海洋开发与管理51
无人机遥感海洋监测应用探讨
曹洪涛，张拯宁，李明，李器宇
（天津航天中为数据系统科技有限公司天津市300301）
摘要：无人机遥感系统的应用在民用领域不断拓展，与遥感卫星、有人机系统形成优势互补。在海洋监测方面，无人机系统成为" 数字海洋" 建设的必备信息获取平台，具有任务出动灵活快速、成本费用低等优点，可多种载荷更换和协同搭配，遥感数据时间分辨率和空间分辨率高，在海洋灾害监测、海洋测绘、海洋环境参数反演、海事监管等领域具有较高的应用价值。在将来，无人机遥感系统在管理规范、数据链带宽、任务载荷、智能性方面也将随着海洋需求不断提高。关键词：无人机；遥感系统；数字海洋；海洋监测
随着人类对地球认识的不断深化，海洋现已成为世界各国新一轮竞争的重要舞台，以高新技术为基础的海洋战略性新兴产业将成为全球经济复苏和社会经济发展的战略重点。海洋开发进入立体开发阶段，在深入开发利用传统海洋资源的同时，不断向深远海探索开发战略新资源和能源，大力拓展海洋经济发展空间。21世纪以来，我国海洋事业进入快速发展时期，在十二五规划中明确提出了“数字海洋建设”，建设近海海洋信息基础平台、海洋综合管理信息系统和“数字海洋”原型系统，逐步完成“数字海洋”空间数据基础设施的构建，以维护海洋权益与国家安全、保护海洋生态与环境、提高海洋资源开发能力、促进海洋经济发展。
开发多源多尺度时空海洋数据获取、同化、处理、集成应用和挖掘技术，实现海洋立体观测、获取海洋全方位信息，是建设“数字海洋”的基础，而卫星遥感、船载设备、浮标和潜标为海洋监测、海洋信息获取提供了有效手段。随着国内无人机技术的快速发展，无人机平台已经开始由军事领域迅速地转向民用领域。在海洋监测方面，无人机作为一种新的遥感监测平台，飞行
收稿日期：2015-01-08
操作相对简单，智能化程度高，可按预定航线自主飞行、摄像，实时提供遥感监测数据和低空视频，成为空间数据获取的重要手段，与卫星遥感、有人机遥感、海面调查互补，形成对海洋的多方位监测。
1无人机遥感系统
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。无人机系统是由飞行器、任务载荷、数据链、控制站几个主要部分组成。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。无人机可以根据任务需求搭载不同的载荷，常用的载荷有可见光相机、可见光摄像机、红外相机、高光谱成像仪、SAR 等遥感遥测设备。数据链是实现无人机与地面控制站通信连接的关键环节，可以将任务载荷的信息实时回传给地面，同时将无人机下行遥测信息发送至地面站，将上行的遥控信息发送至飞机和
52海洋信息
通信卫星
导航卫星
无人机
任务载荷
数据链
地面指挥控制站
监测中心
图1无人机系统构成
任务载荷。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。
利用无人机系统进行海洋监测，具有多种优势。与海面监测（船载设备调查、海面浮标等）相比，首先具有机动灵活、快速反应的优势，操作简单，到达目标点速度快；其次，无人机监测覆盖范围广，由传统监测手段的定点监测扩展为面状监测，更有利于获取综合、全面的信息。与遥感卫星相比，无人机具有更高的时间分辨率，重访时间灵活，在环境允许的情况下即可执行任务；具有更高的空间分辨率，无人机平台高度灵活可变，远低于卫星高度，飞行速度也相对较慢，分辨率一般在分米、厘米级；具有更低的费用成本，无人机不仅造价低廉，并能重复使用，
根据需求可以更换搭载不同的载荷，具有一机多用、多事同行的优势。与有人机相比，无人机准备安排时间短，可迅速出动，占用空间相对小，方便乘载在船体上，并且可在危险任务中避免机员伤亡。
2
2.1
无人机海洋监测应用
灾害监测
近年来，浒苔、赤潮、海冰、风暴潮等海洋
自然灾害频发，不断影响我国沿海地区的生产和生活，造成了巨大的经济损失。然而，对这些灾害缺乏全面、及时的信息掌握，造成预报不及时、监测不准确和处置不合理等结果。利用无人机搭载遥感传感器摄取灾害区影像，搭载摄像设备拍摄现场实时视频，获取灾情信息比其他常规
海洋开发与管理53
手段更加快速、客观和全面，能够达到灾前预报、灾中监控、灾后评估“三效合一”的监测效果。
灾前预报：利用无人机在灾害频发时段加强对海域的巡检，视察防暴大堤是否受损，调查浒苔、赤潮、海冰的分布，预测走向，及时向可能受到危害的地区发布灾害预警；并且可通过长时间的观测，掌握灾害发生的规律，以便在后期做到提前预知，采取应对措施。
