Droni per il telerilevamento: "Elf" è un grande utilizzatore

Negli ultimi anni, le piattaforme UAV (veicoli aerei senza pilota) equipaggiate con carichi utili per missioni come apparecchiature fotografiche, controllate da piloti o autonomamente da sistemi di controllo di volo, hanno assunto un ruolo sempre più importante nelle applicazioni di telerilevamento come la topografia e la mappatura, la riduzione del rischio di disastri e la risposta alle emergenze, diventando un nuovo membro della famiglia del telerilevamento. Gli UAV sono noti come gli "elfi" della famiglia del telerilevamento per la loro ridotta mobilità, il volo a bassa quota, l'elevata risoluzione spaziale e temporale, la configurazione di carico diversificata e flessibile e altre caratteristiche. Tuttavia, questo "elfo" ha un grande potenziale! Il termine UAV (Unmanned Aerial Vehicle) si riferisce comunemente a un veicolo aereo senza pilota, generalmente un velivolo azionato da un motore e privo di operatore, che utilizza la forza aerodinamica per fornire la portanza necessaria al velivolo, può volare autonomamente o a distanza, può essere utilizzato una sola volta e può essere riciclato, e può trasportare carichi utili letali o non letali per missioni, come scattare foto, trasmettere farmaci, riprodurre suoni, ecc.

I droni non sono una novità, la loro invenzione risale a secoli fa. Nel 1917, il Royal Aeronautical Institute del Regno Unito combinò per la prima volta aerodinamica, motori leggeri e radio per sviluppare il primo velivolo senza pilota al mondo. Nel dicembre dello stesso anno, l'inventore americano Elmer Spee completò il primo volo del "siluro aereo" utilizzando un giroscopio da lui inventato e un sistema di radiocomando sviluppato dalla Western Electric Company degli Stati Uniti. Inizialmente, i droni erano impiegati principalmente in ambito militare. Con l'avvento del XXI secolo, grazie al rapido sviluppo dell'elettronica moderna, della meccanica di precisione, della navigazione, del posizionamento e del telerilevamento, l'applicazione dei velivoli a pilotaggio remoto in campo civile si è fatta sempre più estesa, dando vita a un'industria.

I droni possono essere classificati in base alla funzione d'uso, alla configurazione aerodinamica, al tipo di alimentazione, alle dimensioni e al peso, alla velocità di volo, al raggio d'azione, all'altitudine di volo e ad altri criteri. In base alla funzione d'uso, i droni possono essere suddivisi in droni militari, droni civili e droni per uso privato. I droni militari possono essere suddivisi in droni da ricognizione, droni per contromisure elettroniche, droni per la ritrasmissione delle comunicazioni, droni d'attacco e droni bersaglio senza pilota. I droni civili possono essere suddivisi in droni per ispezione, sorveglianza, mappatura e rilevamento, nonché droni agricoli. I droni per uso privato sono utilizzati principalmente per scopi ricreativi come la fotografia aerea personale e i videogiochi.

In base alla configurazione aerodinamica, i droni possono essere suddivisi in droni ad ala fissa, droni ad ala rotante, droni ad ala battente e droni a configurazione composita. I droni ad ala fissa si affidano a un dispositivo di propulsione per generare la spinta o la trazione in avanti durante il volo, e il profilo alare principale per generare la portanza è fisso e invariato rispetto alla fusoliera, principalmente nella forma di configurazione convenzionale, a "anatra", senza coda o ad ala volante, a tre profili alari, ecc. Le pale del rotore di sollevamento dei velivoli ad ala rotante ruotano rispetto alla fusoliera durante il volo e possono essere suddivisi in elicotteri senza pilota, droni multirotore e velivoli ad ala rotante senza pilota. Le prime due forme di velivoli ad ala rotante sono azionate direttamente da un dispositivo di propulsione e possono decollare e atterrare verticalmente e rimanere in volo stazionario, mentre le pale del rotore dei velivoli ad ala rotante senza pilota non sono motorizzate. I droni ornitotteri si affidano al battito delle ali, simili a quelle degli uccelli, per ottenere portanza e propulsione, il che li rende adatti a droni di piccole dimensioni e in miniatura; I droni a configurazione composita sono costituiti da una combinazione di tipologie di base, che includono principalmente droni a rotore basculante e droni ad ala fissa/rotante.

In base al tipo di alimentazione, i droni si dividono principalmente in due categorie: droni alimentati a petrolio e droni alimentati elettricamente. Negli ultimi anni, si è assistito a un continuo sviluppo di droni che utilizzano energia solare e celle a combustibile a idrogeno come fonte di energia principale.

