無人機航磁測量在荒漠戈壁地區的應用效果分析

王猛，劉媛媛，王大勇，董根旺，田亮，黃金輝，林曼曼

(中國冶金地質總局地球物理勘查院，河北 保定 071051)

0 引言

近年來，我國無人機行業得到了快速的發展，無人機平臺的飛行性能不斷提升，進而促進了以無人機為載體的航磁測量技術的研發，目前已成為航空物探領域的重要發展方向。無人機航磁測量采用多旋翼、垂起固定翼無人機或無人直升機等無人飛行器搭載小型化的航磁測量設備，具有靈活高效、適用范圍廣的特點，既是有人機航磁的發展延伸，同時又能夠代替地面人員進行遠距離或復雜地形地貌條件下的磁法測量工作，有效拓展了航空物探的應用空間[1-3]。

基于無人機平臺的航磁測量技術在近20年來得到了較大發展，國外典型的測量系統包括2003年英國的PrionUAV系統、2004年荷蘭的Georanger系統、2010年加拿大的GeosurvⅡ系統等；自2008年至今，國內的中船重工715所、中科院遙感與數字地球研究所、中國自然資源航空物探遙感中心、北京桔燈公司等單位均開發了各自的無人機航磁測量系統，采用無人直升機、固定翼無人機等機型搭載磁通門或光泵磁力儀開展工作，均達到了一定的應用效果。關于無人機航磁測量機型的適用性試驗，前人針對單一機型(如彩虹3)的應用效果進行了分析，側重點主要是在飛行高度控制、數據采集質量以及推斷解釋效果等方面與傳統有人機平臺進行對比；也有相關專家探討了彩虹3無人機在灘涂區、新疆的不同地形區的適用性，分析了地形跟隨效果，對飛行高度、偏航距等重要指標進行了評價[2-6]。

為驗證無人機航磁測量在戈壁荒漠地貌景觀區的應用效果，本文在內蒙古西部無人區選定了試驗區域，進行了基于不同無人機平臺的航磁測量試驗，對不同無人機機型在戈壁荒漠區的適用性進行了對比分析；通過與地面磁測成果進行宏觀、微觀角度的對比，評價了無人機航磁在我國西部戈壁荒漠地區的實用性與可靠性。

1 荒漠戈壁地區自然環境條件分析

試驗區位于內蒙古自治區阿拉善盟西部(圖1)，地處馬鬃山北部準平原低山灘地區，其地貌類型有剝蝕低山殘丘與山間盆地、基巖戈壁高地，山間剝蝕傾斜高平原，沙灘、戈壁傾斜平原和流動沙丘。區內海拔最高點約1 500 m，最低點1 370 m左右，落差約130 m，平均海拔1 437 m左右。

圖1 試驗區位置示意圖Fig.1 Location diagram of the test area

試驗區為典型的內陸干燥氣候，自然環境條件惡劣，具有干旱少雨、蒸發量大、日照充足、晝夜溫差懸殊、風沙大的特點。常見天氣現象多風，風速快且持續時間長，春、冬季各月發生較多，尤以春季為甚，大風常伴隨沙塵暴。經多次測量統計，試驗區內常見風速為3～6 m/s(2～4級風)，陣風可達11 m/s(6級風)以上。

綜上可知，對開展無人機航磁測量工作來說，該區地勢相對較為平坦，地形條件尚可，但限于試驗區特殊的氣候條件，野外作業需要克服常年肆虐的大風天氣帶來的影響。

2 機型適用性對比試驗

為達到最佳的測量效果，首先開展了不同無人機機型的適用性試驗工作。選取多旋翼無人機、垂直起降固定翼無人機兩種無人機平臺，并集成同一套航磁測量系統進行飛行測量，以評價不同機型在荒漠戈壁地區的飛行性能和測量效果。試驗結果見表1。

表1 無人機機型適用性對比試驗結果

2.1 抗風能力

抗風能力是無人機飛行性能評價的重要指標[7]，良好的抗風性能也是在荒漠戈壁地區獲取高質量航磁測量數據的前提，具體測試結果如下：

1) 多旋翼無人機：航磁測量系統的集成采用機體下方安裝支桿的方式，磁探頭位于支桿最前端，數據采集系統及輔助設備位于支桿尾部，因為在機體外部附加了航磁測量設備，導致對無人機外形改動較大，對飛行的穩定性會造成一定的影響；機型最大可抗風力為4級(5.5～7.9 m/s)。 經實際測試發現，當風速超過8 m/s時，多旋翼機型起降風險極大，在起降過程中易造成墜機事故；若利用風力小于4級的間歇起降，可以較為平穩地進入或退出測線測量工作。在飛行測量過程中，當風向與測線方向平行時，則按既定航線的飛行軌跡和姿態保持較好，但正、反向測線的航速差異較大，支桿偶爾出現上下小幅度的擺動；若風向與測線方向斜交或正交時，多旋翼無人機受側風影響而難以按既定航線飛行，且前支桿明顯與測線呈斜交的狀態，并有不同幅度的左右搖擺。