灾中监控：在海洋灾害发生时，一方面，通过无人机调查灾害发生的范围、程度，制定合理的消灾方案，另一方面，利用无人机在空中获取的实时遥感影像、视频，布置消灾方案，指挥消灾任务，观察消灾成效。
灾后评估：与GIS 技术相结合，对无人机获取的受灾海域遥感数据分析，提取受灾范围、受灾等级、损失程度等量化信息，指导灾后补救和后期防范。2.2
海洋测绘
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。在人为因素方面，随着经济的发展和需求，人们对水陆交界海域的开发利用度不断增强，例如填海造地、养殖区扩展、港口平台搭建等；在自然环境因素的作用下，海岸侵蚀造成海岸线变更，入海口冲击、淤积等原因造成入海口地形变更。加强对这些海域的测绘，对指导人们的开发和利用具有重要意义。
利用无人机进行海洋测绘，比传统的测绘方法速度快，并能深入海水区域，获取的遥感数据具有更高的空间分辨率，可以完成大比例尺制图。从无人机遥感影像中可以提取海岸、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。在填海造地时，利用无人机搭载LiDar 实时测量填造区域，指导工程的实施。利用SAR 和高光谱遥感数据可以探测浅海区域的海底地形，绘制海底地形图。利用LiDar 数据建立海岸
线DEM ，为风暴潮的预警提供参考。在海岛礁测绘中，利用无人机同时搭载LiDar 和光谱传感器获取多源数据，提取海岛礁的轮廓线、面积、DEM 、覆被类型等信息，可建立三维海岛礁模型。
2.3海洋参数反演
海洋是全球气候变化中的关键部分，海表温度、盐度、海面湿度等环境参数是全球气候变化、全球水循环、海洋动力学研究的重要输入参数。遥感技术是快速大范围监测海洋环境参数的有效手段，可以对海洋长时间连续观测，为气候变化、水循环和海洋动力等研究提供依据数据。无人机可以监测局部重点海域的环境参数，是卫星遥感大范围监测的重要补充，为海洋区域气候、海洋异常变化、海洋生物环境、入海口海水盐度变化、沿海土地盐碱化等研究提供数据信息。无人机获取的海洋环境参数还可以为海上油气平台、浮标、人工建筑等耐腐蚀性、抗冻性研究提供数据支持。
无人机配备微波辐射计、热红外探测仪、高光谱成像仪等传感器探测海洋得到遥感数据，利用海洋参数的定量遥感反演算法模型反演海洋的各个参数。目前，反演模型大多是统计模型，利用遥感数据与反演的海洋参数之间建立起统计关系，通过统计回归的方法可以反演得到海洋温度、湿度、盐度等环境参数。2.4海事监管
无人机配备高清照相机、摄像机及自动跟踪设备，可以执行海上溢油应急监控、肇事船舶搜寻、遇险船舶和人员定位、海洋主权巡查等任务，能够快速到达事故现场，立体地查看事故区域、事故程度、救援进展等情况，即可回传影像和视频，在事故调查、取证等工作中为事故救援决策提供实时、准确的信息，监视事故发展，是“鹰眼”；而且由于无人机的海事监管救助的空中
特殊性，抗风等级大，遥控不受视觉条件限制，比舰载有人直升机更适于恶劣天气下的搜寻救助工作；一旦发生危险，不会危及参与搜救人员的生命，最大限度地规避了风险，是海洋恶
54海洋信息
劣天气下搜寻救助的可靠装备。目前，我国利用无人机进行海域巡检、监管已经开始进入业务阶段。
[2]张泰峰，杨晓华，柴志起，郑有区，张勇. 基于遥感数据反演技
术的东海海洋环境谱编制[J].装备环境工程，2013，01：29. [3]
周博天，刘湘南，吴伶，高洪雷. 基于水色遥感的香港海域黄色物质浓度反演模型[J].海洋环境科学，2013，01：115. [4]
林宁，赵培剑，丰爱平. 海岛资源调查与监测体系研究[J].海2013，03：36. 洋开发与管理，
[5]林一平. 我国加强无人机对海洋环境监测与管理[J].交通与
运输，2013，01：31. [6]
喻文科，秦普丰，周俊宇，陈海. 水环境监测中的遥感应用探2013，04：183. 讨[J].绿色科技，
张彦彦，杨晖，陆伟，闫伟伟. 海域无人机遥感监测三[7]许祝华，
维立体监管系统的建设与研究[J].海洋开发与管理，2013，06：16. [8]黄文骞，吴迪，杨杨，梁志诚，张洋洋. 浅海多光谱遥感水深反
2013，02：43. 演技术[J].海洋技术，
[9]许可，高鹏冲，谢云开. 浅析合成孔径雷达遥感图像海岸带应
用[J].科学技术与工程，2013，17：4860.
