上海海事测绘中心 上海 200090
摘要：随着海洋经济快速发展对海洋测绘的需求越来越大，海洋测绘的手段急需创新，无人机技术在海洋测绘中的发展前景得到业内人士广泛关注。本文通过分析无人机系统的组成及其在海洋测绘应用中的优势来探讨无人机技术在海洋测绘中的发展前景。
关键词：无人机，海洋测绘，发展前景
1 概述
海洋测绘是一切海上活动的基础和先导，一切海上活动都离不开海洋测绘的保障。进入新世纪以后，我国在高度重视海洋安全和海洋经济发展的同时，也更加关注海洋测绘的发展。中国海域辽阔，海岛众多，海岸线曲折漫长。但海岛的地势、地貌较为复杂，基础地理信息获取困难，常规的人工测量或船载作业方式难以完成基础地理空间的采集任务，现有卫星遥感和航空遥感的分辨率、现势性不够，导致许多海岛海岸带地区仍然存在地形数据空白区域[1]。此外，港口、河流入海口、近海岸等水陆交界地带是人类活动相对频繁的海域，在人为因素和自然因素的作用下，这些区域的地形地势变化也比较频繁，加强对这些海域的测绘，对人们更好地开发利用海洋有重要意义。
相比传统的海洋测绘手段，利用无人机技术进行海洋测绘工作具有机动性更高、时效性更强等优点。将其用于航海保障领域，可与传统的海洋测绘技术相结合，从而提升海洋测绘服务水平，更好地促进海洋事业的发展。
2 无人机系统组成
无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空飞行器[2]。无人机系统是由飞行器、平台任务模块、飞控模块、地面控制站、地面通讯模块几个主要部分组成。无人机是搭载载荷、执行任务的平台，按照结构形态可分为固定翼无人机和旋翼无人机，根据其性能和执行任务的范围可分为超近程无人机、近程无人机、中远程无人机等[3]。无人机可以根据任务需求搭载有效载荷的平台任务模块，常用的有轻型光学相机、CCD 数码相机、红外扫描仪、多光谱成像仪、磁测仪、三维激光扫描仪等遥感遥测设备。飞控模块是无人机系统的核心组成，包括无人机的飞行模式切换、姿态控制、速度控制、航线规划等。地面控制站是系统的指挥中心，通过软硬件等设备配合无人机系统进行任务规划，控制无人机起降，实时监测系统工作状态发出系统各种控制指令，并完成飞行的过程相关数据的存储。地面通讯模块是实现无人机与地面控制站通信连接的关键环节，可以将平台任务模块采集的数据实时回传给地面，同时将无人机下行数据信息发送至地面站，将上行的指令信息发送至无人机和平台任务模块。
3 无人机在海洋测绘应用中的优势
3.1岸线地形测量方面的优势
利用无人机进行岸线地形，比传统的测绘方法速度快，并能深入海水区域，获取的位置信息数据具有更高的空间分辨率，可以完成大比例尺制图。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆从无人机搭载的测量模块中的数据可以提取海岸、入海口、港口等海域的轮廓线及其变化，结合GIS 技术对面积、长度、变化量等量化分析并预测变化趋势[4]。特别是对一些孤立的离岸较远的海岛礁的测绘中，由于海岛礁的形状、分布不规则，且测量人员很难靠近这些海岛礁，传统的测量手段很难精确测定出其岸线地形要素信息，利用无人机搭载三维激光扫描仪或高光谱成像系统就可以快速精确解决。
3.2水下障碍物磁测方面的优势
与船载磁力仪对水下障碍物进行磁测探寻相比，利用无人机系统进行水下障碍物磁测具有许多独特的优点：
1、它不受地理位置、天气和人为条件的限制，可以覆盖地理位置偏远、环境条件恶劣的海区及由于政治原因不能直接去进行常规调查的海区。具有机动灵活、快速反应的优势，操作简单，到达目标点速度快。
2、船载磁力测量过程中仪器经常会刮到渔网或其他水下不明碍航物，从而会受到一定的损坏，特别是对于执行一些危险任务时，人员安全还会受到影响。与有船载磁力测量相比，无人机磁测的安全性更高。
3、船载磁力测量能够获取高精度、高分辨率地磁信息，并且可用于水下磁性目标探测作业，但由于作业效率低，只能满足我国局部重点海区的高精度测量作业要求。而无人机磁测能在短时间内获取大面积磁测信息，具有作业成本低、耗费时间短、劳动强度低、综合效率高等诸多特点[5]。
