龐小平 季 青 崔祥斌 朱李忠, 范 沛

（1.武漢大學(xué) 中國南極測繪研究中心 武漢 430079；2.武漢大學(xué) 極地測繪科學(xué)國家測繪地理信息局重點實驗室 武漢 430079；3.中國極地研究中心 上海 200136；4.黑龍江(省)測繪地理信息局 哈爾濱 150081）

0 引言

全球氣候變化對極地地區(qū)造成劇烈影響[1]。受地理位置、自然環(huán)境和觀測手段的限制，長期以來，我國對于兩極地區(qū)的認識存在不足，對極地生態(tài)環(huán)境和自然資源潛力的評估相對落后。遙感技術(shù)是獲得極區(qū)觀測數(shù)據(jù)最有效的手段之一，其能夠全天時、大范圍、定量化、持續(xù)性監(jiān)測極區(qū)環(huán)境參數(shù)及其變化[2]。航空遙感技術(shù)是遙感對地觀測體系的重要組成部分。相對于衛(wèi)星遙感，航空遙感具有較低的飛行高度，因而可以提供更高的時空分辨率、更優(yōu)的觀測精度以及更靈活的時間覆蓋度，從而在衛(wèi)星遙感與地面觀測之間建立橋梁，推動極地觀測的立體化和精細化發(fā)展[3]。

我國在極地航空對地觀測領(lǐng)域起步較晚，在觀測技術(shù)手段和科學(xué)研究的廣度與深度方面均落后于極地考察強國，對極地環(huán)境變化的監(jiān)測與自然資源潛力的評估相對不足，極大影響了我國應(yīng)對全球氣候變化和處理南北極事務(wù)的能力。隨著我國極地事業(yè)的發(fā)展和對極地權(quán)益的戰(zhàn)略需求，應(yīng)用航空平臺獲取極地環(huán)境信息的緊迫性越來越強烈。在作為國家戰(zhàn)略新疆域和天然試驗場的極地區(qū)域開展航空考察，可滿足國家權(quán)益和極地戰(zhàn)略落實的需求、滿足我國“十四五”期間極地資源與環(huán)境綜合考察的需求、滿足全球變化研究的需求，因而具有重要的科學(xué)和實踐意義。本文即在此背景下，歸納和總結(jié)國外極地航空對地觀測項目及其應(yīng)用，分析我國極地航空對地觀測的現(xiàn)狀和差距，嘗試給出我國極地航空遙感應(yīng)用方向，以期更有效地開展我國極地的“地-空-天”立體觀測，更好地認知和利用極地資源，為人類共同利益服務(wù)。

1 國外極地航空對地觀測概述

西北領(lǐng)地和北極群島航空考察計劃，便在加拿大皇家空軍的后勤支持下，對北極和亞北極大量難以到達的區(qū)域進行了大規(guī)模的地面大地測量和生態(tài)學(xué)考察，而該次考察的總結(jié)報告也是科學(xué)引文索引數(shù)據(jù)庫（web of science）收錄的第1 篇關(guān)于極地航空考察的文獻資料[4]。1946 年，美國首次對南極進行了機載雷達測高實驗[5]。1955 年至1957 年，英國首次對?？颂m群島（馬爾維納斯群島）、南設(shè)得蘭群島和南極半島北部進行了詳盡的航空攝影測量實驗，并在部分區(qū)域進行了航空重力和地磁測量。該次考察被認為是現(xiàn)代南極航空考察的開端，從此，南極考察更加注重科學(xué)性，而非探險性[6]。此外，蘇聯(lián)也在1956 年基于固定翼飛機對南極進行了首次航空物探調(diào)查[7]。20 世紀(jì)80 年代之后，南北極航空考察開始加速?？紤]到遙感數(shù)據(jù)的時效性和航空測量技術(shù)的迭代，本文著重介紹2000 年之后的國外極地航空對地觀測計劃。全球范圍內(nèi)迄今為止持續(xù)時間最長、覆蓋范圍最廣、載荷種類最多的極地航空考察計劃是美國國家航空航天局（national aeronautics and space admini-stration,NASA）主導(dǎo)的“冰橋”計劃（operation icebridge,OIB）。其最初目的是為了填補冰、云和陸地高程衛(wèi)星（ice,cloud and land elevation satellite,ICESat）結(jié)束任務(wù)后極地海冰、冰蓋高程測量數(shù)據(jù)的空白，并為新一代ICESat-2 衛(wèi)星的發(fā)射進行預(yù)研和算法評估[8]。2009 年至2019 年的11 年間，“冰橋”計劃使用P-3B、LC-130、DC-8 和Ikhana 等多種適應(yīng)極地考察的飛機和無人機平臺，集成光學(xué)相機、雷達、激光雷達和航空重力儀等多類別多型號傳感器，觀測了南極、格陵蘭冰蓋和南北極海冰區(qū)域等眾多氣候和戰(zhàn)略敏感區(qū)，獲取了大量連續(xù)且高質(zhì)量的科學(xué)數(shù)據(jù)，支撐了一系列南北極海冰變化、冰蓋消融和傳感器檢校的研究[9-10]，取得了遠超原定計劃的成果?！氨鶚颉庇媱澦捎玫膫鞲衅骷捌鋺?yīng)用如表1[11]所示，其數(shù)據(jù)采集區(qū)域如下頁圖1 所示，這些數(shù)據(jù)可由https://nsidc.org/icebridge/portal 網(wǎng)站下載。

