《探南極》係列訪談第一期丨南極科考引入無人機有何意義?-新華網
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2024 05/11 10:42:03
來源:新華網

《探南極》係列訪談第一期丨南極科考引入無人機有何意義?

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  2024年是中國極地考察40周年。40年來,在黨的領導下,我國極地事業從無到有、由弱到強,一代代極地工作者勇鬥極寒、堅忍不拔、拼搏奉獻、嚴謹求實、辛勤工作,取得了豐碩成果。位于地球最南端、神秘遙遠的“冰雪大陸”南極洲是進行科學研究的“聖殿”,一批又一批中國科考健兒奔赴南極,他們到南極探索什麼科學奧秘?他們如何進行科學探索?取得哪些科研成果?南極還有哪些未解之謎?新華訪談聯合上海分社“上天入海”工作室,圍繞南極的氣候變化、冰蓋穩定性、海冰融化、天文發展、動物狀況等領域推出係列訪談“探南極”。

  本期專訪第40次南極科學考察隊隊員、武漢大學中國南極測繪研究中心褚馨德、耿通。

  

  中國南極考察車隊勇敢挺進茫茫無際、危機四伏的南極內陸。 新華社記者 張建松 攝

  2023年10月,武漢大學歡送中國第40次南極科學考察隊武漢大學隊員出徵(受訪者供圖)。

  新華網:為什麼要將無人機引入南極考察中來?無人機達到目前的水準經歷了怎樣的過程?

  褚馨德:在中國第40次南極科學考察中,我國在南極內陸開展了大面積精細化無人機航測,相比傳統的固定翼飛機或直升機,使用無人機進行科考通常更為經濟實惠,並且南極地區地形復雜,氣候惡劣,無人機可以通過搭載不同感測器的方式,獲取到人力無法抵達區域的數據,這減少了科考人員暴露在極端條件下的風險,避免人員受傷或失蹤的可能性。

  自中國第24次南極科學考察以來,來自北京航空航太大學、武漢大學、北京師范大學、中山大學、同濟大學、黑龍江測繪地理資訊局、中國極地研究中心、國家海洋信息中心、中國氣象科學研究院等單位的考察隊員,都曾利用無人機圓滿完成考察任務。

  我國科技進步不斷為南極考察注入新的活力。無人機技術、高精度精細化航測的快速發展,為南極考察提供了新的解決方案和更高效的工作方式,無人機功能不斷拓展,為科考人員提供更加全面、靈活、準確的數據支援。

  

  2008年1月1日中國南極第一架無人機拍攝的中山站核心站區 拍攝:王挺(受訪者供圖)

  新華網:目前,無人機在南極考察的哪些領域得到了較成熟的應用?使用無人機作業佔比多大?

  褚馨德:目前,無人機已經成為我國南極考察的“標配”。較為成熟的領域如下:

  地形測繪:對南極地區的地形進行高精度的測繪和三維建模。

  冰架冰蓋監測與氣候研究:無人機可以監測冰架和冰蓋的厚度、流速、融化情況等參數。

  生物多樣性調查:無人機可以用于監測鳥類、海豹、企鵝等動物的分布與數量,為生物多樣性研究和保護提供重要數據支援。

  除了上述提及的科學研究任務外,無人機還被廣泛應用于南極環境監測、資源調查和海洋研究等方面。例如,在中國第40次南極科學考察隊中,我們利用無人機和多種感測器,在中山站、格羅夫山地區、泰山站和昆侖站等地,開展了多架次無人機航測飛行。高分辨率的正射模型,真實反映南極地區的地貌、地形和地表覆蓋情況,為考察隊現場決策和作業實施提供了重要的資訊支撐。

  位于東南極伊麗莎白公主地的格羅夫山,是我國發現的一個“隕石寶庫”。我們利用旋翼無人機和復合翼無人機,對梅森峰、哈丁山等格羅夫山主要地區進行航測,採集了裸岩、積雪和冰裂隙等數據,為深入研究格羅夫山隕石分布及地形特徵提供了寶貴資料。

  在內陸考察中,為了防范危險的冰裂隙,我們還使用無人機進行冰上探路、冰裂隙勘測,依據勘測結果及時預判風險區域,提升了隊伍通行的效率與安全性。

  

  2007年12月中國南極第一架無人機 攝影:艾松濤(受訪者供圖)

  新華網:科研人員如何通過無人機作業,為冰面動態監測、形態研究等提供精準數據支撐?