4 无人机海洋测绘技术的难点及发展前景
开展无人机海洋测绘的关键是无人机平台，而无人机平台要实现中远海测绘只能选择陆地长续航能力无人机或者船载无人机。随着无人机技术不断发展和无人机市场的逐渐成熟，基本可以实现中远海测绘功能，但远距离监控和数据传输难度较大，海上实际作业可行性大打折扣。由于船载无人机能够随船配备，具有机动灵活、操纵方便、远距离作业等技术特点，在我国海洋测绘从近海转向中远海的大背景下，船载无人机海洋测绘必将成为下一步的发展重点，然而也面临着诸多难点。
4.1无人机的起降与抗风性
在不满足正常起降条件的情况下勉强起降会大大增加无人机损坏的可能性，无人机的损毁事故也大多发生在起降阶段。如果使用小、轻型无人机则由于飞行高度低，在低空作业时受风速、风向影响大。一般通过提高抗风性能的方法是增加飞机重量，但这样会使无人机的起降要求提高且载荷变得更有限，同时能耗增大导致续航能力降低[6]。另外，目前的测量船舶平台普遍难以满足无人机起降的场地要求。所以如何利用好更便捷的回收技术降低无人机对场地的要求，以及在不增加无人机重量或尽量轻型化的条件下如何通过改进设计和提高飞制技术来提高抗风性能来保证飞行质量，这是目前无人机行业的一个难点。
4.2数据传输存储能力
无人机的数据传输一般采用无线通信方式，地面控制站将遥控信息发送至无人机（上行通道），无人机将各种数据信息传送回地面控制站（下行通道）。无线通信的方式受通讯距离、天线的功率、噪声干扰等因素影响较大，如何改进这些问题是这种通信方式更适合无人机海洋测绘应用是一个待解决的问题。另外，无人机的测控数据和测量数据还可以通过卫星通讯的方式来进行实时传输，但是这样的代价就更高并且需要开发专用的数据传输和存储系统。
4.3飞控技术和导航技术
飞控系统实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类，是保证飞机控制精度的关键，也是各大无人机厂商研究的重点。导航系统向无人机提供参考坐标系的位置、速度、飞行姿态等信息，引导无人机按照指定航线飞行，是整个无人机测量系统的眼睛。无人机导航系统主要分非自主(GPS等)和自主(惯性制导)两种，但分别有易受干扰和误差积累增大的缺点，因此，高精度、高可靠性、高抗干扰性能的导航技术将是未来的发展方向[7]。
4.4无人机测量系统小型化和模块化
无人机实际载荷与续航时间、可操作性等息息相关，特别是对于载荷有限的无人机平台，设备小型化是其发展的必然要求；未来，无人机平台必将是一个多任务系统，具备多要素的同步获取能力，模块化配置是满足这一需求的有效途径。[6]
通过对无人机海洋测绘技术的难点的分析总结，可以得出无人机海洋测绘技术的发展趋势为更高的姿态稳定性和定位精度、更强的抗干扰性和数据传输能力、更优的交互性和可操控性。
5 结束语
和传统海洋测绘方法相比，无人机测绘系统机动灵活、高效便捷和作业成本低的特点对海洋测绘部门实现海岸带、海岛礁地形自主按需测绘具有重要意义。另外，由于无人机技术方面的限制，目前从空中进行水下测量的技术水平尚不成熟，仍需使用多波束和声纳进行水下测量。充分发挥无人机技术与传统海洋测绘方式的优势，采用多种测量手段相结合的方式可以更高效地完成海洋测绘任务。
参考文献：
[1]邓才龙,刘焱雄,田梓文,等.无人机遥感在海岛海岸带监测中的应用研究[J].海岸工程,2014,33(4): 41～48.
[2]陶于金,李沛峰.无人机系统发展与关键技术综述[J].航空制造技术, 2014, 464(20):34-39.
[3]曹洪涛,张拯宁,李明,等.无人机遥感海洋监测应用探讨[J].海洋信息,2015(1):51-54.
[4]宫照庆.无人机在海洋测绘中的应用前景探讨[J].低碳世界,2016(1):72-73.
论文作者:彭舒婷,杨杰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第33期
论文发表时间:2019/2/27
标签：无人机论文; 海洋论文; 海岛论文; 测量论文; 技术论文; 作业论文; 系统论文; 《防护工程》2018年第33期论文;