京津冀地区无人机低空航路气象环境模拟研究

随着我国低空空域的陆续开放,低空飞行安全气象保障体系正被越来越多的研究学者所重视。京津冀地区无人机产业的发展在国内处于领军地位。基于WRF(Weather Research and Forecasting Model)中尺度数值模式,对2015—2019年京津冀地区气象要素进行模拟,模拟结果与气象站观测数据进行误差对比分析,可为该地区无人机低空航路的飞行安全提供建议。结合无人机飞行限制因素,对京津冀地区无人机航路气象要素平均分布和平均垂直分布进行分析,结论如下:1)冬季、春季以及秋季白石山至东灵山出现风速5.5 m/s以上区域,可使无人机飞行产生剧烈晃动甚至炸机,在此区域内飞行应时刻注意风速变化。2)冬季京津冀全区为0℃及以下所控制,由于温度条件限制不适合无人机飞行,其余季节温度范围均在无人机电池正常工作范围之内。3)夏季京津冀地区降雨量大,应注意强降雨对无人机飞行造成的影响。4)垂直方向上低空空域内,冬季、春季以及秋季风速会对无人机飞行造成影响,冬季温度低于0℃不适合无人机进行低空作业。

天津市无人机产业发展的思考及建议

无人飞行系统作为一个复杂、庞大的技术体系,集飞行器设计、导航、制导与控制,通信与信息系统、计算机应用技术等学科于一体,是科技创新的集中体现。世界多国都在大力发展各种用途的无人飞机,无人机系统的性能不断提高、功能不断增加,应用范围和应用领域迅速拓展,随着无人机研制、生产成本不断降低,其应用范围日益广泛,市场需求旺盛,发展前景广阔。无人机产业在国民经济建设中的作用日益突出,将会成为支持我国经济发展的重要产业。

面向无人机遥感数据共享的元数据设计与实践

针对无人机遥感数据的载荷类型多元、平台种类多样以及数据结构复杂的特点,文章在充分调研国内外已有的地理空间元数据标准基础上,设计了面向数据共享的无人机遥感数据的核心元数据总体结构和详细内容。同时,以基于B/S架构的数据共享平台为载体,通过元数据编辑和展示的方式实现无人机遥感数据的共享。通过实践应用,数据共享平台目前已汇集2814例多载荷多平台的无人机遥感元数据,实现了无人机遥感数据共享的初始形态。该研究设计的无人机遥感元数据规则及构建的共享平台,可为实现进一步的无人机遥感数据共享提供核心基础和技术支撑。

地理学研究与无人机应用相互借力发展——“地理科学进展与无人机应用”专辑序言

无人机是高新技术领域技术含量高、多学科融合度密集、技术更新换代迅速和应用普及度高的典型代表。当代地理学的发展借助无人机的应用得到很大拓展,在自然地理过程的空间视角拓展与全景动态展现、高清对地遥感数据应用、农林植保辅助作业、旅游资源利用与开发,以及低空空域资源开发与低空航路网规划等方面显得尤为突出。

地理信息技术应用下的无人机云端管理系统发展

日益增长的无人机飞行需求与有限的低空空域之间的矛盾愈发激烈,世界各国都在推进无人机管控政策和技术手段研究,即便在最自由的美国G类非管制空域,管理当局也在制定更为严格的无人机管控措施。无人机云端管理系统作为一种新型的数字化监管手段,其系统建设框架和技术路线得到了国内外学者和监管部门的广泛关注与研究。地理信息技术作为云端管理系统的应用技术之一,具体体现在以下几方面:利用全球导航卫星系统(GNSS)实现无人机精准空间定位;通过遥感技术(RS)获取影响无人机飞行安全的地理约束要素信息;基于地理信息系统(GIS)对低空地理空间数据进行组织管理以及构建低空虚拟地理环境等。论文结合团队在无人机低空应用上的研究进展,指出地理信息技术可以在云端管理和航路规划方面为无人机运行管理提供解决方案。