  耿通:利用無人機開展攝影遙感測量可獲取高分辨率、高精度的地表正射影像和數字表面模型(DSM)或數字高程模型(DEM)。一方面,這些數據可作為內陸冰面考察路線規劃的依據,或識別探尋冰蓋表面及內部特殊結構(冰裂隙、冰下湖、隕石等)。另一方面,兩幅同地不同期的正射影像可用于冰流速監測,同地不同期的DEM或DSM可用于冰蓋高程變化研究,進而為冰川物質平衡研究提供依據。此外,還可作為衛星觀測數據的地面驗證數據。

  褚馨德:科研人員一般會在研究區附近選擇一個安全的作業點,例如我對達爾克冰川進行無人機航空攝影測量時,選擇附近的岩石露頭作為起飛點。在作業前,我們會對研究區進行航線規劃,不同的飛行高度、飛行速度、航線重疊率等參數都可能會影響航測結果。在作業點,我們根據之前規劃好的航線航飛無人機,並時刻關注無人機的各項參數如是否沿航線執行任務、航速多少等。無人機獲取到的數據包括正射影像及高程數據,本次我們獲取到的數據大多數空間分辨率是5cm。根據這些數據可為冰面動態監測、冰面形態研究等提供精準數據支撐。

  

  中國第40次南極科學考察隊隊員耿通在昆侖站附近進行無人機科考作業(受訪者供圖)。

  新華網:目前,無人機是否還存在不足與提升空間?未來進一步應用的挑戰是什麼?

  褚馨德、耿通:

  目前面向南極的無人機需求主要包括:

  (1)耐低溫。南極地區的溫度較低,低溫環境可能使得無人機及搭載的感測器等精密儀器無法正常工作,應提升無人機配件在低溫條件下的適應性和工作效能。

  (2)抗大風。南極常年受到強風等極端天氣的影響,如我們在格羅夫山考察期間的平均風速為5級,這對無人機的抗風穩定性提出了嚴格要求,應提升起降過程中的穩定性,提升不利天氣條件下的作業可用性。

  (3)解決磁偏角問題。高緯極區的地磁傾角大,可能會造成無人機航向漂移,部分無人機在南極地區不可用,需要結合多種手段提升航飛定向的準確性。

  (4)長續航。南極環境會顯著降低鋰電池的續航能力,長航時是南極無人機應用的重要需求,也是未來發展的方向,可以從無人機方案設計改進、復合材料應用、能源效率多方努力。

  

  中國第40次南極科學考察隊隊員褚馨德在格羅夫山執行無人機航測任務(受訪者供圖)。

  新華網:作為極地科考工作者,如何看待自己工作的挑戰與價值?

  褚馨德:南極考察作為國家的大事業,我榮幸能夠參與其中,並磨礪自己的真本領。和校園生活相比,南極考察無疑是更具有挑戰的,作為新時代的青年,我有幸參加中國第40次南極科學考察,我在面對零下十幾度的低溫,5、6級大風作業的過程中,學到了該如何更好地執行無人機航測任務,也認識到了獲取數據的困難與寶貴,讓我在日後的學習工作中更加珍惜數據資源。這些是在大學的“象牙塔”中獲取不到的寶貴經驗。

  耿通:在考察過程中所遇到的困難和挑戰,是個人實學實幹的“試金石”,是意志品性的“磨刀石”。在南極作業需要提前做好充足的準備,在惡劣環境下,除了要迅速部署設備儀器進行作業,還要面對各種突發情況。這既是對專業技術的考驗也是對人的毅力、耐力的考驗。勵志挑戰自我,突破極限,為“造福全人類”獲取南極環境變化的本底資料、為祖國極地科考事業傾心奉獻是作為一名極地人矢志不渝的追求。

 

【糾錯】 【責任編輯:徐可】