷滿足我國經濟、軍事和科學需求。近些年，我國極地航空事業發展迅速，但依舊面臨著設備國產化程度不足、平臺集成能力有限等問題，仍有較大的提升空間。未來應加速自主航空傳感器的研制，并在極區進行觀測示范，檢定國產傳感器在極地特殊冰雪環境下的工作成效，促進我國極地高分航空遙感對地觀測技術的發展，為更好地認識與和平利用極地作出貢獻。