圖1 美國“冰橋”計劃歷年南北極數(shù)據(jù)采集路線

表1 OIB 計劃采用的主要傳感器

續(xù)表1

國外極地航空遙感項目不僅可為我國學(xué)者研究正在經(jīng)歷快速變化的北極和南極地區(qū)提供海量的科學(xué)資料，也為我國建設(shè)自主的極地航空遙感對地觀測體系提供了借鑒。

國外的極地航空遙感實驗起步較早，早期的極地考察一般將飛機作為運輸工具而非載荷平臺。例如1946 年至1948 年進行的加拿大北昂加瓦、除美國外，歐洲國家也開展了一系列南北極航空考察計劃（CryoVEx、SMOSIce、IceSAR 等），取得了寶貴的實測資料和戰(zhàn)略信息，如下頁表2所示。例如：由歐空局（European space agency,ESA）和NASA 合作推進的激光和雷達測高項目（the airborne laser,radar altimeter,LaRA）首次同時 獲取了冰雪表面的激光和微波測高數(shù)據(jù)集，為后續(xù)的冰蓋和海冰厚度變化監(jiān)測指明了方向。目前由歐洲主導(dǎo)的最綜合的極地航空測量計劃是 CryoVEx 計劃（CryoSat validation experiment），是指歐 空局為了對CryoSat 和CryoSat-2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可靠性進行驗證所進行的一系列航空觀測實驗。最早的一次CryoVEx 觀測實驗于2003 年春季在斯瓦爾巴群島北部海域進行（CryoVEx 2003）[12]，該計劃每 1～ 2 年重復(fù)執(zhí)行1 次。例如：北極地區(qū)的CryoVEx 2008、CryoVEx ASRIAS、CryoVEx AEM 和CryoVEx ICESat-2 Summer 2019 計劃，以及南極地區(qū)的CryoVEx Ant 和CryoVEx Ant 2008/2009 計劃等，取得了大量雷達、激光和GNSS 測高數(shù)據(jù)，支撐了一系列研究成果[13-14]。

表2 歐洲主導(dǎo)或美歐合作主要極地航空遙感計劃及其應(yīng)用

除了通過測高手段間接獲取海冰厚度之外，德國阿爾弗雷德·魏格納極地和海洋研究所（Alfred-Wegener-Institute for polar and marine research,AWI）也開發(fā)了一種便攜式的頻率域電磁感應(yīng)系統(tǒng)（helicopter-borne electromagnetic induction system,EM-Bird），其可以掛載于直升機等航空平臺之上，直接準(zhǔn)確地測量海冰厚度[15]。由于其較低的成本和較高的測量精度（特別是在平整冰上），EM-bird 被廣泛應(yīng)用于南北極海冰考察之中，其獲取的海冰厚度數(shù)據(jù)不僅應(yīng)用于海冰變化監(jiān)測，也可以作為實測基準(zhǔn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和驗證基于衛(wèi)星遙感和模型的海冰厚度產(chǎn)品[16-17]。此外，歐洲相關(guān)科研機構(gòu)還和美國合作，開展了ICECAP（international collaborative exploration of the cryosphere by airborne profiling）等一系列極地航空考察計劃。上述歐空局主導(dǎo)的極地航空考察數(shù)據(jù)可從https://earth.esa.int/eogateway/campaigns 網(wǎng)站查詢。除了專門的極地航空考察計劃之外，各國的常規(guī)南北極考察和諸如SHEBA（The surface heat budget of the Arctic ocean）[18]、N-ICE 2015（Norwegian young sea ICE expedition）[19]和MOSAiC（multidisciplinary drifting observatory for the study of Arctic climate）[20]等大規(guī)模南北極多學(xué)科綜合考察也會獲取大量機載對地觀測數(shù)據(jù)。以MOSAiC 計劃為例，該計劃涵蓋了大氣、海冰、海洋、生態(tài)和生物地球化學(xué)循環(huán)等眾多學(xué)科，是迄今學(xué)科最齊全、支撐能力最強的北極科考計劃。MOSAiC 漂流冰站主要依托德國的極星號破冰船，但直升機和無人機觀測系統(tǒng)在考察中也扮演著重要角色，其觀測的海冰參數(shù)包括冰面形態(tài)、溫度、氣溶膠濃度、空間和垂直輻射通量以及空間近地表湍流能量通量等，為海冰物質(zhì)平衡及其與上層海洋耦合機制的研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)源。

