探南极:南极科考引入无人机有何意义?

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2024年是中国极地考察40周年。40年来,在党的领导下,我国极地事业从无到有、由弱到强,一代代极地工作者勇斗极寒、坚忍不拔、拼搏奉献、严谨求实、辛勤工作,取得了丰硕成果。位于地球最南端、神秘遥远的“冰雪大陆”南极洲是进行科学研究的“圣殿”,一批又一批中国科考健儿奔赴南极,他们到南极探索什么科学奥秘?他们如何进行科学探索?取得哪些科研成果?南极还有哪些未解之谜?新华访谈联合上海分社“上天入海”工作室,围绕南极的气候变化、冰盖稳定性、海冰融化、天文发展、动物状况等领域推出系列访谈“探南极”。

本期专访第40次南极科学考察队队员、武汉大学中国南极测绘研究中心褚馨德、耿通。

中国南极考察车队勇敢挺进茫茫无际、危机四伏的南极内陆。 新华社记者 张建松 摄

2023年10月,武汉大学欢送中国第40次南极科学考察队武汉大学队员出征(受访者供图)。

新华网:为什么要将无人机引入南极考察中来?无人机达到目前的水平经历了怎样的过程?

褚馨德:在中国第40次南极科学考察中,我国在南极内陆开展了大面积精细化无人机航测,相比传统的固定翼飞机或直升机,使用无人机进行科考通常更为经济实惠,并且南极地区地形复杂,气候恶劣,无人机可以通过搭载不同传感器的方式,获取到人力无法抵达区域的数据,这减少了科考人员暴露在极端条件下的风险,避免人员受伤或失踪的可能性。

自中国第24次南极科学考察以来,来自北京航空航天大学、武汉大学、北京师范大学、中山大学、同济大学、黑龙江测绘地理信息局、中国极地研究中心、国家海洋信息中心、中国气象科学研究院等单位的考察队员,都曾利用无人机圆满完成考察任务。

我国科技进步不断为南极考察注入新的活力。无人机技术、高精度精细化航测的快速发展,为南极考察提供了新的解决方案和更高效的工作方式,无人机功能不断拓展,为科考人员提供更加全面、灵活、准确的数据支持。

2008年1月1日中国南极第一架无人机拍摄的中山站核心站区 拍摄:王挺(受访者供图)

新华网:目前,无人机在南极考察的哪些领域得到了较成熟的应用?使用无人机作业占比多大?

褚馨德:目前,无人机已经成为我国南极考察的“标配”。较为成熟的领域如下:

地形测绘:对南极地区的地形进行高精度的测绘和三维建模。

冰架冰盖监测与气候研究:无人机可以监测冰架和冰盖的厚度、流速、融化情况等参数。

生物多样性调查:无人机可以用于监测鸟类、海豹、企鹅等动物的分布与数量,为生物多样性研究和保护提供重要数据支持。

除了上述提及的科学研究任务外,无人机还被广泛应用于南极环境监测、资源调查和海洋研究等方面。例如,在中国第40次南极科学考察队中,我们利用无人机和多种传感器,在中山站、格罗夫山地区、泰山站和昆仑站等地,开展了多架次无人机航测飞行。高分辨率的正射模型,真实反映南极地区的地貌、地形和地表覆盖情况,为考察队现场决策和作业实施提供了重要的信息支撑。

位于东南极伊丽莎白公主地的格罗夫山,是我国发现的一个“陨石宝库”。我们利用旋翼无人机和复合翼无人机,对梅森峰、哈丁山等格罗夫山主要地区进行航测,采集了裸岩、积雪和冰裂隙等数据,为深入研究格罗夫山陨石分布及地形特征提供了宝贵资料。

在内陆考察中,为了防范危险的冰裂隙,我们还使用无人机进行冰上探路、冰裂隙勘测,依据勘测结果及时预判风险区域,提升了队伍通行的效率与安全性。

2007年12月中国南极第一架无人机 摄影:艾松涛(受访者供图)

新华网:科研人员如何通过无人机作业,为冰面动态监测、形态研究等提供精准数据支撑?