无人机低空飞行障碍物环境风险评估方法研究——以京津新城为例

无人机应用日益广泛,但随着城市环境建设的不断推进,无人机在城市中安全运行的问题也日益突出,因此无人机低空障碍物环境风险评估成为无人机领域研究的关键问题之一。论文按照不同类型无人机及运行高度将低空空域划分为微型、轻型和小型无人机风险评估区域,在充分考虑无人机自身形状大小、运动约束以及障碍物约束等条件的基础上,提出一种近似点扩张算法,基于障碍物原始边界生成扩张边界,并将其作为低空飞行环境中高风险与低风险之间的风险过渡区。以京津新城为例,分别提取不同风险评估区内的障碍物要素,并基于风险评估技术生成面向微型、轻型和小型无人机多高度层的低空飞行障碍物环境风险地图,按其对无人机威胁程度分为高风险区、高风险过渡区、中风险区和低风险区。实验结果表明:研究区内微型、轻型、小型无人机风险评估区内的风险过渡区分别占10.9%、7.3%、9.0%,该方法可以在考虑无人机与障碍物相互影响的基础上,计算飞行区域内无人机潜在碰撞风险区域,实现对低空障碍物环境风险的科学有效评估,为不同机型的无人机在飞行区域内的可航行性提供科学参考。

中国无人机遥感技术突破与产业发展综述

无人机是未来网络环境下一种数据驱动的空中移动智能体,而无人机遥感则是无人机应用最重要的引领性产业。本文首先以国内外无人机遥感发展现状为背景,重点概述了中国无人机遥感21世纪以来"十五"到"十三五"所获得的具有代表性的国家支持与推动的发展历程,阐述了无人机遥感定标场,航空航天定标场的建立以及应用验证,包括无人机遥感系统的载荷与系统技术发展;然后,进一步阐述了以遥感定标场、地物参量引导载荷性能、系统模型为代表的中国无人机遥感的相关技术跨越;接着,概略介绍了无人机遥感在国防反恐安全以及跨国应急救援,国土测绘与海洋岛礁测绘应用,地质灾害应用以及国家应急救援等领域的产业应用;最后,介绍了中国在无人航空遥感领域展开的跨越性的工作,包括组网智能控制、精度和实时性度量基础、载荷平台自组织冗余容错、遥感大数据云处理技术和无人机遥感组网实用化等内容。未来无人机遥感发展的总体目标是建立起具备迅捷信息获取能力的无人航空器组网观测系统,实现无人航空器组网技术由项目层面跨越到遥感领域,同时也为中国成为世界遥感强国的国家战略跨越奠定基础。

一种深度学习的无人机影像道路自动提取方法

针对无人机影像道路提取自动化程度低、道路信息不完整及道路交叉口不连通等问题,该文提出了一种结合拓扑结构和全局上下文感知的无人机影像道路提取方法,通过构建一种编码/解码模式的深度学习方法实现自动化提取。在网络模型中,设计了聚合特征模块及增强型扩张卷积模块以获取更多的道路信息,并引入拓扑感知损失函数以保证道路的连通性,实现道路拓扑结构特性的反演。实验结果表明,基于改进后的网络模型对道路信息的提取效果较好,在无人机影像测试集上的准确率、召回率、F1得分和交并比(IoU)分别达到了89.07%、84.74%、86.86%和72.45%;在马萨诸塞州道路公共影像集通用性测试中,提取原始遥感图像的道路信息也表现了出色的提取性能。

