在南極用無人機做傾斜攝影是怎樣一種體驗？

馮洋，男，38歲，黑龍江測繪地理信息局高級工程師，南極科考隊員，從事無人機飛行工作3年。在剛剛結束的第33次南極科學考察活動中，他操作無人機在中山站所在的東南極拉斯曼丘陵協和半島區域飛行近2個月，先後經歷地磁干擾、陣風湍流、白化天、交通阻塞、空域干擾等諸多險情，圓滿完成既定任務。

馮洋在操作無人機飛行中/圖 來源網路

2016年11月2日，科考隊從上海出發開啟第33次南極科考之旅，經過澳大利亞的弗里曼特爾港口，29日到達中山站。馮洋的工作任務是使用無人機進行傾斜攝影，獲取中山站所在的協和半島區域地表影像數據，回國後生產製作數字全景地圖。

出發

馮洋和他用來完成任務的無人機傾斜攝影裝備/圖 來源網路

這次任務，馮洋攜帶的飛機是大疆S800和M600，合作夥伴廣州紅鵬公司對其做了特殊改裝，包括更換機臂、電機、電調，以及更換大尺寸的槳等，並在防寒、防潮等方面採取了強化保護措施，在低溫、潮濕環境下進行了長時間測試，還妥善解決了一直困擾馮洋他們的地磁干擾的問題，再加上由「1個垂直+4個傾斜」五部相機集成於一體的傾斜影像拍攝雲台，組成一套多旋翼無人機傾斜攝影系統。馮洋帶了近10組電池，並準備了多餘的螺旋槳、螺絲、玻璃膠、扎帶等。唯一遺憾的是在運輸時個別電池出現了質量問題，直接導致了每天飛行架次的減少。

中山站位於東南極大陸拉斯曼丘陵協和半島，站區距離冰蓋邊緣約5公里。同樣在拉斯曼丘陵建立科考站的還有俄羅斯和印度。科考期處於南極的夏季，溫度在-5-5℃之間，最冷的時候達到-10℃，白色和棕色。拉斯曼丘陵以幾千年萬年風蝕出來的丘陵地貌為主，地表只有兩種顏色，低洼處伴有積雪或湖泊，遠處就是積雪、冰蓋海面和冰山，地勢高差近百米，局部地勢起伏較大。半島上僅有的一條路是多年行車走出來的，也只是多年來人工將大的石塊搬走，相對平坦而已，但有的地方几乎能夠達到30度的仰角，行車困難。

在南極外出作業，有著嚴格的安全規定。外出飛行時，按照規定不能少於兩個人。在出發進入項目區之前，他們要和站長、站區報房值班人員登記報告，並通過對講機或衛星電話保持通信。機械師將他和隊友及設備送到到達項目區后返回，在預定的時間再去接他們。隊友和馮洋一同搬運設備，在飛行時他還要站在高處進行瞭望。

飛行前制定計劃時，馮洋和隊友會先把一個大的項目分成N個小塊，在飛行時操作飛機S形飛行。每次起飛前，都需要從場地、氣象、空域、設備4各方面進行準備：

馮洋在操作無人機飛行中/圖 來源網路

飛行準備-場地

首先，要在飛行前對起降場地進行踏勘，並實地查看周圍的裸岩、積雪、冰面、水面的位置和情況。為了節省時間，他們往往選擇大風等不利於飛行的天氣里步行勘測，因為站區的車輛也不多，需要首先保障更需要車輛的隊員使用。

馮洋選擇起降場地都是在「路」的周邊區域，選擇平坦的地方作為其將場地。飛行區域必須跟著場地走，還要盡量在一個起降點飛行多個架次，覆蓋更多的區域。為了節約電池電量，使飛機減少往返的路途，有的起降點會選擇在距離道路比較遠，而且在車輛無法到達的地方，這時就需要人力將所需設備搬運到指定區域后再飛行。設備很重，尤其是電池，兩個人抬著兩個大箱子在布滿鋒利岩石的地方行走很困難。

