无人机在地球物理探测中的应用

于显利，刘顺安，刘佳琳

(1.吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林 长春 130026；2.吉林大学机械科学与工程学院，吉林 长春 130022)

无人机是一种不载人的、可重复使用和具有自主飞行能力的飞行器，具有遥控和自主飞行两种飞行模式[1]。无人机一般由机体骨架、动力系统、传感器系统、任务载荷系统、飞行控制系统、数据链和执行机构等构成。根据无人机搭载任务载荷尺寸和重量的不同，可以分为微型、小型、中型、大型、超大型无人机。无人机具有的优点包括体积小、重量轻、可以在复杂地形起飞(发射)和着陆(回收)；可以搭载多种任务载荷在空中长时间飞行，可以执行繁琐的、重复性很高的飞行任务；可以在非常危险的环境下飞行；最重要的是不会造成人员的损失。正是由于无人机具有的这些优点，所以目前无人机广泛应用于自然灾害预防与处理[2-3]、农业资源监测[4-5]、林业资源监测[6]、科学观测[7-8]、公安边防、海事、石油、电力等领域。文献[5]使用小型无人机直升机对农田生长情况进行观测；文献[7]使用四旋翼无人机对山体滑坡现场进行科学观测；文献[8] 利用小型固定翼无人机对移动冰川进行监测。然而，这些应用大多是地表层面的无人机遥感应用，无人机对地壳及其地球深部物理探测方面的应用，从国内外文献来看，介绍的不多。

随着经济持续快速发展，我国现有资源已经很难满足经济建设发展的需求，所以迫切需要寻找新的矿产资源。然而，我国地域辽阔，地质条件复杂，很多有用的矿产资源大多分布在人迹罕至的山区、峡谷等区域。由于山区地形复杂，交通不便甚至没有交通，导致地面物探工作往往很难开展。缺少飞行平台是目前我国进行复杂地形条件下物探数据获取的主要瓶颈之一，而无人机技术的众多特点，正好可以满足这些需求。近年来，国际航空物探飞行平台已有从传统的有人机向无人机发展的趋势。同时，航空物探测量设备的性能是否达到工作要求，也是限制无人机应用于地球物理探测的一个重要因素。如果探测设备的性能参数达标，那么无人机在地球物理探测上的应用，将具有非常广阔的应用前景。

1 无人机在地球物理探测中的应用现状

在地球物理探测中，无人机作为一种适用于复杂地形条件下,高效率、高精度采集空间位场数据的重要手段，用来揭示地下位场场源分布规律。无人机通过搭载不同的任务载荷(磁力仪、重力仪、重力梯度仪、放射性探测仪、电磁线圈等)，可以实现无人机航磁、航重、航放、航空电磁的地球物理探测应用。目前，无人机地球物理探测技术属于国际前沿技术和研究热点，只有美国、英国、以色列、加拿大、德国、法国等少数发达国家掌握其核心技术。

1.1 国外主要应用

国外已经将无人机技术广泛地应用到地球物理探测中的各个领域，并取得了良好效果，很大程度上提高了科学研究质量。这些对中国的相关技术应用，具有很好的借鉴作用。

英国的Magsurvey Limited公司提供无人机对地球磁场的探测服务。文献[9]介绍了使用小型固定翼无人机搭载磁力仪对油气和矿产资源进行探测。指出使用小型固定翼无人机作为移动平台的原因：①任务载荷-铯光泵磁力仪精度高、质量轻(小于1kg)，小型无人机完全可以承载；②小型无人机可以近地飞行(飞行高度小于20m)，可以获得更高精度的探测数据；③无人机搭载先进的GPS/惯导系统、高度计以及控制精确的飞行控制系统，可以保证无人机按照规划飞行路线精确飞行；④探测一般在夜间黑暗环境下进行，降低太阳活动和环境噪声对探测的干扰；⑤小型无人机相比载人飞机,在机体材料上会采用数量更少、质量更轻的非金属复合材料，这样机体产生的电磁和重力场对探测仪器的影响更小。

2004年，加拿大Fugro公司投资研发用于资源探测的无人机航磁系统GeoRanger，用于沿海和偏远地区的石油和矿产勘查。该无人机系统，近期已进入试飞阶段。该无人机翼展3m，机身重量15kg，在巡航速度100km/h下，续航时间可以超过15h。该无人机搭载铯蒸汽磁力仪和飞行补偿装置，该装置用来降低机身运动对探测数据的干扰[10]。

1.2 国内主要应用

在国内，无人机在地球物理探测方面的应用起步较晚，仍处于研发阶段，与国际水平相比差距很大。随着国家对能源战略的重视，做好自有能源的勘查和能源储备被提上议事日程。所以,我国正在不断加大力度支持无人机技术在资源探测方面的应用，并取得了较大的进展。2010年，中南大学何继善院士主持完成了小型无人直升机探矿技术，为我国补偿铁矿石来源提供技术支持[11]。该无人机搭载质子旋进磁力仪，可以对地面下的铁矿有很好的探测效果。由于小型无人直升机非常适合在复杂的山区地形飞行，同时具有探测速度快、探测效率高、无人员伤亡的特点，所以非常适合山区探矿。2011年，国家地球深部探测专项Sinoprobe-09-03固定翼无人机航磁探测系统研制子项目,对搭载航空磁力仪的固定翼无人机进行了试飞，取得了良好的试验数据。该项目致力于高低空固定翼无人机航磁探测系统的开发，重点攻关核心传感器、固定翼低磁无人机、磁干扰补偿、系统集成等关键技术[12]。该项目正处于研发和攻关阶段，相信不久就可以推出我国首个固定翼低磁无人机航磁探测系统，为我国深部科学探测和矿产资源勘探提供一种安全高效的探测工具。