[10]刘眉洁，戴永寿，张杰，任广波，孟俊敏，张晰. 高分辨率全极
（中化合成孔径雷达数据海冰二次分类方法研究[J].海洋学报文版），2013，04：80.
[11]雷添杰，李长春，何孝莹. 无人机航空遥感系统在灾害应急救
援中的应用[J].自然灾害学报，2011，01：178.
[12]兰国新，李颖，李宝玉，刘丙新. 基于多源遥感的海上溢油应
急监测研究与应用[J].大连海事大学学报，2012，01：97. [13]孔毅，薛剑. 无人机海洋环境探测载荷配置优化[J].解放军理
工大学学报（自然科学版），2012，02：219.
[14]周伟，宋军，成旭. 无人机在海事监管救助中的应用与选型[J].
水运管理，2012，04：11.
3展望
无人机在海洋监测中具有广泛的应用范围和
多方面优势，应用价值较高。随着人类对海洋开发力度和强度的增大，向着深海、远海进行扩展，需要获取海洋多方面的信息，对无人机的需1）规范化：随着无人机求也会进一步提高。（
应用的增多，需要对无人机的监管规范化、无人机配置标准化，以便对无人机的有效、合理利用；（2）高带宽化：提高无人机数据链的数据传输带宽，实现无人机高清图像、高清视频的实时回传，保障控制站与无人机的远距离通信畅3）深远海化：无人机性能需要提升，延通；（
长航时、提高载重，以满足远海任务、大范围任务的要求，研制能够探测深海的无人机载荷，以满足深海监测的需要；（4）智能化：研制无人机智能系统，实现无人机自主起降、障碍躲避、智能追踪等能力，成为空中智能机器人。参考文献：
[1]
李刚. 我国卫星海洋遥感监测技术的发展[J].电子制作，2013，02：107.
陈云浩，李京，格日乐，史晓霞. 遥感技术在我国海冰[15]国巧真，
研究方面的进展[J].海洋预报，2006，04：95.
