劉斌楠 劉陽(yáng) 孟祥釗

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

目前，遙感對(duì)地觀測(cè)傳感器平臺(tái)主要有星載、機(jī)載兩種。衛(wèi)星平臺(tái)具有全球范圍高分辨率對(duì)地觀測(cè)成像的能力，一直是世界各國(guó)對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。盡管衛(wèi)星在對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域有著不可替代的作用，但在面對(duì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、國(guó)防安全等復(fù)雜和高時(shí)效的突發(fā)觀測(cè)需求時(shí)，衛(wèi)星仍然存在著一些不足，如受軌道和再訪問(wèn)時(shí)間限制，時(shí)空分辨率低，觀測(cè)機(jī)動(dòng)性差等[1]。而無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)具有時(shí)空分辨率高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、運(yùn)行成本低的特點(diǎn)[2]，能夠滿足突發(fā)觀測(cè)事件精細(xì)化和高時(shí)效性的需求[3]，成為衛(wèi)星重要的補(bǔ)充觀測(cè)資源。衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)的協(xié)同觀測(cè)，能夠更加有效、快速地獲取多平臺(tái)下多尺度、多分辨率的觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲得更精確、豐富的信息，未來(lái)將成為對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域重要的研究方向之一[4-6]。

要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)的協(xié)同觀測(cè)，需要面臨的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是觀測(cè)前多平臺(tái)協(xié)同調(diào)度規(guī)劃問(wèn)題以及觀測(cè)后多源、多尺度遙感產(chǎn)品處理問(wèn)題。本文只要介紹國(guó)內(nèi)外“星-機(jī)”協(xié)同觀測(cè)進(jìn)展，歸納“星-機(jī)”協(xié)同觀測(cè)調(diào)度規(guī)劃方法與遙感產(chǎn)品處理方法，并對(duì)“星-機(jī)”協(xié)同觀測(cè)在中小尺度海洋觀測(cè)、區(qū)域生態(tài)環(huán)境、災(zāi)害和應(yīng)急等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 “星-機(jī)”協(xié)同觀測(cè)進(jìn)展

1.1 國(guó)外進(jìn)展

國(guó)外無(wú)人機(jī)與衛(wèi)星協(xié)同對(duì)地觀測(cè)技術(shù)已經(jīng)步入應(yīng)用階段，主要在災(zāi)害監(jiān)測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)3 個(gè)領(lǐng)域展開(kāi)。在災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，衛(wèi)星-無(wú)人機(jī)協(xié)同觀測(cè)在災(zāi)情數(shù)據(jù)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取方面發(fā)揮了重要作用。其中較為典型的是美國(guó)宇航局（NASA）與美國(guó)林務(wù)局（USFS）使用其聯(lián)合構(gòu)建的衛(wèi)星-無(wú)人機(jī)-地面協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)計(jì)劃[7]。20 世紀(jì)80年代，USFS 由于衛(wèi)星軌道周期限制，缺乏連續(xù)覆蓋的精細(xì)化數(shù)據(jù)，開(kāi)始構(gòu)思衛(wèi)星戰(zhàn)略觀測(cè)結(jié)合空中平臺(tái)戰(zhàn)術(shù)觀測(cè)的計(jì)劃，并于2001 年開(kāi)始進(jìn)行衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)的協(xié)同觀測(cè)驗(yàn)證工作，隨后在2006 年至2010 年期間又實(shí)施了一系列觀測(cè)計(jì)劃[8-9]。該計(jì)劃開(kāi)創(chuàng)了民用領(lǐng)域“衛(wèi)星-無(wú)人機(jī)-地面”協(xié)同觀測(cè)應(yīng)用的新模式，證明了“星-機(jī)”協(xié)同觀測(cè)研究的巨大潛力。該“衛(wèi)星-無(wú)人機(jī)-地面”聯(lián)合觀測(cè)系統(tǒng)使用具有長(zhǎng)航時(shí)大范圍觀測(cè)能力的Ikhana 無(wú)人機(jī)作為觀測(cè)平臺(tái)，搭載NASA 自主研發(fā)的多光譜成像儀，對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行掃描成像監(jiān)測(cè)（圖1），并通過(guò)衛(wèi)星數(shù)據(jù)遙測(cè)系統(tǒng)來(lái)保障“星-機(jī)-地”之間的實(shí)時(shí)通信與數(shù)據(jù)傳輸。