飛行準備-氣象

無人機飛行對天氣要求較高，馮洋他們會選擇在天氣晴朗、風力較小的天氣執行飛行任務，考慮到積雪融化等因素對地表環境變化的影響，他們會在較短的時間內連續多天工作，以保持地表影像的連續性。

但中山站附近區域的天氣變化較快，由於受冰蓋下降風的影響，一般是上午風力較大，午間風力開始減小，下午至晚間基本沒有風。白天氣溫有時候會下降到0℃以下，最後一天飛的時候日間最高氣溫已經是-10℃。所以在天氣預報是晴好的天氣時，馮洋他們都是上午就準備好設備處於待命狀態，一旦發現風力降低到3-4級就出發，到達飛行區域后基本可以直接飛行了。但在接近冰蓋邊緣的山谷區域飛行時則需要進一步判斷，因為山谷的影響，地面風力比平地要小得多，這就造成了風速很小的假象，但在山頂上空會形成氣流的湍流，瞬時風力是很大的。

馮洋記得，最後一天飛行作業的區域靠近丘陵地帶和冰蓋的銜接處，但部分航線已經進入冰蓋區域(冰蓋上有很多冰裂隙，千萬不能亂走)。飛行前地面風力1-2級，初步判斷120-150米空中風力3-4級，不會超過5級，問題不大。但在飛行途中，突然看到飛行軌跡嚴重偏離預設航線，在預設航線的一側呈不規則的波浪形變化，並伴有回歸設定航線的趨勢，馮洋聽聲音，發現電機雜訊偏大，有抖動，但目視姿態還可以，飛機的各個螺旋槳都在旋轉，機身沒有自旋，他初步判斷是側面強風的影響，所以決定等飛機自穩調整。果然，在繼續飛行大約300米后恢復正常。雖然前後只有幾分鐘時間，但馮洋的感覺很漫長，他已經是一身冷汗。

南極還有一種白化天氣，它是由於太陽光在地面冰雪面和空氣中的冰晶中反覆反射，形成的白蒙蒙的現象，這種天氣一般來得很快，而且會持續一段時間。但往往白化天時也會出現大風+地吹雪的情況，地面的車轍、腳印也很快會被淹沒，分不出天地，人也會失去方向感。馮洋回憶，一旦遇到這種天氣，他會和隊友立即整理設備返回站區，實在來不及就會到車輛、避難所、附近的建築裡面躲避，並呼叫站區報告位置，那樣的話只能等待救援了。

和隊友在水邊/圖 來源網路

飛行準備-空域

在南極中山站區域沒有空中管理部門或機構，附近有俄羅斯進步站、印度巴拉提站，他們經常有直升機在執行運輸任務，100公裡外的澳大利亞戴維斯站也經常有直升機到這三個站「串門」。直升機目標大，在空中很遠就能看見，而且還有雷達等設備，能夠很容易發現並採取避讓措施，三方彼此之間並沒有空域通報機制，也都不太重視空域使用通報。

無人機目標小，且沒有自動應答設備，而且飛行高度一般在100-300米之間，和直升機飛行高度重疊，當直升機飛行員發現時已經是很近的距離了。而由於地形限制，無人機操作人員視野受限，即使聽見直升機轟鳴聲，也無法判斷直升機飛行方向，往往會採取切斷航線飛行，緊急降落等措施。即使如此，如果是空域重疊的話，也是來不及避讓的，這對無人機設備和直升機都是一個巨大的安全隱患。

馮洋記得，有一天正常飛行時，發現印度的小飛機「小松鼠」貼著山邊就過來了，飛機飛在100多米高度，馮洋和隊友之前聽到了聲音，就開始準備降落無人機，但等發現時已經距離它比較近了，還好這個「小松鼠」並沒有在無人機準備降落的路線上，虛驚一場。