基于改进蚁群算法的无人机低空公共航路构建方法

日益增加的无人机数量和飞手自由规划航线给航空安全带来极大隐患。构建一个安全、高效的航空飞行环境,可以为无人机活动设立隔离空域,并在隔离空域内规划无人机低空公共航路,以提高低空空域利用率,为无人机交通管理提供决策依据。本研究充分考虑无人机近地表飞行及其即时通讯等特点,以天津市为例,基于地理信息技术构建以多源地理空间数据为基础的无人机低空飞行环境,包括低空蜂窝网络环境、大气环境和政策空域环境等,并改进传统蚁群算法以搜索无人机最优路径,得到该区无人机低空公共航路网。研究结果表明,改进的蚁群算法大大提高了路径搜索效率,满足无人机航路规划的高时效性、动态更新等要求;并且天津市航路长度符合市场上现有的无人机最远航程要求,基本满足现有的无人机运输要求。本研究描述的无人机低空公共航路研究的核心算法和关键技术,可以为无人机管控系统提供核心技术支撑。

城镇化区域无人机低空航路网迭代构建的理论体系与技术路径

由于低空环境复杂,当前以无人机为应用主体的低空空域资源开发安全性和利用效率较低。而随着无人机数量的迅猛发展和商业化应用的快速扩张,旺盛的飞行需求与有限的飞行空间在低空的矛盾日益突出,如何安全、高效地管理无人机低空活动成为突出问题。目前各国都在探索解决途径,其中无人机低空航路是一种由中国科学院率先提出并得到业界和中国民用航空局认可的无人机低空交通和低空资源高效利用的综合解决方案。然而,这一概念还处在探索阶段,如何构建还不太明晰,尤其是对于地表环境复杂和高动态变化的城镇化区域,如何快速获取高精度的地理信息以满足无人机安全、高效飞行也是一大难题。鉴于遥感技术在航路的敏感信息提取与深化处理方面呈现出良好的应用前景,本文提出一种基于遥感和地理信息技术的城镇化区域低空公共航路网的高效迭代构建方法,并从理论支撑和已有研究基础论证了该方法的可行性。该研究技术路径主要包括基于地面路网生成具有多高度层的Ⅰ级航路网,以充分利用地面交通设施;利用航路正约束地理要素生成Ⅱ级航路网,如沿路的城市绿地和水域;规避负约束地理要素构建Ⅲ级航路网,主要包括建筑物、通信盲区和电力线(杆)等;最后,通过仿真飞行和实际飞行测试分别生成Ⅳ、Ⅴ级航路网,通过实际量测对比分析来检验无人机飞行的环境地图,保证飞行的安全性。以上方法基于遥感、地理信息、航空、交通等交叉学科解决无人机低空运行难题,为构建无人机低空航路网提供了一种新思路。更进一步讲,本文在低空领域运用地理学方法构建无人机航路网,是继无人机遥感应用之后无人机在地理学应用的又一大突破,同时也拓展了地理学的研究范畴,必将推动地理科学发展。

面向中国洪涝灾害应急监测的无人机空港布局

当前洪涝灾害对社会的经济发展和人民生命财产安全构成严重威胁。无人机机动、灵活,安全性高,可迅捷甚至实时获取灾区影像,对灾情的快速评估和应急救援决策意义重大。遥感无人机在洪涝灾害救援中能够发挥的重要作用已得到广泛共识,但是由于灾害的突发性,缺乏就近部署的资源制约了无人机遥感观测和救援作用的发挥。针对突发灾害,在区域和全国范围内建立起一定的无人机遥感应急体系成为国家面向未来正在考虑的选项。基于此,本研究提出了基于中国科学院的野外台站构建全国无人机遥感观测网的设想。本研究以中国防范洪涝灾害等级分布数据、行政区划数据、中国科学院野外台站分布数据和当前无人机性能数据库为数据源;以行政区划离散并提取的中心点作为需求点,台站作为设施点,不同洪涝等级区域内需要无人机进行应急观测的重要程度作为权重,利用最大覆盖选址模型进行空港选址布局;利用成本-效益曲线确定台站的最佳数量,最终从268个台站中选取出81个作为支撑全国洪涝灾害无人机遥感观测网络的无人机空港。无人机空港布局结果在理论上能够实现对中国绝大数突发洪涝灾害在2 h内初步完成洪涝观测,这对于构建中国空天地一体化的洪涝灾害监测体系具有重要意义。同时,本研究中的方法和成果对于进一步构建行业和综合性的全国无人机遥感观测网也具有一定借鉴和参照意义。