2) 垂直起降固定翼無人機：航磁測量設備集成采用隱藏式方法，光泵磁力儀探頭、三軸磁通門磁力儀探頭分別安裝于飛機兩翼下側，數據采集及輔助測量設備固定于機艙中，對飛機外形改動??；機型最大可抗風力為6級(10.8～13.8 m/s)。實際測試發現，固定翼機型機翼的受風面積更大，在起、降階段受風的影響要比多旋翼機型嚴重，一般限制在8 m/s左右，超出此數值則墜機風險明顯升高。若選擇在風速較小時起飛，則該機型能夠按照規劃好的航線穩定地執行測量工作，且在空中抗風能力可達6級以上；順風、逆風飛行時測線基本無偏移，航速無明顯差異，遇有側風時也能夠利用飛控系統有效地及時糾正飛行軌跡，可將航偏限制在最小范圍內。

綜合以上分析，在抗風性能方面，垂直起降固定翼無人機在荒漠戈壁地區的適用性要明顯優于多旋翼無人機。

2.2 地形跟隨能力

航空磁測技術規范要求，測量過程中應在保證安全的前提下盡可能隨地形起伏飛行，故地形跟隨(或稱仿地飛行)能力也是衡量無人機性能的一項重要指標。無人機地形跟隨能力與航速、航高以及飛機爬升率密切相關，同時與地形梯度、外部風速的大小有關。在執行航磁測量作業時，多旋翼無人機巡航速度大概保持在20～30 km/h，垂直起降固定翼飛機約為60～70 km/h，因而當外界風速相同時，一般來說多旋翼機型的航速比固定翼機型慢，具有更好的地形跟隨能力(見圖2)。需要說明的是，在荒漠戈壁地區，動輒6、7級的大風是不得不面對的現實問題，在地形跟隨能力無太大差異的情況下，應首選抗風性較強的機型。

圖2 不同無人機機型的地形跟隨能力對比Fig.2 Comparison of terrain following ability of different UAVs

2.3 續航能力與工作效率

試驗選用的多旋翼無人機采用多塊鋰電池供電，單架次續航時間20～30 min，逆風飛行時續航時間明顯縮短?？罩醒埠剿俣燃s在20～30 km/h，單架次最多可執行不超過20 km的測線飛行任務。該機型需要頻繁落地更換電池，每組電池的充電時間要稍長于飛行時間(可多塊同時充電)，因此為達到更高的工作效率，野外施工需配備更多的備用電池或攜帶發電機及充電設備。

垂直起降固定翼無人機采用一塊大容量鋰電池組供電，在搭載航磁測量設備時最大續航時間為120 min，順風、逆風飛行對續航時間影響不大；巡航速度為60～70 km/h，單架次可完成大于100 km的測線。該機型單塊電池組的續航時間較長，在配備有備用電池組的情況下，每天至少可完成300余千米的飛行任務；若在野外循環充電，每日飛行里程數可達600 km以上，工作效率要比多旋翼機型高出很多。

2.4 數據采集質量

選擇風速較低的時機進行數據采集工作，數據采集完成后將多旋翼、垂起固定翼兩種機型所采集的數據成圖，并與地磁測量成果進行對比(圖3)，由圖示效果來看兩者差異不大，對異常反映一致，且均較為清晰。

與垂起固定翼機型相比，多旋翼機型的優勢在于可在全區固定探頭指向，不涉及正反向測線飛行時存在的方向差問題，另外由于探頭距離機體較遠，由無人機帶來的干擾因素較??；但多旋翼機型的缺點也十分明顯，由于航磁設備集成、改裝對飛機整體穩定性的影響，在大風環境中進行數據采集會不可避免地出現偏離測線、大幅度的抖動及搖擺現象，會引入較多的干擾因素，給后期的數據處理與解釋帶來一定困難。

垂起固定翼機型飛行狀態穩定，采集的航磁數據質量很大程度上取決于磁補償的精度，因而在野外施工時應嚴格按照技術規范要求執行磁補償飛行，選擇在平靜磁場背景、盡量無風的環境，并保持500 m以上離地高度，補償后標準差達到要求(優于±0.08 nT)后方可轉入下一步工作。