基於上述原因，馮洋在飛行前會提前幾天發送電子郵件通知對方飛行空域、時間、高度、區域四點坐標、配圖等信息，註明是無人機飛行，然後通知站區報房，在此時間段內通過報房保持三方通道通常。在飛行時還會派人在飛行區域周邊的山頂上人工瞭望，一旦發現直升機就用對講機呼叫自己的操作人員，採取相應的安全措施。

飛行準備-設備調試

在南極飛行，前面提到的場地、氣象和空域是最重要的，最末才是設備的準備。

在南極的低溫環境下，對無人機的維護時間也需要加長。比如在國內電池是放在箱子里，帶到現場就可以，但是在南極得放在車上，車上保暖條件好一點。飛機的保暖措施還是比較好的，但地面站軟體使用的PAD監控器是金屬后殼，掉電特別快，他在用的時候是偶爾拿出來查看一下參數，平時放在懷裡，同時還怕放在懷裡把它停止或者誤操作，所以要非常注意。對於數據則是用兩個硬碟雙備份。

不同的無人機飛控對GPS、磁羅盤、陀螺儀數據的解算是不同的。有的飛控在解算GPS、磁羅盤、陀螺儀數據后得出的方向、角度、姿態等數據與現實不符，即使無人機通過自檢，也會經常出現指南針錯誤等提示，嚴重的是起飛後向一個方向自行加速漂移飛行，控制十分困難，類似於在使用「手動模式」飛行，炸雞也就在所難免，這是有先例的。

馮洋說，目前比較好的解決方式有兩個，一是：在無人機設備飛行作業前先升級飛控、地面站等設備程序到最新，並進行試飛測試，確保正常工作。目前看小精靈4、Mavic Pro表現的都正常。二是使用帶有地面差分基站的無人機設備，例如大疆經緯M600。

中山站所在的協和半島距離南磁極大約2700公里，這裡地磁偏角較大，磁場角度、磁場強度等都與國內存在較大差異。在國內飛大疆的飛機前進行地磁檢校一般不會超過30秒，但是在南極大約需要3-5分鐘，花費的時間非常長。

馮洋拍攝的南極景色/圖 來源網路

南極生活

在國內出發前，對飛行中遇到的各種情況都會形成預案，例如無人機發生堵轉后姿態不穩降落時，馮洋會首先選擇積雪深的地方，這樣能夠最大程度保護設備；如果不滿足也會選擇在沙地，這樣會儘力保護飛控等電子設備。他說，一定要避免跌入水中、冰面，水中就不說了，因為夏季氣溫升高，冰面也是十分危險。

2個多月的南極生活，給馮洋留下很多難忘的記憶。隊友和機械師毫無怨言地幫助運輸設備，一起完成任務。在站區測試無人機時，機械維修組的隊友們返回站區，很多人對無人機很感興趣、很好奇，後來馮洋就操作無人機給大家拍了一張合影。他笑稱，這些人都是不同科研領域的專家，但是每個人都按照站里的安排，去做一段時間公共服務，比如修車等，他們身上嶄新的衣服經過摸爬滾打后變成照片上的樣子，都是勇於奉獻的人，很溫馨也很勵志。

在野外飛行時，他們渴了就直接趴在湖邊喝湖水。那是冰蓋上積雪的融水，在丘陵的低洼地帶形成一個淡水湖，夏天就是湖水，冬天就是冰，千萬年都在哪裡。中山站周邊的美景很多，冰山、湖水、奇怪的岩石，遺憾的是忙於工作，飛行前後都需要對設備進行檢查，注意力很難集中在美景上，也沒拍到太多風景畫面。

趴在湖邊喝水/圖 來源網路

和機械維修組的隊友合影/圖 來源網路

航測設備

這不是無人機首次參加南極科考任務，第32次南極科考時，也派出兩架無人機到長城站進行科考活動，馮洋作為設備負責人和廣州紅鵬公司的技術人員在一起摸爬滾打一個多月，全程參與了生產、製造、測試，以及最後的裝箱運輸過程，對每一個提出的問題都進行了論證和測試。最後結果證明所有的預案都是必要的，並且是行之有效的。