同樣在災(zāi)害觀測(cè)方面，Ramsey 在2010 年墨西哥灣石油泄漏事件中，采用協(xié)同觀測(cè)方法獲得了無(wú)人機(jī)SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔徑雷達(dá)）圖像和衛(wèi)星SAR 圖像，對(duì)溢油分解分類與極化特征進(jìn)行了分析[10]，借助無(wú)人機(jī)高性能的數(shù)據(jù)收集能力獲得了時(shí)空上的連續(xù)數(shù)據(jù)集，對(duì)分析和評(píng)估產(chǎn)生了重要的作用。近年來(lái)，Ohminato、Kruijff、Baiocchi、Tang 也分別在火山爆發(fā)預(yù)警、地震災(zāi)情觀測(cè)、地震災(zāi)后重建、震后滑坡活動(dòng)分析和地質(zhì)環(huán)境影響評(píng)估中先后進(jìn)行了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用[11-14]，與衛(wèi)星觀測(cè)形成了多平臺(tái)間的有效互補(bǔ)，取得了良好的效果。

在海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，Lomax 在2005 年提出將無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)納入海洋觀測(cè)體系[15]，美國(guó)Scripps海洋研究所、英國(guó)國(guó)家海洋中心等機(jī)構(gòu)和Martin、Reineman 等人隨后在其海洋科學(xué)觀測(cè)中使用了無(wú)人機(jī)[16-19]，在形成“衛(wèi)星-無(wú)人機(jī)-船”對(duì)海聯(lián)合觀測(cè)體系上邁出了重要一步。Bouffard 等人利用星-機(jī)協(xié)同觀測(cè)技術(shù)，對(duì)海洋中小尺度漩渦進(jìn)行了多傳感器同步觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行交叉比對(duì)和融合，捕捉到了一系列亞中尺度和小尺度的渦旋[20]。

在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，2008 年NASA“SIERRA”科學(xué)示范計(jì)劃[21]中使用無(wú)人機(jī)搭載多種傳感器配合衛(wèi)星進(jìn)行了碳循環(huán)、“海-氣”相互作用等地球科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究。2013 年Neigh 構(gòu)建了一套集衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)和地面站于一體的觀測(cè)系統(tǒng)[22]，為監(jiān)測(cè)地上碳含量的時(shí)空變化提供了一種有效的方法。

表1 國(guó)內(nèi)星機(jī)協(xié)同觀測(cè)匯總

1.2 國(guó)內(nèi)進(jìn)展

目前，我國(guó)衛(wèi)星-無(wú)人機(jī)協(xié)同觀測(cè)還處于初步探索階段，在地震、洪澇等災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域和定量遙感研究方面進(jìn)行了一些應(yīng)用，但尚未形成體系。在災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，“星-機(jī)”協(xié)同觀測(cè)在汶川、玉樹(shù)地震等災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估中發(fā)揮了重要作用。在汶川地震（2008年）、玉樹(shù)地震（2010 年）發(fā)生后，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了星-機(jī)協(xié)同遙感觀測(cè)計(jì)劃[23]，使用衛(wèi)星、飛機(jī)、無(wú)人機(jī)獲取500 多幅災(zāi)區(qū)光學(xué)和微波遙感影像。在數(shù)據(jù)分析中，飛機(jī)和無(wú)人機(jī)平臺(tái)獲取的高分辨率航空遙感影像被作為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合地震前后中高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進(jìn)行堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)情況分析，道路損毀定性、定位、定量分析，并用于建立三維災(zāi)情評(píng)估系統(tǒng)。結(jié)果表明，衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)協(xié)同觀測(cè)在兩次地震災(zāi)害中的應(yīng)用均取得了很好的效果。

在定量遙感研究方面，我國(guó)衛(wèi)星與有人機(jī)的協(xié)同同步觀測(cè)試驗(yàn)開(kāi)展的較早，衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)協(xié)同同步觀測(cè)則剛開(kāi)始起步。在國(guó)家一系列重點(diǎn)項(xiàng)目支持下，我國(guó)各研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了順義“星-機(jī)-地”定量遙感綜合試驗(yàn)[24]、黑河流域遙感同步觀測(cè)試驗(yàn)[25]、青藏高原與環(huán)渤海地區(qū)“星-機(jī)-地”同步觀測(cè)試驗(yàn)[26]等一系列試驗(yàn)。