In base alle dimensioni e al peso, i droni possono essere suddivisi in micro-droni, droni leggeri, droni piccoli, droni medi e droni grandi. I micro-droni pesano generalmente meno di 1 chilogrammo e hanno dimensioni inferiori a 15 centimetri. Il peso dei droni leggeri e piccoli è generalmente compreso tra 1 e 7 kg, il peso dei droni piccoli è generalmente compreso tra 1 e 200 kg e il peso dei droni di medie dimensioni è generalmente compreso tra 200 e 500 kg.

Oggi i droni sono diventati il ​​"nuovo giocattolo preferito" di molti bambini, grandi amici di tutti. I droni per uso consumer utilizzano generalmente piattaforme multirotore a basso costo, principalmente per la fotografia aerea, i giochi e altri scopi ricreativi. Il mercato cinese dei droni per uso consumer è esploso intorno al 2012. Prima di allora, i droni erano utilizzati principalmente in ambito industriale e il mercato consumer era costituito soprattutto da appassionati di aeromodellismo. Attualmente, lo sviluppo dell'industria cinese dei droni sta vivendo una fase di forte espansione. Oltre agli istituti di ricerca scientifica e alle università del settore aeronautico e aerospaziale, molte imprese private si sono unite al settore della ricerca e sviluppo. La ricerca, lo sviluppo e l'applicazione dei droni civili sono in pieno fermento e l'applicazione dei droni cinesi nell'intrattenimento per i consumatori e in altri settori è all'avanguardia a livello mondiale.

I droni, in rapida evoluzione, sono diventati una piattaforma di telerilevamento emergente, ampiamente utilizzata nei settori del rilevamento aereo terrestre, dell'agricoltura, della silvicoltura e della protezione delle piante, del monitoraggio atmosferico, della gestione delle emergenze, della difesa e della sicurezza nazionale, dopo essere stati equipaggiati con diversi dispositivi di telerilevamento.

Il telerilevamento tramite droni (UAV) possiede capacità di acquisizione ad altissima risoluzione e alta frequenza, che possono integrare le capacità del telerilevamento satellitare. Rispetto al telerilevamento manuale, offre un rapporto costo-efficacia e una manovrabilità superiori. La capacità di osservazione in tempo reale del telerilevamento tramite droni è difficile da raggiungere con le attuali piattaforme di osservazione satellitare. Il telerilevamento satellitare può fornire immagini con risoluzione sub-metrica, ma maggiore è la risoluzione, maggiore è il periodo di rivisitazione del satellite. Le immagini acquisite dai droni possono facilmente fornire informazioni sul terreno con una risoluzione centimetrica o addirittura superiore, eliminando la contraddizione tra alta risoluzione spaziale e risoluzione temporale, e realizzando l'unità dialettica di spazio e tempo a costi contenuti. Si può affermare che l'emergere e il rapido sviluppo del telerilevamento tramite droni hanno portato la ricerca scientifica nel campo del telerilevamento a compiere un grande passo avanti, passando dal macro al micro. Rispetto agli alti costi e alla gestione centralizzata delle piattaforme satellitari, la piattaforma UAV consente all'acquisizione di dati di telerilevamento di entrare nell'era della divulgazione, realizzando concretamente l'applicazione del telerilevamento al singolo utente.

Grazie ai vantaggi unici del telerilevamento tramite droni, molte aree in cui l'applicazione dei dati satellitari era inefficace o impossibile in passato possono ora essere efficacemente sfruttate. Ad esempio, l'utilizzo del telerilevamento iperspettrale tramite droni consente di classificare e identificare le specie di superficie, individuare e identificare le invasioni di specie aliene attraverso i dati iperspettrali acquisiti dai droni e fornire supporto dati per la tutela ambientale. Un altro esempio: il telerilevamento tramite droni ha reso possibili condizioni favorevoli per il campionamento e l'acquisizione di dati in ambienti estremi, fornendo dati di prima mano per numerosi studi e contribuendo a diverse nuove scoperte scientifiche. Dal 2010, la NASA ha contribuito alla creazione di un sistema di analisi dettagliata dei tifoni, dopo aver monitorato con successo le traiettorie di cinque uragani atlantici utilizzando il drone GlobalHawk, un veicolo aereo senza pilota ad alta quota e lunga autonomia. Nel 2017, un team multinazionale di ricercatori ha utilizzato droni equipaggiati con telecamere e altri sensori per filmare l'eruzione di un vulcano in Terra del Fuoco, in Guatemala, al fine di raccogliere dati e modellare il processo dinamico.