在3年多的時間裡，馮洋幾乎嘗試過大疆系的全部飛機，日常測試、訓練和娛樂時主要飛精靈系列、悟1、Mavic pro等，測繪作業則主要使用筋斗雲系列和經緯M600等六軸、八軸無人機。在他看來，大疆的設備可靠性不錯，容易上手，軟體支持也不錯。但缺點也比較突出，那就是安全性或安全機制還不夠，當然，這不僅是大疆一家公司需要改進的，而是無人機設備普遍面臨的問題。改進建議有二，一是增加和完善降落傘設備，實現故障、失速等情況下的彈傘，尤其是在飛機動力完全喪失后，可以有獨立的觸發方式彈出降落傘，通過多種安全措施最大程度保護地面目標。二是採取設備銷售登記、限高、限飛行區域等措施減少「黑飛」、「擾航」事件的發生。這是無人機廠商可以在自己能力範圍內實現的，可以盡量降低無人機對社會環境的負面影響。

馮洋結合自身的工作經歷還提到，無人機需要安裝可以與載人機進行識別的自動應答設備，這是無人機發展應用的關鍵，有了它，無人機才可以被納入通航管理。(最新消息是，大疆已經推出了ADS-B無人機應答功能)。

馮洋拍攝的極光/圖 來源網路

無人機測繪前景無限

馮洋介紹，傳統測繪方式包括野外作業，使用衛星影像、傳統航攝等手段，生產製作平面的地圖。傳統測繪一般分外業和內業兩個方向，外業把飛機或衛星拍出的照片做相控，測量GPS坐標，做出控制點，之後把相控的坐標和地圖影像給到內業工作人員，內業把影像放到一個坐標繫上畫成地圖，生成的圖像主要是影像圖和線畫圖，像Google地圖等都是這樣畫出來的。

傳統的航拍影像只能90度垂直地面拍攝，但傾斜攝影可以同時從前後左右拍攝四張圖片，並和下視鏡頭的照片結合起來生產出三維實景地圖，這種地圖更加符合人眼視覺中的直觀世界，不僅能夠直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，還具有可量測、精度高、高清晰、細節豐富、現實感強等諸多特點，幾乎可以替代現階段所有的常規地圖的使用。

因此，無人機方便、快捷、靈活的方式加上傾斜攝影的行業應用，增添了技術手段，增加工作效率，也顛覆了以往的工作模式和產品模式，提供更為全面、豐富的地理信息產品。

另外，對於南極冰裂隙發育密集的地區，傳統的測量方式有較大的安全隱患，無人機的應用則在一定程度上解決了這個問題，目前還在繼續研究和測試中。

俄羅斯進步站距離中山站僅數百米，科考隊員到野外進行科考時，還需要經過他們的站，兩國隊員平時交流很頻繁，印度巴拉提站的隊員也會到中山站交流訪問。飛行工作中，馮洋常常遇到俄羅斯的科考隊員，他們對在南極的無人機很好奇，表現出其大的興趣。俄羅斯隊員也有用無人機從事一些地形勘察之類的活動，例如查看冰裂隙、油管等，用的是小精靈，通過今年無人機的作業，已經開始關注無人機的使用，後續一定會有更大的投入。

時間回到2014年年底，馮洋所在的單位——黑龍江省測繪科學研究所，正在研究傾斜攝影技術，考慮到無人機方便快捷、機動靈活，他們同時嘗試了無人機的影像數據採集，馮洋對無人機一直很感興趣，從此與無人機不離不棄直到現在。馮洋未來計劃，除了在行業應用方面拓展紅外相機、地磁雷達等載荷應用，還包括繼續開展極地傾斜攝影飛行，「使用無人機飛行，和為南極科考生產高品質的地圖產品，是我的興趣所在。」