海洋开发与管理51
无人机遥感海洋监测应用探讨
曹洪涛，张拯宁，李明，李器宇
（天津航天中为数据系统科技有限公司天津市300301）
摘要：无人机遥感系统的应用在民用领域不断拓展，与遥感卫星、有人机系统形成优势互补。在海洋监测方面，无人机系统成为" 数字海洋" 建设的必备信息获取平台，具有任务出动灵活快速、成本费用低等优点，可多种载荷更换和协同搭配，遥感数据时间分辨率和空间分辨率高，在海洋灾害监测、海洋测绘、海洋环境参数反演、海事监管等领域具有较高的应用价值。在将来，无人机遥感系统在管理规范、数据链带宽、任务载荷、智能性方面也将随着海洋需求不断提高。关键词：无人机；遥感系统；数字海洋；海洋监测
随着人类对地球认识的不断深化，海洋现已成为世界各国新一轮竞争的重要舞台，以高新技术为基础的海洋战略性新兴产业将成为全球经济复苏和社会经济发展的战略重点。海洋开发进入立体开发阶段，在深入开发利用传统海洋资源的同时，不断向深远海探索开发战略新资源和能源，大力拓展海洋经济发展空间。21世纪以来，我国海洋事业进入快速发展时期，在十二五规划中明确提出了“数字海洋建设”，建设近海海洋信息基础平台、海洋综合管理信息系统和“数字海洋”原型系统，逐步完成“数字海洋”空间数据基础设施的构建，以维护海洋权益与国家安全、保护海洋生态与环境、提高海洋资源开发能力、促进海洋经济发展。
开发多源多尺度时空海洋数据获取、同化、处理、集成应用和挖掘技术，实现海洋立体观测、获取海洋全方位信息，是建设“数字海洋”的基础，而卫星遥感、船载设备、浮标和潜标为海洋监测、海洋信息获取提供了有效手段。随着国内无人机技术的快速发展，无人机平台已经开始由军事领域迅速地转向民用领域。在海洋监测方面，无人机作为一种新的遥感监测平台，飞行
收稿日期：2015-01-08
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1无人机遥感系统
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。无人机系统是由飞行器、任务载荷、数据链、控制站几个主要部分组成。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。无人机可以根据任务需求搭载不同的载荷，常用的载荷有可见光相机、可见光摄像机、红外相机、高光谱成像仪、SAR 等遥感遥测设备。数据链是实现无人机与地面控制站通信连接的关键环节，可以将任务载荷的信息实时回传给地面，同时将无人机下行遥测信息发送至地面站，将上行的遥控信息发送至飞机和
52海洋信息
通信卫星
导航卫星
无人机
任务载荷
数据链
地面指挥控制站
监测中心
图1无人机系统构成
任务载荷。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。
利用无人机系统进行海洋监测，具有多种优势。与海面监测（船载设备调查、海面浮标等）相比，首先具有机动灵活、快速反应的优势，操作简单，到达目标点速度快；其次，无人机监测覆盖范围广，由传统监测手段的定点监测扩展为面状监测，更有利于获取综合、全面的信息。与遥感卫星相比，无人机具有更高的时间分辨率，重访时间灵活，在环境允许的情况下即可执行任务；具有更高的空间分辨率，无人机平台高度灵活可变，远低于卫星高度，飞行速度也相对较慢，分辨率一般在分米、厘米级；具有更低的费用成本，无人机不仅造价低廉，并能重复使用，
根据需求可以更换搭载不同的载荷，具有一机多用、多事同行的优势。与有人机相比，无人机准备安排时间短，可迅速出动，占用空间相对小，方便乘载在船体上，并且可在危险任务中避免机员伤亡。
2
2.1
无人机海洋监测应用
灾害监测
近年来，浒苔、赤潮、海冰、风暴潮等海洋
自然灾害频发，不断影响我国沿海地区的生产和生活，造成了巨大的经济损失。然而，对这些灾害缺乏全面、及时的信息掌握，造成预报不及时、监测不准确和处置不合理等结果。利用无人机搭载遥感传感器摄取灾害区影像，搭载摄像设备拍摄现场实时视频，获取灾情信息比其他常规
海洋开发与管理53
手段更加快速、客观和全面，能够达到灾前预报、灾中监控、灾后评估“三效合一”的监测效果。
灾前预报：利用无人机在灾害频发时段加强对海域的巡检，视察防暴大堤是否受损，调查浒苔、赤潮、海冰的分布，预测走向，及时向可能受到危害的地区发布灾害预警；并且可通过长时间的观测，掌握灾害发生的规律，以便在后期做到提前预知，采取应对措施。
灾中监控：在海洋灾害发生时，一方面，通过无人机调查灾害发生的范围、程度，制定合理的消灾方案，另一方面，利用无人机在空中获取的实时遥感影像、视频，布置消灾方案，指挥消灾任务，观察消灾成效。
灾后评估：与GIS 技术相结合，对无人机获取的受灾海域遥感数据分析，提取受灾范围、受灾等级、损失程度等量化信息，指导灾后补救和后期防范。2.2
海洋测绘
