无人机遥感在非战争军事行动中的应用

姚园园，朱 辉

(解放军61175部队， 南京210049)

0 引言

无人机遥感技术是集无人飞行器、遥感、传感器、遥控、通信、(POS)定位、全球定位系统(GPS)差分定位等技术于一体的系统技术，可以自动、智能、专业、快速的获取国土、资源、环境、事件等空间遥感信息，并进行实时处理、建模和分析［1］。目前，无人机遥感的应用非常广泛，各国政府或军队都在大力发展与其相关的机身结构、飞行器、传感器以及数据存储、处理和传输等技术。最初，无人机遥感的研究成果大多都来自于军事需求的牵引，但其在非战争军事行动中的作用越来越明显，甚至对它的发展趋势提出了更多更高的要求。

1 无人机遥感介绍

1.1 国内外研究现状

随着数字化、小型化和高精度的新型传感器的出现，无人机遥感的应用范围和领域得到了迅速拓展。目前，无人机的类型已达数百种之多，用途多样，性能各异，续航时间持续增加，根据平台搭载的任务载荷的不同，无人机执行任务的时间、范围都可灵活实现，这也为搭载多种传感器和执行专项任务创造了有利条件。其中，遥感传感器是无人机平台的眼睛，是无人机遥感得以广泛应用的基础［2］。

自21世纪以来，美国对无人机遥感的应用呈现加速发展趋势，研发的预算规模不断扩大。美海军“MQ-4C”遥感系统是最新型的无人机平台，其功能包括监视、侦察、情报，可在18 km高空持续飞行24 h，通过其平台上的高性能传感器可对视场下方进行360°监控，一次飞行就可侦查近7 000 000 km2海域，分辨率小于0.1 m，可实时收发数据，自动识别舰船，自动校正紊流引起的扰动，具备除冰和防雷击功能，与其他无人机相比具有跟高的飞行高度和更远的航行距离［1］。这些功能确保其战时能够长航时收集情报、监察和识别目标，为美军实时了解战场态势及评估战损效果等提供重要依据。

在国内，无人机遥感技术研究也取得了一定的成果。如适合无人机SE-1的小型多光谱成像仪，内置摄影控制软件，可实现飞行控制系统通信、飞行参数获取、曝光时间计算和修正、实时数据存储等功能［2］。近年来有研究人员采用系统集成方法，设计了应用于无人机的大面阵CCD相机遥感系统，并在无人遥感飞机Y-12上进行了搭载飞行试验，获得了符合精度的图像，如图1所示。

图1 无人机上搭载的部分传感器及图像

1.2 无人机遥感的主要优点

1)系统研制周期短，成本低

无人机体形小，相对耗费低，对开发团队来说大大节省了人力资源，缓解了资金方面的压力，对操作员的培养周期也相对较短。日常维护简单，同时节约机库场地。

2)机动性好

由于体积小，比较灵活，无人机执行任务时可以通过地面运输到指定地点。起飞要求低，不需要专用跑道，可以在平地、坡路、沙滩等地通过车载、导弹或者地面方式直接发射，回收方式可以采用滑行或伞降的方式［3］。

2013年，美国X-47B型无人机甚至已实现从航空母舰上起飞并自行回落，下一步该型机还将试验携带各种传感设备和内部武器装备载荷，可以满足联合作战网络作战的需求。

3)易操控，安全性好，应对突发事件能力强

遥感型无人机的飞行路线可以预先设定、也可以在飞行过程中进行校对和调整，以对目标进行精确测量。若执行任务过程发生故障，无人机可以通过配备的自动诊断及显示故障功能，自动返航到起点上空等待排除故障。在任何场地，都能够全天时、全天候执行任务，观测距离可大大超过操作员的可视距离。

4)高分辨率遥感影像数据获取能力，适合于区域性专业应用

无人机遥感的亮点是实时获取高分辨率遥感影像数据，其搭载的高精度成像设备，不仅满足大范围覆盖的要求，还具备垂直或倾斜成像的能力。无人机遥感获取的图像空间分辨率可达亚米级，甚至可以更高，满足1∶10 000以上比例尺的遥感应用需求。

2011年，我国首次成功试用Z-3直升无人机悬停在内蒙古三湖河口至昭君坟河段进行凌情应急遥感监测，实时传输在线凌情监测视频信息，并实现凌情监测影像在线实时快速拼接，及时提供了防凌决策信息。

1.3 无人机遥感的关键技术

无人机遥感系统是指以无人机为平台，搭载多种成像与非成像传感器，飞行高度一般在几千米以内(军用可达10 km以上)，以获取遥感图像、视频等信息的无人航空遥感与摄影测量系统，其关键技术包括以下四点。