基于高分辨率模式的京津冀地区无人机航路风向风速模拟分析

随着中国低空空域的陆续开放,依靠现有的低空飞行气象保障技术为低空安全飞行提供服务略有不足,对飞行影响最大的风进行预报也有一定的困难。论文基于WRF(Weather Research and Forecasting Model)中尺度数值模式,对2015—2019年京津冀地区的风速风向进行模拟,并将模拟结果与气象站观测数据进行对比分析,可为该地区无人机低空航路飞行安全提供保障。结果表明:WRF模式能够较好地模拟风速的季节变化趋势,平原地区的模拟效果优于山区,山区模拟的风速偏大,但误差在可接受的范围内(RMSE<1.5 m·s^(-1))。平均风速、最大风速最小值均出现在夏末,平均风速最大值出现在春季(山区4.43 m·s^(-1)、平原4.13 m·s^(-1));最大风速在冬、春、夏初呈波动递增,夏季中旬开始减少,夏末秋初降至最小。京津冀地区风速呈西北向东南递减,泊头站(-0.02 m·s^(-1)·(5 a)^(-1))和天津站(-0.02 m·s^(-1)·(5 a)^(-1))平均风速呈下降趋势,其余站点风速呈上升趋势,唐山站上升率最大(0.08 m·s^(-1)·(5 a)^(-1));在风速季节空间分布中,平均风速以上升趋势为主,站点所占比例为春季45.45%、夏季90.91%、秋季63.63%、冬季81.81%。平原地区盛行风呈东北—西南向;山区站点怀来站风向以WNW(18.70%)和W(15.01%)为主,蔚县站风向以N(16.79%)和NNW(12.03%)为主,相较于平原地区,山地地区风速8.0 m·s^(-1)的大风数量显著上升。1000 m高度的平原地区大风出现频率显著增加,增长速度高于山地地区,不利于无人机飞行,风速17.0 m·s^(-1)以上出现的概率明显高于山地地区。

京津冀地区无人机航路气象因子高分辨率模拟分析

京津冀地区低空环境复杂多变,低空飞行安全受到雷暴、风切变、能见度、温度和湿度等气象因子的影响,准确地模拟和预报无人机低空航路上的气象要素是一个难题。基于中尺度天气预报模式(WRF)及其先进的三维变分同化系统(3D-Var),论文以2016年华北"7·20"特大暴雨作为研究案例,对京津冀地区无人机低空航路上的温度场、湿度场和风场进行资料同化与数值模拟,对比地面观测资料和数值模拟结果,分析其结构及特征,以期为京津冀地区无人机航路飞行安全保障提供参考。结果表明:WRF模式能够较好地模拟出该地区近地面温度、湿度和风速的日变化趋势。平原站点(天津和密云)模拟值与观测值的均方根误差(RMSE)和偏差(Bias)较小,风速在山区的模拟值偏大,平原地区的模拟效果优于北部和西部山区。强降水发生时,平原地区和山区的温度相差15℃左右,相对湿度达95%以上,边界层高度低于500 m,强烈的温差、较高的湿度和较低的边界层都会影响无人机的飞行安全。900 hPa高空,沿117°E经线在河北省廊坊—衡水一线出现超过10 m·s^(-1)的风速值,形成强劲的东北风,区域北部(39°N~40.5°N)出现了明显的上升气流,1000 m高度处垂直风速也超过2 m·s^(-1)。强烈的上升气流极不利于无人机的飞行,会对无人机飞行姿态和飞行高度产生重大影响,造成安全隐患。