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。在人为因素方面，随着经济的发展和需求，人们对水陆交界海域的开发利用度不断增强，例如填海造地、养殖区扩展、港口平台搭建等；在自然环境因素的作用下，海岸侵蚀造成海岸线变更，入海口冲击、淤积等原因造成入海口地形变更。加强对这些海域的测绘，对指导人们的开发和利用具有重要意义。
利用无人机进行海洋测绘，比传统的测绘方法速度快，并能深入海水区域，获取的遥感数据具有更高的空间分辨率，可以完成大比例尺制图。从无人机遥感影像中可以提取海岸、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。在填海造地时，利用无人机搭载LiDar 实时测量填造区域，指导工程的实施。利用SAR 和高光谱遥感数据可以探测浅海区域的海底地形，绘制海底地形图。利用LiDar 数据建立海岸
线DEM ，为风暴潮的预警提供参考。在海岛礁测绘中，利用无人机同时搭载LiDar 和光谱传感器获取多源数据，提取海岛礁的轮廓线、面积、DEM 、覆被类型等信息，可建立三维海岛礁模型。
2.3海洋参数反演
海洋是全球气候变化中的关键部分，海表温度、盐度、海面湿度等环境参数是全球气候变化、全球水循环、海洋动力学研究的重要输入参数。遥感技术是快速大范围监测海洋环境参数的有效手段，可以对海洋长时间连续观测，为气候变化、水循环和海洋动力等研究提供依据数据。无人机可以监测局部重点海域的环境参数，是卫星遥感大范围监测的重要补充，为海洋区域气候、海洋异常变化、海洋生物环境、入海口海水盐度变化、沿海土地盐碱化等研究提供数据信息。无人机获取的海洋环境参数还可以为海上油气平台、浮标、人工建筑等耐腐蚀性、抗冻性研究提供数据支持。
无人机配备微波辐射计、热红外探测仪、高光谱成像仪等传感器探测海洋得到遥感数据，利用海洋参数的定量遥感反演算法模型反演海洋的各个参数。目前，反演模型大多是统计模型，利用遥感数据与反演的海洋参数之间建立起统计关系，通过统计回归的方法可以反演得到海洋温度、湿度、盐度等环境参数。2.4海事监管
无人机配备高清照相机、摄像机及自动跟踪设备，可以执行海上溢油应急监控、肇事船舶搜寻、遇险船舶和人员定位、海洋主权巡查等任务，能够快速到达事故现场，立体地查看事故区域、事故程度、救援进展等情况，即可回传影像和视频，在事故调查、取证等工作中为事故救援决策提供实时、准确的信息，监视事故发展，是“鹰眼”；而且由于无人机的海事监管救助的空中
特殊性，抗风等级大，遥控不受视觉条件限制，比舰载有人直升机更适于恶劣天气下的搜寻救助工作；一旦发生危险，不会危及参与搜救人员的生命，最大限度地规避了风险，是海洋恶
54海洋信息
劣天气下搜寻救助的可靠装备。目前，我国利用无人机进行海域巡检、监管已经开始进入业务阶段。
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喻文科，秦普丰，周俊宇，陈海. 水环境监测中的遥感应用探2013，04：183. 讨[J].绿色科技，
张彦彦，杨晖，陆伟，闫伟伟. 海域无人机遥感监测三[7]许祝华，
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2013，02：43. 演技术[J].海洋技术，
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[10]刘眉洁，戴永寿，张杰，任广波，孟俊敏，张晰. 高分辨率全极
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[12]兰国新，李颖，李宝玉，刘丙新. 基于多源遥感的海上溢油应
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3展望
无人机在海洋监测中具有广泛的应用范围和
多方面优势，应用价值较高。随着人类对海洋开发力度和强度的增大，向着深海、远海进行扩展，需要获取海洋多方面的信息，对无人机的需1）规范化：随着无人机求也会进一步提高。（
应用的增多，需要对无人机的监管规范化、无人机配置标准化，以便对无人机的有效、合理利用；（2）高带宽化：提高无人机数据链的数据传输带宽，实现无人机高清图像、高清视频的实时回传，保障控制站与无人机的远距离通信畅3）深远海化：无人机性能需要提升，延通；（
长航时、提高载重，以满足远海任务、大范围任务的要求，研制能够探测深海的无人机载荷，以满足深海监测的需要；（4）智能化：研制无人机智能系统，实现无人机自主起降、障碍躲避、智能追踪等能力，成为空中智能机器人。参考文献：
[1]
李刚. 我国卫星海洋遥感监测技术的发展[J].电子制作，2013，02：107.
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