圖3 無人機航磁數據采集效果對比Fig.3 Comparison of UAV aeromagnetic data acquisition effects

根據上述對兩種機型的抗風能力、地形跟隨能力、數據采集質量以及續航時間與工作效率的試驗結果，垂直起降固定翼無人機在荒漠、戈壁地區特殊的地形及氣候條件下適用性更強，能夠獲取高質量的航磁數據，是開展無人機航磁測量的首選機型。

3 無人機航磁測量質量評價

3.1 測量系統

試驗選用的無人機平臺為縱橫大鵬CW-15型純電動垂直起降固定翼飛機，該機型主要技術參數：垂直起降，巡航空速60～70 km/h，續航時間120 min；垂直方向定位精度3 cm，水平方向定位精度 1 cm+1 ppm；可抗6級風。機載航磁測量設備包含銣光泵磁力儀探頭、三軸磁通門磁力儀探頭、高度計及GPS導航定位系統等(見圖4)。

3.2 測量質量評價

1) 航偏、航高、航速： 試驗飛行采用的比例尺為1∶1萬，線距100 m，經統計全區平均偏航距1.77 m，平均飛行高度123.29 m，平均飛行速度22.4 m/s。

2) 數據收錄質量：誤漏碼率為0‰；根據全區動態四階差分統計，一、二級資料之和占比94%以上，無不合格資料。

3) 航磁測量總精度：在經過各項改正和調平后，利用切割線與測線交點上的磁場差值均方差來衡量航磁測量的總精度，經統計全區共765個交點，參加計算737個點，占總點數96.34%，均方差為1.903 nT。

4 無人機航磁與地面磁測對比分析

4.1 定性分析

4.1.1 航磁、地磁工作方法對比

試驗區曾開展1∶1萬地面高精度磁法測量，使用的儀器為捷克產質子磁力儀，此次無人機航磁測量采用的儀器為加拿大產銣光泵磁力儀，二者主要技術參數的差異見表2。

相比于質子磁力儀，光泵磁力儀具有以下特點：靈敏度高，一般為0.01 nT量級；響應頻率高，可在快速變化中進行測量；受磁場梯度的影響極??；對工業電力、通訊廣播的干擾有很強的抑制能力。光泵磁力儀被廣泛應用于航空磁測工作中，在靈敏度、精度、穩定性等方面比地面質子磁力儀具有明顯的優勢[8-9]。

a—縱橫CW-15垂直起降固定翼飛機；b—銣光泵磁力儀探頭；c—三軸磁通門磁力儀探頭a—CW-15 VTOL fixed wing aircraft produced by JOUAV；b—rubidium optical-pumping magnetometer probe；c—three-axis fluxgate magnetometer probe圖4 無人機航磁測量系統示意Fig.4 Schematic diagram of UAV aeromagnetic measurement system

表2 航磁、地磁儀器設備技術參數對比

從工作方式的角度分析，地面磁測為逐點測量，點距一般為20 m或40 m，而航空磁測為連續測量，采樣率一般為10次/s，當航速在60～70 km/h時，采樣點的間距大概在2 m左右，因此航磁測量的數據采集密度要遠遠高于地面磁測，能夠獲取更加豐富的磁場信息。

地面磁測在地表采集數據，不可避免地要受到鐵路、公路、供電線路、鐵絲網等人文設施的干擾，另外當地表的巖體、地層存在明顯磁性不均勻現象時測量數據會出現劇烈的跳動，在數據處理時要仔細地甄別各種干擾異常。無人機航磁測量采用低空飛行的方式采集數據，地表的高頻干擾得到很大程度的壓制，基本不受地面各種人文干擾因素及地質體磁性不均勻現象的影響，數據采集質量高，易于進行數據處理及推斷解釋工作。

4.1.2 測量成果的宏觀對比

航磁、地磁的宏觀對比方法如下：將地磁數據導入數據庫，繪制地磁ΔT影像圖，并將航磁ΔT等值線平面圖疊加其上，成圖效果見圖5a。經對比發現，雖然地磁ΔT圖像存在大量的點狀高頻干擾成分，但從整體磁場面貌來看，二者呈現高度一致的特征，已編號的航磁、地磁異常完全對應，異常的空間展布規律及幅值的高低變化趨勢均相同，唯一的區別在于航磁的異常幅值明顯低于地磁，而這是由航磁在一定飛行高度采集數據導致的場值衰減引起的。將地磁數據上延120 m后與航磁數據疊加成圖(圖5b)，反映出航磁、地磁套合程度更高，磁場的細節特征都能夠一一對應，二者對侵入巖、火山巖及礦化蝕變帶等磁性體的反映一致，測量效果總體近似。