2 “星-機(jī)”協(xié)同觀測(cè)規(guī)劃調(diào)度方法

從已進(jìn)行的星-機(jī)協(xié)同觀測(cè)計(jì)劃來(lái)看，想要實(shí)現(xiàn)“衛(wèi)星-無(wú)人機(jī)”協(xié)同觀測(cè)，就需要面對(duì)衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)之間觀測(cè)模式、使用約束、處理方式的巨大差異性問(wèn)題[27]，兩個(gè)平臺(tái)間的協(xié)同觀測(cè)調(diào)度技術(shù)研究是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星-無(wú)人機(jī)協(xié)同業(yè)務(wù)化觀測(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)。目前，協(xié)同觀測(cè)調(diào)度規(guī)劃的主要關(guān)注點(diǎn)在傳感器類型搭配、同步觀測(cè)時(shí)間窗口、無(wú)人機(jī)巡航能力、無(wú)人機(jī)最優(yōu)路徑規(guī)劃等問(wèn)題上。

在傳感器類型搭配上，受無(wú)人機(jī)載荷能力、傳感器集成技術(shù)的影響，目前衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)協(xié)同觀測(cè)中搭載的傳感器還較為單一。汶川地震中，由于光學(xué)影像可以提供直觀的災(zāi)情信息，SAR 影像可以提供地震區(qū)域形變量、斷裂帶等豐富的信息，無(wú)人機(jī)平臺(tái)主要搭載的傳感器為可見(jiàn)光相機(jī)和SAR。因此，在傳感器類型搭配上主要針對(duì)執(zhí)行任務(wù)和目標(biāo)進(jìn)行傳感器選擇。

而在其他關(guān)注點(diǎn)上，國(guó)內(nèi)外對(duì)多平臺(tái)協(xié)同觀測(cè)調(diào)度問(wèn)題上進(jìn)行了分布式、分層式組織模式[28-29]的研究。BAI 等人構(gòu)建了“衛(wèi)星-無(wú)人機(jī)”協(xié)同觀測(cè)規(guī)劃調(diào)度模型，提出了多平臺(tái)協(xié)同進(jìn)化調(diào)度算法（MPCCPSA）[27]，完成了多平臺(tái)協(xié)同觀測(cè)模型下衛(wèi)星觀測(cè)目標(biāo)和無(wú)人機(jī)觀測(cè)路徑的尋優(yōu)。

綜合以上研究，衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)協(xié)同觀測(cè)要想滿足快速應(yīng)急響應(yīng)的需求，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)規(guī)劃調(diào)度，需要打破現(xiàn)階段在觀測(cè)平臺(tái)、接受系統(tǒng)、處理系統(tǒng)之間的孤立狀態(tài)，將具有分布式的多平臺(tái)觀測(cè)資源進(jìn)行整合，形成具有任務(wù)針對(duì)性、自主獨(dú)立性的觀測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多部門(mén)、多平臺(tái)之間的動(dòng)態(tài)耦合與信息整合，形成全面、完善的觀測(cè)體系。

3 “星-機(jī)”協(xié)同觀測(cè)遙感產(chǎn)品處理方法

衛(wèi)星和有人機(jī)或無(wú)人機(jī)之間的協(xié)同觀測(cè)機(jī)制可以獲取多時(shí)空尺度、多分辨率數(shù)據(jù)，為觀測(cè)目標(biāo)地物參數(shù)信息提取與變化分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在“星-機(jī)”多源數(shù)據(jù)的有效利用方面，目前的研究主要集中在遙感產(chǎn)品的反演、多源數(shù)據(jù)的融合同化、遙感產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)三個(gè)方面。

在遙感產(chǎn)品的反演方面，目前已經(jīng)開(kāi)展過(guò)以地表通量為核心的定量遙感“星-機(jī)-地”同步觀測(cè)試驗(yàn)[24]，對(duì)象元亞象元尺度不同濕度和植被覆蓋條件下的地表通量進(jìn)行了反演。在利用“星-機(jī)-地”協(xié)同觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的定量遙感基本參數(shù)研究方面，李小文等對(duì)定量遙感基本參數(shù)的測(cè)定方法進(jìn)行了創(chuàng)新，提出了方向比輻射率測(cè)定方法等六種新方法，提高了關(guān)鍵參數(shù)的反演的精度和效率[24]。