2 我國極地航空對地觀測現(xiàn)狀

我國在極地航空領(lǐng)域的研究起步較晚。由于缺少相應(yīng)的飛行平臺支持，國內(nèi)早期的研究主要基于我國船載直升機平臺和國外公開的航空數(shù)據(jù)集。這些研究可以分為以下幾類：一是利用我國常規(guī)南北極考察所獲取的基于直升機或無人機的高分辨率可見光影像，對海冰特征進行研究。我國首次北極考察便基于直-9 型直升機進行了航空觀測。利用高分辨率的數(shù)字相機影像，趙進平等[21]提取了夏季破碎海冰的形態(tài)參數(shù)，如海冰密集度、海冰邊緣線、冰水比例以及破碎度等。此后，高分辨率的航空和無人機影像被廣泛應(yīng)用于北極海冰密集度反演、冰面粗糙度提取和融池監(jiān)測等研究[22-26]。我國南極的航空考察主要集中于中山站周邊的普利茲灣等區(qū)域。基于航拍數(shù)據(jù)，盧鵬等[27-28]對南極普里茲灣夏季海冰邊緣區(qū)海冰特征進行了詳細研究，并將邊緣區(qū)進一步細分為邊界區(qū)、過渡區(qū)和內(nèi)部區(qū)三部分。二是利用國外公開的雷達或激光測高數(shù)據(jù)，對南北極海冰和積雪厚度、干舷、冰脊和冰蓋地形進行研究[29-33]。三是將航空數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)，對基于星載傳感器反演的冰雪參數(shù)進行對比和驗證[34-36]。此外，我國研究人員還利用高分辨率航空和無人機影像，對南極企鵝等標(biāo)志性物種進行了精準(zhǔn)識別，并研究了較長時序的企鵝種群數(shù)量分布和發(fā)展趨勢，為氣候變化背景下南極生態(tài)環(huán)境保護提供了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐[37-38]。

隨著我國極地事業(yè)的發(fā)展和對極地權(quán)益的戰(zhàn)略需求，應(yīng)用航空平臺獲取極地重要環(huán)境與資源信息的緊迫性越來越強。我國極地航空遙感事業(yè)正在快速發(fā)展，現(xiàn)階段已經(jīng)裝配了“雪鷹601”固定翼飛機,“雪鷹12”、“海豚”直升機以及“雪燕”、“大白鯊”、“極鷹”等無人機（下頁圖2），并擁有站區(qū)機場和雪龍船起飛平臺，已初步開展了對北極航道、黃河站山地冰川、南極長城站生態(tài)環(huán)境、南極PANDA 斷面冰表和冰下地形等的觀測。這些航空觀測平臺的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

圖2 我國現(xiàn)有極地航空遙感平臺

表3 我國極地考察固定翼飛機、直升機及無人機平臺載荷參數(shù)

2015 年裝配的“雪鷹601”是我國首架極地考察固定翼飛機，也是目前我國南極航空對地觀測所依賴的主要平臺。“雪鷹601”集成了冰雷達、重力儀、磁力儀、激光高度計和光學(xué)相機等傳感器，并裝配了GNSS 系統(tǒng)等輔助設(shè)備，其服役標(biāo)志著中國極地航空考察邁入了“航空時代”[39]。2015 年以來，“雪鷹601”參與了AGAP（the Antarctic Gamburtsev province project）和ICECAP 等綜合性國際合作項目，在南極冰蓋，特別是PANDA（Prydz bay,Amery ice shelf and dome A）斷面及伊麗莎白公主地（princess Elizabeth land,PEL）進行了大范圍航空科學(xué)調(diào)查，取得了重大的研究成果[40]。