4.1.3 測量成果的微觀對比

微觀對比采用的方法是，截取同一位置的航磁、地磁單測線剖面曲線，從磁異常曲線的起伏形態差異、異常識別的難易程度等幾個方面進行比較，并評價航磁、地磁剖面曲線對不同地質體的反映情況。航磁、地磁剖面曲線對比見圖6，由圖示效果可知，地磁測量點距為40 m，由于人文設施、地表磁性不均勻引入的干擾因素較多，剖面曲線呈現劇烈跳動現象，經圓滑后顯示的起伏變化趨勢與航磁相近；無人機航磁測量點距約為2 m，因采用低空飛行測量，不存在地表干擾的影響，剖面曲線圓滑、規律性強?？傮w來看，航磁、地磁剖面曲線變化趨勢一致，對各類地質體具有相似的反映。

a—地磁影像圖疊加航磁等值線；b—地磁上延120 m影像圖疊加航磁等值線a—the ground magnetic image map overlays aeromagnetic contour map；b—upward continuation 120 m image map of ground magnetic survey overlays aeromagnetic contour map圖5 無人機航磁、地磁宏觀對比Fig.5 Macroscopic comparison of UAV aeromagnetic and geomagnetic

圖6 無人機航磁、地磁ΔT剖面曲線對比Fig.6 Comparison of UAV aeromagnetic and geomagnetic ΔT profile curves

4.2 定量分析

定量分析的具體計算步驟如下：

1) 將航磁數據生成網格化文件，然后按地磁坐標網格進行采樣抽??；

2) 對地磁數據進行曲面延拓，延拓高度與采樣抽稀后的航磁數據完全相同(圖7)；

3) 按相同順序分別提取網格點的場值，將航磁、地磁上延數據的網格點值分別記為ai，bi(i=1,2,…，N；N為網格節點數)；

4) 對提取的網格點場值按網格數據外符合精度公式進行計算[10-11]：

按照以上步驟進行計算，得到結果為ε=29.39 nT。

由圖7所示效果來看，地磁上延到航磁飛行高度后的數據與航磁數據顯示的磁場面貌、高低變化趨勢以及局部異常的位置、范圍和規模均相同，但定量計算得出的均方根誤差值(ε)稍大，這主要是由于地磁數據中存在局部高值引起的，同時航磁、地磁測量的數據還存在較多差異，也會引起定量計算數值偏大，包括但不限于以下影響因素：

圖7 地磁數據上延到航磁觀測面后影像圖疊加航磁等值線Fig.7 Ground magnetic upward continuation image map superimposed with aeromagnetic contour map

1) 測量時間不同，地磁場的長期、短期變化影響；

2) 航磁、地磁各項改正的誤差；

3) 航磁的仿地飛行相當于沿一定高度地形趨勢面測量，地磁則在地表沿地形起伏測量；

4) 航磁、地磁采用的磁力儀、導航定位設備未進行一致性校驗。

綜上所述，雖然上述計算方式在位場轉換理論的應用、數學公式的選擇上具有一定的科學性，也能在某種程度上對航磁、地磁進行定量對比，但基于以上影響因素可能引入其他不可估計的誤差，應盡量采取相應的對策將其消除，獲取更加可靠、嚴謹的航磁地磁對比數據，可能會得到更為理想的結果。

5 結論

1) 通過試驗區自然環境條件分析以及無人機機型適用性試驗，垂直起降固定翼無人機搭載小型化航磁測量系統的設備集成方案，能夠按照設計的航線進行自主飛行，面對多風的氣候條件表現出較強的抗風性能，且隨地形起伏飛行能力、續航能力與工作效率等方面均表現出色，能夠獲取高質量的低空無人機航磁測量數據。

2) 通過對無人機航磁測量成果與已有地面高精度磁法測量成果進行定性、定量分析對比，其中定性分析從工作方法差異、測量結果的宏觀與微觀表現等角度進行對比分析，定量分析則采用了位場轉換與數學計算相結合的方式，認為無人機航磁反映的磁場特征與地磁基本一致，完全滿足在戈壁荒漠地區進行礦產勘查等需求。

3) 無人機航磁相對于地磁測量具有高精度、高效率、低成本的優勢，未來將在更多應用場景替代地面磁法測量，是值得進一步推廣的地球物理勘查方法技術。