耿通:利用无人机开展摄影遥感测量可获取高分辨率、高精度的地表正射影像和数字表面模型(DSM)或数字高程模型(DEM)。一方面,这些数据可作为内陆冰面考察路线规划的依据,或识别探寻冰盖表面及内部特殊结构(冰裂隙、冰下湖、陨石等)。另一方面,两幅同地不同期的正射影像可用于冰流速监测,同地不同期的DEM或DSM可用于冰盖高程变化研究,进而为冰川物质平衡研究提供依据。此外,还可作为卫星观测数据的地面验证数据。

褚馨德:科研人员一般会在研究区附近选择一个安全的作业点,例如我对达尔克冰川进行无人机航空摄影测量时,选择附近的岩石露头作为起飞点。在作业前,我们会对研究区进行航线规划,不同的飞行高度、飞行速度、航线重叠率等参数都可能会影响航测结果。在作业点,我们根据之前规划好的航线航飞无人机,并时刻关注无人机的各项参数如是否沿航线执行任务、航速多少等。无人机获取到的数据包括正射影像及高程数据,本次我们获取到的数据大多数空间分辨率是5cm。根据这些数据可为冰面动态监测、冰面形态研究等提供精准数据支撑。

中国第40次南极科学考察队队员耿通在昆仑站附近进行无人机科考作业(受访者供图)。

新华网:目前,无人机是否还存在不足与提升空间?未来进一步应用的挑战是什么?

褚馨德、耿通:

目前面向南极的无人机需求主要包括:

(1)耐低温。南极地区的温度较低,低温环境可能使得无人机及搭载的传感器等精密仪器无法正常工作,应提升无人机配件在低温条件下的适应性和工作效能。

(2)抗大风。南极常年受到强风等极端天气的影响,如我们在格罗夫山考察期间的平均风速为5级,这对无人机的抗风稳定性提出了严格要求,应提升起降过程中的稳定性,提升不利天气条件下的作业可用性。

(3)解决磁偏角问题。高纬极区的地磁倾角大,可能会造成无人机航向漂移,部分无人机在南极地区不可用,需要结合多种手段提升航飞定向的准确性。

(4)长续航。南极环境会显著降低锂电池的续航能力,长航时是南极无人机应用的重要需求,也是未来发展的方向,可以从无人机方案设计改进、复合材料应用、能源效率多方努力。

中国第40次南极科学考察队队员褚馨德在格罗夫山执行无人机航测任务(受访者供图)。

新华网:作为极地科考工作者,如何看待自己工作的挑战与价值?

褚馨德:南极考察作为国家的大事业,我荣幸能够参与其中,并磨砺自己的真本领。和校园生活相比,南极考察无疑是更具有挑战的,作为新时代的青年,我有幸参加中国第40次南极科学考察,我在面对零下十几度的低温,5、6级大风作业的过程中,学到了该如何更好地执行无人机航测任务,也认识到了获取数据的困难与宝贵,让我在日后的学习工作中更加珍惜数据资源。这些是在大学的“象牙塔”中获取不到的宝贵经验。

耿通:在考察过程中所遇到的困难和挑战,是个人实学实干的“试金石”,是意志品性的“磨刀石”。在南极作业需要提前做好充足的准备,在恶劣环境下,除了要迅速部署设备仪器进行作业,还要面对各种突发情况。这既是对专业技术的考验也是对人的毅力、耐力的考验。励志挑战自我,突破极限,为“造福全人类”获取南极环境变化的本底资料、为祖国极地科考事业倾心奉献是作为一名极地人矢志不渝的追求。

评论
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太师级
随着科学技术的发展,智能时代的到来,无人机在南极科考中的应用不仅提高了科研效率,也为人类更好地理解南极和地球的未来提供了重要的数据支持。随着科技的不断进步,我们期待无人机在南极科考中的应用将更加广泛和深入,更好地了解南极的生态系统和气候变化。
2024-05-19
张美玲L
进士级
中国南极科考站彰显科技实力,无人机助力资源勘探。这不仅体现对南极科学研究的深入,更彰显对南极资源开发与保护的智慧。致敬我那些励志挑战自我,突破极限,为“造福全人类”获取南极环境变化的本底资料、为祖国极地科考事业倾心奉献的极地人。
2024-05-19
科普lyjzgf
进士级
无人机技术在南极科考中的应用,是科技进步支持极地科学研究的典型例证,标志着我国南极科考能力的显著提升,也预示着未来极地科学研究将更加依赖于高新技术的融合与发展。随着无人机技术的不断进步和完善,其在极地科学考察中的作用将会更加重要,帮助人类更深入地理解南极这块神秘大陆,解答更多关于地球气候变化、生物多样性及极地环境保护的科学问题。
2024-05-19