在2019 年底的中國第36 次南極科考期間，針對載荷設(shè)備國產(chǎn)化，崔祥斌等[41]實現(xiàn)了國產(chǎn)捷聯(lián)式航空重力儀與南極考察固定翼飛機“雪鷹601”的系統(tǒng)集成，并通過地面、機上靜態(tài)和飛行測試充分驗證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，共完成了9 個架次的航空重力觀測，總測線長度近1.5 萬km，填補了大量數(shù)據(jù)空白（參見下頁圖3）。該次考察所獲取數(shù)據(jù)將參與下一代國際南極航空重力數(shù)據(jù)集構(gòu)建，有力地提升我國南極考察中的國際影響力。

圖3 基于國產(chǎn)航空重力儀量測的伊麗莎白公主地重力異常示意圖

無人機平臺也大量應(yīng)用于我國極地考察工作。相比于傳統(tǒng)航空測量手段，無人機平臺操作簡便、部署靈活，可以彌補“雪鷹601”飛機因承擔(dān)后勤運輸工作而導(dǎo)致的機時不足問題。北京航天航空大學(xué)、北京師范大學(xué)和黑龍江測繪地理信息局等機構(gòu)針對南北極特殊的氣象與地磁等環(huán)境，基于無人機平臺進行了一系列研究工作[42]。例如：針對極地特殊的氣象和地磁環(huán)境，中國極地研究中心和北京航空航天大學(xué)聯(lián)合研制了“賊鷗”和“大白鯊”這2 種固定翼機型，為“雪龍”號海冰卸貨提供了保 障；黑龍江測繪地理信息局則針對南極特殊的地理和氣象環(huán)境，基于直升機平臺，繪制出符合規(guī)范要求的南極1∶1 000 至1∶5 000 系列比例尺地形圖，并在長城站等區(qū)域周邊開展傾斜攝影測量，制作了長城站實景三維地圖。

3 我國極地航空對地觀測與應(yīng)用展望

目前，我國極地航空觀測技術(shù)已經(jīng)取得了重大突破，但距離國外先進水平依然有著較大差距。在觀測體系方面，國外極地研究機構(gòu)已經(jīng)形成了完備的航空測量體系，而我國專門用于極地航空觀測的計劃和任務(wù)較少，沒有類似于美國“冰橋”計劃的業(yè)務(wù)化運行維護的大型綜合極地考察任務(wù)計劃。在觀測平臺和設(shè)備方面，各類國產(chǎn)測量裝備尚未大規(guī)模應(yīng)用于南北極，并且對現(xiàn)有設(shè)備和飛行平臺的改裝與集成技術(shù)仍不成熟。

下頁圖4[40]為我國“雪鷹601”考察飛機和美國NASA“冰橋”計劃使用的P-3B 運輸機集成載荷對比圖?？梢钥闯?，我國“雪鷹601”的集成載荷較少，尚不能滿足對極地環(huán)境多要素、全方位的綜合立體觀測。此外,“雪鷹601”所集成的機載傳感器以進口儀器為主，自主研發(fā)的高分機載傳感器在極地的應(yīng)用空缺，低溫環(huán)境下的指標(biāo)性能未得到檢驗，缺乏相對應(yīng)的冰雪環(huán)境應(yīng)用分析研究。在數(shù)據(jù)發(fā)布和使用方面，我國極地考察數(shù)據(jù)發(fā)布平臺缺失，所獲取的數(shù)據(jù)尚未被廣泛、綜合利用。隨著全球氣候變化，北極航道開通，針對南北極航路保障等現(xiàn)實需求，極地航空測量大有可為。綜合國內(nèi)外極地航空遙感發(fā)展現(xiàn)狀，從國家長遠戰(zhàn)略角度出發(fā)，我國極地航空遙感的應(yīng)用展望可以歸納為以下幾點：