1)无人机遥感平台技术

无人机遥感平台由飞行器分系统，测控及信息传输系统，信息获取与处理以及综合保障系统四部分组成。目前，国内研制无人机遥感系统的整机集成商大约有三十多家，众多型号的无人机遥感平台根据用途，大致可分为通用测绘型、长航时型、高升限型和监测型四个系列。在关键性能指标中，提高导航精度和自动起降精度将是科研人员下一步研究的重点。

2)无人机遥感设备的集成与接口技术

无人机可搭载的遥感设备包括空间分辨率(小于1 m×1 m)较高的机载合成孔径雷达(SAR)和光学成像设备，考虑到功耗、重量等因素，要求质量较轻［4］(＜60 kg)。针对不同应用要求选择性价比高的遥感设备，并进行标准化接口和科学化调试是集成应用型无人机航空遥感系统的关键。

3)遥感数据的实时处理与下传

无人机遥感可以全天时作业，关键技术在于高分辨率遥感数据与其他数据(包括GPS定位、辅助导航定位、无人机飞行姿态、成像传感器姿态角、航拍时刻等)的融合。无人机遥感数据都带有地理位置和时间信息。应用抗干扰编码技术，通过宽带无线通信网络，便可以将无人机遥感数据实时下传到陆地基站。目前海量数据的实时下传多采用高压缩比的有损图像压缩，其误差限制了无人机遥感在一些高标准领域(如测绘领域)的应用。因此，如何减小或消除图像压缩的损耗，从而提高下传遥感图像的质量也是无人机遥感的关键技术之一。

4)遥感数据的地面接收与处理

若想提供面向专业的遥感应用服务，必须解决海量无人机遥感的数据接收和处理技术，具体研究内容包括面向应用的数据接收站的建立、图像数据库的建立、遥感数据共享标准化、图像数据的辐射纠正、几何纠正、图像反差调整和邻域增强等。

2 非战争军事行动对无人机遥感提出的需求

2.1 非战争军事行动的内涵和特点

非战争军事行动是美军在冷战结束后提出的一个概念，在“9·11”事件后，它的内涵和样式都有了新的发展，但是慑止战争、提供应急救援仍是其核心内容。

随着国家安全利益内涵的拓展，军队的职能也从准备和实施战争渗透到“非战争”领域。在国内，最初的非战争军事行动多用于支援地方建设和维护社会稳定，但近年非传统安全威胁大大增加，如“5.12”汶川地震、新疆暴恐事件等，其发生的具体时间、地点事前都难以确定，危害程度还很大，直接导致应急性的非战争军事行动越来越频繁。同时，非战争军事行动的参战力量多元，任务在多样化的基础上有时专业性也较强。

非战争军事行动一般是在战略层面，使用军事力量消除冲突、维护和平与稳定而又不直接构成战争的准军事实践活动。其内容主要包括人道主义援助、维和行动、抢险救灾、反恐行动、情报的收集与分享、联合演习、撤离战区非战斗人员以及支援地方建设等。

由此可见，加强非战争军事行动力量，充分发挥无人机遥感系统的作用，有利于提升军队完成多样化军事任务的能力，并大大提高了军队的应变能力，同时降低了人员伤亡情况，具有重要而特殊的意义。

2.2 非战争军事行动对无人机遥感的迫切需求

非战争行动对无人机遥感提出了以下三点需求:

1)快速及时的地理信息保障

地理信息保障涵盖了整个陆地、海洋、天空直到外太空的地理空间［5］。对于战争和非战争军事行动来说，无论是战略决策还是战术行动，无一不依赖于地理信息。由于某些非战争军事行动的突发性和强破坏性，无人机遥感影像的时效性非常关键，第一手影像通常具有战略意义。

2)灵活多样实时动态的地理信息保障

非战争军事行动任务具有多变性，要求无人机遥感能够提供不同比例尺的地理数据，既可以满足战略的决策需要，也可以满足战术行动的需要。在一些具体任务中要求无人机遥感能够传输视频、图像、文本等，从不同侧面描述和表达地形信息，最大程度地满足战术指挥决策中对地理信息的要求。

3)高精度的地理信息保障

地理数据的精确性、完备性、详细性、准确性，直接影响着非战争军事行动的战略和战术指挥决策，如在救灾行动中，高精度的地理信息保障数据能有效地减少人员伤亡。

3 无人机遥感在非战争军事行动中的应用

3.1 无人机遥感在灾害应急救援中的应用

3.1.1 无人机遥感在地震应急救援中的应用

2008年，四川汶川发生8.0级地震，同时伴随着大量山体崩塌、泥石流、滑坡以及堰塞湖等次生地质灾害，主干道路严重破坏，救援生命线一度中断。地震发生后，我国政府及时派出多型无人机航空遥感系统进入灾区进行灾情调查、滑坡动态监测、房屋和道路损害情况评估、救灾效果评价等，为救灾及灾区重建起到了无法替代的作用［6］。这也极大推进了国内对无人机遥感应急救援应用的研究。