È particolarmente importante sottolineare il ruolo chiave svolto dal telerilevamento tramite droni nel monitoraggio a distanza dei disastri. Negli ultimi anni, i droni sono stati impiegati in importanti interventi di emergenza in seguito a calamità naturali: nel 2008, durante i soccorsi per il terremoto di Wenchuan, è stata utilizzata la tecnologia di telerilevamento tramite droni; in seguito, in occasione di altri gravi disastri naturali, come la frana di Maoxian nel Sichuan, la fuoriuscita di petrolio a Dalian, la grave esplosione di sostanze chimiche pericolose nel porto di Tianjin e altri interventi di emergenza, i droni hanno svolto un ruolo fondamentale.

Nel campo delle applicazioni industriali, l'ispezione con droni di infrastrutture petrolifere, del gas, di trasmissione di energia e di centrali fotovoltaiche è ormai una pratica consolidata. In alcuni dipartimenti governativi, i droni vengono gradualmente integrati nei sistemi operativi, come ad esempio i dipartimenti per la protezione ambientale che li utilizzano per ispezionare e bonificare gli scarichi fognari nei fiumi. La piattaforma per droni ad alta frequenza e reattiva, in grado di fornire immagini con risoluzione centimetrica, supporta efficacemente le attività quotidiane delle unità operative preposte alla protezione ambientale.

Grazie alla praticità, alla flessibilità e all'elevato coinvolgimento del pubblico, l'innovazione nel campo dei droni è in rapida e attiva. La profonda integrazione tra il telerilevamento tramite UAV e altri settori tecnici correlati ha dimostrato un ampio potenziale applicativo, noto come "telerilevamento +" dei droni. Ad esempio, nella trasmissione in tempo reale dei dati "da telerilevamento +", il telerilevamento tramite UAV riveste un ruolo fondamentale in ambito militare, per le operazioni di soccorso e gestione delle emergenze. Molte attività di monitoraggio della sicurezza nazionale e di intervento in caso di calamità si basano sul telerilevamento e sulla trasmissione in tempo reale dei dati tramite UAV per fornire informazioni tempestive a supporto del processo decisionale.

In termini di "telerilevamento + posizionamento in tempo reale e tecnologia di costruzione di mappe (SLAM)", la combinazione di UAV e SLAM migliora la navigazione e l'evitamento degli ostacoli degli UAV e ha importanti prospettive di applicazione nell'acquisizione intelligente dei dati e nel volo autonomo degli UAV.

In termini di "telerilevamento + tecnologia di decisione ed esecuzione", è stata realizzata l'integrazione di "telerilevamento tramite UAV + identificazione + pianificazione delle attività + esecuzione delle attività". Ad esempio, il telerilevamento tramite droni può realizzare il monitoraggio a distanza delle condizioni agricole sul campo, creare una mappa prescrittiva di malattie e parassiti, pianificare percorsi ottimali, eseguire irrorazioni di pesticidi precise e integrare l'osservazione statica a distanza con il processo decisionale e l'attuazione in tempo reale.

In termini di "telerilevamento + pianificazione di rotte a bassa quota", le attuali esigenze applicative diversificate dei droni si concentrano principalmente a bassa quota. La maggior parte dei droni "piccoli, lenti e a bassa quota" opera nello spazio aereo vicino al suolo, al di sotto dei 500 metri, e le variazioni della superficie in questo spazio aereo sono diverse, la situazione è complessa e i problemi di sicurezza ed efficienza del volo sono rilevanti. Pertanto, le rotte aeree a bassa quota, in particolare le rotte aeree pubbliche a bassa quota per i droni nelle aree urbanizzate, assumono un'importanza ancora maggiore. È necessaria una pianificazione meticolosa. L'efficienza dell'acquisizione dei dati attraverso i canali statistici tradizionali è bassa, e l'utilizzo di dati di telerilevamento ad alta risoluzione e dinamici provenienti da droni in aree urbane per la pianificazione di rotte a bassa quota è diventato una frontiera della ricerca, e la Cina è all'avanguardia nell'esplorazione attiva di questo aspetto.

In termini di "telerilevamento + rete regionale", sebbene la capacità di telerilevamento dei droni sia molto elevata e la risoluzione spaziale sia alta, l'area di copertura è limitata, il che rende difficile soddisfare la domanda di telerilevamento tramite droni in applicazioni regionali su larga scala. Ad esempio, attraverso un determinato modello organizzativo e sistema tecnico, le risorse nazionali distribuite di telerilevamento tramite droni vengono pianificate e implementate per costruire un sistema di monitoraggio e telerilevamento ad alta frequenza, con risposta rapida e risoluzione centimetrica, su vasta area, al fine di completare un'attività di misurazione su vasta scala. In generale, l'applicazione e lo sviluppo dei droni hanno formato una tendenza applicativa in tutto il settore e, grazie alla forte domanda applicativa e al forte supporto dello sviluppo di nuove tecnologie, si prevede un ulteriore sviluppo futuro dei droni.