圖4 NASA“冰橋”所使用P3 運輸機和“雪鷹601”考察飛機集成載荷對比

（1）面向測量設(shè)備國產(chǎn)化的需求，在現(xiàn)有遙感平臺和傳感器的基礎(chǔ)上，增配自主研制的傳感器，在極地開展極端環(huán)境下高分辨率航空遙感觀測關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用示范研究，系統(tǒng)研究國產(chǎn)設(shè)備在極端條件下的穩(wěn)定性以及國產(chǎn)設(shè)備和國際先進設(shè)備測量成果的一致性，并開發(fā)自主可控的數(shù)據(jù)處理和分析平臺，逐步形成獨立自主的極地航空遙感觀測體系；

（2）面向“空-天-地”多源觀測數(shù)據(jù)融合的需求，充分利用航空遙感尺度和精度的優(yōu)勢，吸取“冰橋”計劃的先進經(jīng)驗，開展大氣環(huán)境、海冰、近海地形等觀測，形成圍繞“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，“風(fēng)云”、“海洋”、“高分”系列對地觀測衛(wèi)星，“雪鷹601”等機載平臺，“雪龍”和“雪龍2”號船基考察平臺，以及我國現(xiàn)有南北極考察站的“天-空-?！焙汀疤?空-地”立體觀測體系，實現(xiàn)快速準(zhǔn)確獲取冰蓋地形、站區(qū)地物、航道海冰和岸線資源等重要的極地資源與環(huán)境參數(shù)信息；

（3）面向極地考察智能化的需求，充分發(fā)揮人工智能和機器學(xué)習(xí)在極地考察的優(yōu)勢，設(shè)計自主化、智能化的極地考察設(shè)備，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，探索基于航空遙感的極地關(guān)鍵參數(shù)快速反演、分析和預(yù)測算法，建立起極地智能化數(shù)據(jù)獲取分析和應(yīng)用平臺；

（4）面向“一帶一路”和“冰上絲綢之路”建設(shè)的需求，基于北極航道航行保障的要求，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，利用直升機平臺、無人機平臺開展北極航道的冰情觀測，結(jié)合氣象、水文、港口和沿岸國家法律信息，構(gòu)建北極航道通航安全保障系統(tǒng)，同時展開艦船目標(biāo)的遙感識別研究；

（5）面向考察站站區(qū)安全和后勤保障的需求，利用“雪鷹601”固定翼飛機開展PANDA 斷面綜合考察和變化監(jiān)測，保障我國南極內(nèi)陸考察的安全開展，同時應(yīng)用無人機觀測平臺開展高精度數(shù)字高程模型（digital elevation model,DEM) 和站區(qū)生態(tài)環(huán)境信息的獲?。?/p>

（6）面向極地氣候變化監(jiān)測的需求，在南極內(nèi)陸冰蓋區(qū)域，可利用固定翼飛機平臺開展冰雷達、重力等觀測，獲取冰蓋表面流速、冰層層析等信息，為冰蓋物質(zhì)平衡研究和資源調(diào)查服務(wù)，在北極黃河站區(qū)域，可通過無人機平臺開展冰川監(jiān)測、站區(qū)地形、大氣環(huán)境等觀測，獲取北極高緯第一手冰雪和大氣環(huán)境資料，支撐我國氣候科學(xué)發(fā)展；

（7）面向研究成果國際化的需求，積極參與國際合作項目，通過國際合作加快我國極地科學(xué)考察的步伐，提高我國在極地領(lǐng)域的話語權(quán)，為極地科學(xué)考察貢獻中國力量，驅(qū)使我國從極地考察大國邁向極地強國。

4 結(jié)語

在美歐極地航空遙感不斷發(fā)展的背景下，加速提升我國極地航空遙感對地觀測能力的要求越來越緊迫。開展極地航空對地觀測，可獲取北極航道通航環(huán)境信息、考察站區(qū)高精度地形、考察區(qū)域避險交通路線、極區(qū)大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和海洋資源等重要信息，維護我國的極地國家權(quán)益，不斷滿足我國經(jīng)濟、軍事和科學(xué)需求。近些年，我國極地航空事業(yè)發(fā)展迅速，但依舊面臨著設(shè)備國產(chǎn)化程度不足、平臺集成能力有限等問題，仍有較大的提升空間。未來應(yīng)加速自主航空傳感器的研制，并在極區(qū)進行觀測示范，檢定國產(chǎn)傳感器在極地特殊冰雪環(huán)境下的工作成效，促進我國極地高分航空遙感對地觀測技術(shù)的發(fā)展，為更好地認識與和平利用極地作出貢獻。