2014年，云南鲁甸6.5级地震发生第二天，我国四旋翼无人机首次亮相，在克服震后降雨等不利因素后，经过长达2 h的飞行，获取了灾区417幅影像，分辨率达0.2 m，图上可清晰看出房屋的损毁程度以及道路受阻、山体塌方、水位上涨等情况。国家测绘地理信息局力争利用无人机遥感获取更多震后影像数据，结合已有灾区震前基础测绘成果，快速对灾区进行灾害遥感解译和评估，影像数据和情报还被及时提供给相关部门用于抗震救灾指挥决策、灾情评估、灾害分析等。图2为云南鲁甸牛栏江红石岩村段震前震后对比图，图2a)为2011年12月拍摄的卫星影像，分辨率0.5 m，图2b)为2014年8月拍摄的无人机影像，分辨率0.2 m。

图2 云南鲁甸牛栏江红石岩村段震前震后对比图

3.1.2 无人机遥感在核泄漏事故中的应用

2011年3月11日，日本福岛第一核电站在地震引发的海啸中发生严重的核泄漏事故，因为核辐射的威胁，救援人员无法进入反应堆内查看情况。美国军方迅速反应，派出全球鹰无人侦察机前往核电站上空近距离仔细观察受损的核反应堆，并派出搭载测辐传感器的微型无人机，监测和检查福岛核电站核燃料池附近的辐射水平。

2014年，日本索尼公司研发的新一代四旋翼无人飞行器，具有新颖的结构布局和独特的飞行方式，具有自主或遥控飞行模式，可原地垂直起降，可实现空中定点悬停和固定航迹飞行，通过装载摄像设备实现空中监测，视频可直接下传到地面站。上述优点可以使它深入反应堆内部，对于核专家关心的每个细节逐一进行详细拍摄。

3.2 无人机遥感在海域和海岛动态监测中的应用

我国海岸线较长，海域广泛，海岛统计数据有待补充更新，急需从太空到地面全方位多维立体的监测海域和海岛动态使用情况，从而实现海洋信息综合管理与服务。由于卫星遥感和航空遥感受天气和拍摄周期等因素制约，无人机遥感优势凸显，它的辅助作用也越来越明显。

利用无人机遥感，对沿海岸线围海造地现状、近海岸线资源保护及海岛开发建设等情况进行实时监视监测;对海洋环境保护、海上船只动态、人工鱼礁建设、海上养殖等方面进行实时监视监测，虽然监视监测范围扩大了，但是数据精度的提高，有效减轻了人工作业强度，大大提高了工作效率。

此外，无人机遥感海上巡航搜索是未来舰载无人机的主要用途。它可以昼夜在可疑海域工作，也可临时修正航线以满足任务需求，实时获取和传输视频、图像等数据，保障指挥决策高效可靠。

3.3 无人机遥感在应急测绘中的应用

无人机遥感技术日趋成熟，无人机携带的高精度相机设备具备垂直或倾斜摄影的能力，能够低空多角度获取建筑物表面高分辨率纹理影像，其影像分辨率达到分米级，可以建立高精度DEM模型和制作三维实景地图，这使得它在应急测绘及地理信息保障等方面得到广泛应用，取得的效果也相当令人满意。例如，在2010年上海世博安保任务中，利用航空遥感数据生产的世博专题图在安保专项任务中作用明显。还有针对合理规划实时交通运行方案、禁毒反恐围捕等课题，使用低空小型无人机在小区域的专项测绘进行可行性分析，这对实时提供高精度遥感数据并且迅速展开任务规划具有重要意义。

4 结束语

无人机遥感的应用需求正日益增加，由于无人机可最大限度接近目标，情报信息可信度高，在高危地区探测也少有损失。无人机遥感可灵活机动地实时获取数据，它在非战争军事行动领域必将大展拳脚。未来无人机遥感在小城镇建设、森林火灾扑救、生态环境监测、道路桥梁测量、舰载化的海岛测绘以及重大活动安保等诸多领域将发挥更多积极作用。

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［3］ 范承啸，韩 俊，熊志军，等.无人机遥感技术现状与应用［J］.测绘科学，2009，34(5):214-215.Fan Chengxiao，Han Jun，Xiong Zhijun，et al.Application and status of unmanned aerial vehicle remote sensing technology［J］.Science of Surveying and Mapping，2009，34(5):214-215.

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