在多源數(shù)據(jù)的融合同化方面，無(wú)人機(jī)載圖像的實(shí)時(shí)快速傳輸是進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的先決條件，在該方向上，Ambrosia 改良了圖像幾何校正方法，建立基于遺傳算法的圖像快速處理模型[7]。而在國(guó)內(nèi)的協(xié)同試驗(yàn)中，黃俊研究了災(zāi)害數(shù)據(jù)應(yīng)急處理方法，加快多源影像數(shù)據(jù)解譯速度[31]。郭華東在汶川地震中用二維三次卷積法統(tǒng)一多源數(shù)據(jù)空間分辨率，并進(jìn)行了三維地形的交互式實(shí)時(shí)繪制[32]。目前“星-機(jī)”協(xié)同觀測(cè)還用于獲取大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，生成高分辨率、空間一致性、時(shí)間連續(xù)性的高質(zhì)量數(shù)據(jù)集，用于推進(jìn)實(shí)時(shí)多源數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)[33]的構(gòu)建。

在定量遙感產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)方面，“星-機(jī)”協(xié)同觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)揮了重要作用。張仁華等利用尺度轉(zhuǎn)換后“地-機(jī)”“星-機(jī)”同目標(biāo)同面積反演值是否一致性來(lái)檢驗(yàn)反演模型[34]，進(jìn)而反饋修正，完成真實(shí)性檢驗(yàn)。目前借助“星-機(jī)-地”協(xié)同提出的真實(shí)性檢驗(yàn)方法有分布式三點(diǎn)同步定標(biāo)法、巡回監(jiān)測(cè)法、“一檢多恰”法、多點(diǎn)觀測(cè)法等方法[24,34]。

4 衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)協(xié)同觀測(cè)的應(yīng)用展望

衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)協(xié)同觀測(cè)在地震、森林火災(zāi)等應(yīng)急災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有比較成熟的應(yīng)用，而在生態(tài)環(huán)境、海洋觀測(cè)等領(lǐng)域同樣有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ诤Ｑ笥^測(cè)領(lǐng)域上，衛(wèi)星觀測(cè)是主要手段，可以獲得大尺度海洋現(xiàn)象和目標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，但在一些具有生命周期的中小尺度現(xiàn)象的精細(xì)化觀測(cè)與捕捉上，無(wú)人機(jī)無(wú)疑能夠發(fā)揮其獨(dú)特的作用，因此，與衛(wèi)星協(xié)同的對(duì)海觀測(cè)便具有十分重要的意義。

目前海上溢油、水域污染、森林火災(zāi)、地震、洪澇等非自然和自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)越來(lái)越關(guān)注所獲取數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性，這就要求監(jiān)測(cè)平臺(tái)具有駐空“凝視”能力。另外，對(duì)災(zāi)害要防患于未然，這要求監(jiān)測(cè)平臺(tái)要具備業(yè)務(wù)化日常運(yùn)行、預(yù)警的能力，而衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)則具備了這兩種潛力，將會(huì)在未來(lái)成為應(yīng)急災(zāi)害觀測(cè)領(lǐng)域的必不可少的一部分。衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化日常運(yùn)行能力同樣對(duì)水環(huán)境、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查、氣候等生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有重要意義。

由以上分析可見(jiàn)，衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)協(xié)同觀測(cè)將會(huì)在全球海洋觀測(cè)、生態(tài)環(huán)境調(diào)查、應(yīng)急災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮更為重要的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)協(xié)同觀測(cè)具備很大的發(fā)展?jié)摿Γ梢猿蔀閷?duì)地觀測(cè)領(lǐng)域內(nèi)重要的手段，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展中。目前，很多發(fā)達(dá)國(guó)家借助其先進(jìn)的無(wú)人機(jī)技術(shù)，在衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)協(xié)同觀測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了一系列研究，在該領(lǐng)域內(nèi)走在了前列。我國(guó)對(duì)衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)協(xié)同觀測(cè)體系的研究還處于探索中?！翱?、天、地”一體化的協(xié)同觀測(cè)體系已逐漸成為對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，而衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)協(xié)同觀測(cè)則是其中的重要組成部分，相關(guān)研究對(duì)構(gòu)建“空、天、地”一體化協(xié)同觀測(cè)體系具有重要意義。