2 无人机在地球物理探测中的应用方法

无人机按照机体产生升力方式,可分为固定翼无人机、旋翼无人机和无人飞艇。这三种无人机各有其优缺点:①固定翼无人机,具有飞行速度快、飞行稳定性好的优点，所以它一般适用于平坦区域的地球资源勘探；由于固定翼无人机存在失速问题，所以它的最小飞行速度一般都挺大，不适于要求以很低速度进行飞行的探测需要。②旋翼无人机，主要指无人直升机，它可以以很慢的速度飞行，甚至可以在空中悬停，所以旋翼无人机一般适用于地形比较复杂、要求飞行速度慢、跟随地形飞行的场合；缺点是续航时间较短，机身振动较大，对探测仪器的抗震性能要求较高。③无人飞艇利用自身的浮力，需要很小的动力输出就可以在空中悬停和飞行，在环境风速较低的情况下，可以非常平稳地飞行;由于耗能少，所以无人飞艇的续航时间一般很长；适用于探测时间长和飞行速度慢的地球物理探测情况；缺点是体积大，受环境气流影响较大，抗风能力较差；由于自身惯性大，受控后的反应时间较长。

在实际勘探过程中，根据勘探环境和技术指标不同，选择合适的无人机平台来完成任务，可以较好地保证勘探任务的完成质量，提高探测效率。

3 无人机应用于地球物理探测存在的问题

3.1 无人机本身

无人机本身就是一个非常复杂的系统，集材料、飞行控制系统、数据链、动力系统等于一身，任何一部分出现问题,都会影响无人机在地球物理探测中的应用。如何提高无人机的续航时间、飞行控制和任务管理智能化、任务载荷重量、恶劣环境飞行适应性,是无人机能否广泛应用于地球物理探测的一个重要因素。

3.2 地球探测设备

无人机只是一个空中移动平台，而其搭载的地球物理探测设备,才是进行地球物理探测的核心工具。只有地球物理探测设备的性能指标都过关，我们才有可能获得地球物理场的真实数据。然而,在物探设备的研发上,我国和国外先进水平还存在不小的差距，所以地球物理探测设备的研发任重道远。

3.3 耦合因素

地球物理探测设备的性能参数都满足探测需要后，还有一个问题很重要，探测设备能否在无人机飞行环境下稳定地工作。即无人机平台本身的电气系统、动力系统、飞行中机体与空气摩擦产生的静电场、空中湍流产生的机身振动等，这些因素都会对探测设备产生不利影响。虽然机载稳定平台可以有效地降低机身振动对探测设备的影响，但是如何降低或消除机体施加的静电场、电磁场以及重力场干扰是一个需要解决的问题。

4 结束语

本文介绍了国内外无人机在地球物理探测上的应用现状，给出了固定翼无人机、旋翼无人机和无人飞艇在资源勘探应用上的特点；介绍了无人机应用于地球物理探测存在的主要问题。总的来说，无人机是一种高效的探测移动平台，具有有人机无法比拟的低功耗、灵活、低风险特性，是有人航空物探的理想替代工具。随着我国经济建设持续增长，对各种矿产、石油、天然气资源的迫切需求，相信无人机地球物理探测技术在我国资源勘探上具有广阔的应用前景。

[1]Paul G.Fahlstrom,Thomas J.Gleason.无人机系统导论[M].2版.北京：电子工业出版社，2003.

[2]韩文权,任幼蓉,赵少华.无人机遥感在应对地质灾害中的主要应用[J].地理空间信息，2011,9(5):6-8.

[3]臧克,孙永华,李京,等.微型无人机遥感系统在汶川地震中的应用[J].自然灾害学报，2010,19(3):162-166.

[4]P.J.Zarco-Tejada,V.González-Dugo,J.A.J.Berni.Fluorescence temperature and narrow-band indices acquired from a UAV platform for water stress detection using a micro-hyperspectral imager and a thermal camera[J].Remote Sensing of Environment,2012,117:322-337.

[5]Haitao Xiang,Lei Tian .Development of a low-cost agricultural remote sensing system based on an autonomous unmanned aerial vehicle (UAV)[J].Biosystems engineering,2011,108:174-190.

[6]张园,陶萍,梁世祥,等.无人机遥感在森林资源调查中的应用[J].西南林业大学学报，2011,31(3):49-53.

[7]U.Niethammer,M.R.James,S.Rothmund,et al .UAV-based remote sensing of the Super-Sauze landslide:Evaluation and results[J].Engineering Geology,2012,128:2-11.

[8]P.R.McGill,K.R.Reisenbichler,S.A.Etchemendy,et al.Aerial surveys and tagging of free-drifting icebergs using an unmanned aerial vehicle (UAV)[J].Deep-Sea Research Ⅱ,2011,58:1318-1326.

[9]Dr Joseph A.The use of Unmanned Aircraft in Oil,Gas and Mineral E+P activities[R].2008 SEG Annual Meeting,2008.

[10]The Northern Mine.Airborne Geophysical Surveying[R].Supplement to The Northern Miner,2006.

[11]武海亮,岳霞.无人小飞机将赴秘鲁寻矿 何继善院士主持完成[DB/OL].http:∥hunan.voc.com.cn/article/201001/201001271547345207.html,2010-01-27.

[12]董树文,李廷栋,SinoProbe团队.深部探测技术与实验研究(SinoProbe)[J].地球学报,2011,23(增刊1):3-23.