面向高分卫星遥感共性产品真实性检验的无人机空港布局

针对高分卫星遥感共性产品真实性检验对无人机数据的需求,本文以已有野外台站为依托,开展无人机空港布局研究。首先,综合考虑影响卫星产品空间变异的因素,构建了地理背景覆盖率的物理模型;其次,基于地理背景覆盖率改进覆盖模型提出最大地理背景覆盖模型,并利用简单随机抽样中的样本容量确定方法确定合理的空港数量,分别利用本文提出的最大地理背景覆盖模型和已有最大面积覆盖模型进行空港布局的研究;最后,对两种模型下的空港布局结果进行对比,并利用MODIS EVI数据产品对布局结果进行验证。结果表明,在空港数有限的条件下(n=60),最大面积覆盖模型选择的空港,其服务范围内的地理背景覆盖率为26.66%,能代表70.37%的中国陆地区域,而最大地理背景覆盖模型选择的空港,其服务范围内的地理背景覆盖率为38.32%,能代表73.36%的中国陆地区域。最大地理背景覆盖模型比最大面积覆盖模型能获得更优的空港布局结果,可用于支撑中国区域面向高分卫星遥感共性产品真实性检验的无人机观测网络建设。

CYGNSS土壤盐分反演方法研究:以黄河三角洲为例

土壤盐碱胁迫是植物生产力低下的关键因素,也是全球盐碱区可持续发展的瓶颈;如何较为高效可靠地获取区域土壤盐分信息是需要优先解决的问题。随着全球导航卫星系统反射测量GNSS-R(Global Navigation Satellite System Reflectometry)的迅速发展,运用星载GNSS-R测量区域范围的土壤盐分成为一种可能。全球飓风导航卫星系统CYGNSS(The Cyclone Global Navigation Satellite System)作为星载GNSS-R计划的重要组成部分之一,其卫星传感器使用的L波段能够敏感地获取土壤介电常数信息,为反演土壤盐分提供了理论基础。本文以CYGNSS作为主要数据源,选取土壤盐渍化十分严重且具有典型代表性的黄河三角洲区域作为研究区域,首次探讨CYGNSS反演土壤盐分的可行性,并建立了一套土壤盐分的反演方法。首先,利用基于相干信号的双基雷达方程对CYGNSS数据进行计算获取地表反射率,并校正地表反射率的地表粗糙度和植被衰减效应,计算得到土壤介电常数的幅值;然后,以改进的Dobson-S土壤介电常数模型为物理模型结合土壤水分主动—被动探测卫星SMAP(Soil Moisture Active Passive Mission)土壤水分产品数据为主要的辅助数据,构建一套土壤盐分反演方法,完成2020年5月份黄河三角洲高效经济生态区的土壤盐分反演;最后,利用实测电导率数值对反演结果进行真实性检验,决定系数(R^(2))为0.88、均方根误差(RMSE)为1.06 mS/cm,拟合精度较高。本研究成果表明运用CYGNSS反演土壤盐分具有一定的可行性,并为区域尺度上的土壤盐分提供一种新思路。

斯里兰卡近海海洋生态环境变化遥感监测分析

斯里兰卡是海上丝绸之路沿线重要的节点国家,其周边海域生态环境变化与经济发展、休闲生活和食品安全密切相关。利用2002—2017年的MODIS遥感反演产品对斯里兰卡岛周边海域、关键节点港口科伦坡的生态环境参数年际变化规律分别进行分析和2003—2012年的MERIS遥感反射率产品对保克海峡进行水体类型时空分析,结论如下:①研究区内光合作用有效辐射高值出现在马纳尔湾,海域沿岸浮游植物生物量相对较高,与海表温度负相关,外海浮游植物生物量极低,与透明度负相关。②科伦坡港附近水温(海表温度)、海面光照强度(光合作用有效辐射)、水体清洁度(海水透明度)、海洋食物网基础的浮游植物生物量(叶绿素浓度)和浮游植物净初级生产力最大值分别出现在4月、3月、3月、8月、7月,致灾因素重点关注8月潜在的赤潮。③保克海峡浑浊带的源头是印度的卡里梅尔角,由高韦里河携带大量泥沙造成。这有助于了解和认识高时空变化的保克海峡及斯里兰卡周边海域在不同时间-空间的海洋生态环境。