無人機(jī)地震災(zāi)情監(jiān)測系統(tǒng)在四川高原山區(qū)的應(yīng)用研究

程 奕，柏江玲

（四川省地震局，成都 610041）

0 引言

四川是中國地震多發(fā)省區(qū)之一。根據(jù)對全國M≥6級地震次數(shù)的統(tǒng)計，四川的地震活動僅次于臺灣、西藏、新疆和云南，居全國第5位［1］。在地域上，這些地震主要發(fā)生在甘孜藏族自治州、涼山彝族自治州和阿壩藏族羌族自治州（以下簡稱“三州”）；在地質(zhì)構(gòu)造上，主要發(fā)生在北西向鮮水河斷裂帶、南北向安寧河—則木河斷裂帶和北東向龍門山斷裂帶，其他在巴塘斷裂、理塘—德巫斷裂、甘孜—玉樹斷裂、松平斷裂和虎牙斷裂等也有分布［2］。

“三州”地區(qū)位于四川省西部，青藏高原東南緣，處于高原、高山及峽谷地區(qū)，地形條件復(fù)雜，海拔高差大，氣候條件差，因此獲取該地區(qū)優(yōu)質(zhì)的高時間、空間分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)十分困難。

無人機(jī)地震災(zāi)情監(jiān)測系統(tǒng)作為空間數(shù)據(jù)獲取的一項重要手段，具有成本低、機(jī)動靈活、可探測高危地區(qū)等特點，是獲取高分辨率遙感數(shù)據(jù)的重要工具之一。近年來，已先后應(yīng)用在汶川地震、舟曲泥石流、盈江地震和蘆山地震等重大突發(fā)事件中，向各級指揮部門提供實時、準(zhǔn)確的現(xiàn)場實況，為領(lǐng)導(dǎo)正確決策和指揮一線工作提供直觀、可靠的第一手資料，體現(xiàn)出“技術(shù)先進(jìn)、靈活機(jī)動、快速高效、信息全面”的特點。

1 無人機(jī)地震災(zāi)情監(jiān)測系統(tǒng)的組成

無人機(jī)地震災(zāi)情監(jiān)測系統(tǒng)主要由無人機(jī)飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和無線電遙控系統(tǒng)等幾部分組成。

無人機(jī)機(jī)身主要采用玻璃鋼和碳纖維等重量輕、強(qiáng)度大的復(fù)合材料加工而成。機(jī)身有一定的容積范圍，便于放置遙感設(shè)備。無人機(jī)前端安裝性能穩(wěn)定的航空發(fā)動機(jī)和推力螺旋槳作為動力裝置。為適應(yīng)高原山區(qū)環(huán)境野外作業(yè)要求，起落裝置的設(shè)計應(yīng)充分考慮重量、強(qiáng)度、減震等因素，并可根據(jù)需要實行彈射起飛和傘降。

飛行控制系統(tǒng)主要由遙控接收機(jī)、GPS 接收板、GPS天線、自動平衡儀、自主飛行控制系統(tǒng)組成?？筛鶕?jù)GPS的實時導(dǎo)航信息控制飛機(jī)按照預(yù)設(shè)的航線和高度自主飛行［3］。

遙感系統(tǒng)主要指無人機(jī)搭載的各種遙感設(shè)備。根據(jù)任務(wù)，可集成CCD 數(shù)碼相機(jī)、紅外掃描儀、磁測儀、合成孔徑雷達(dá)等，以獲取不同類型的遙感影像［4］。地震災(zāi)情監(jiān)測主要采用色彩深度和感光度好、載片量大、可定時曝光的CCD 數(shù)碼相機(jī)，而鏡頭采用可對焦至無窮遠(yuǎn)處的大視場、大孔徑廣角鏡頭，以獲取高分辨率的全色影像。

軟件系統(tǒng)主要包括監(jiān)控?zé)o人機(jī)飛行狀態(tài)的地面監(jiān)控軟件，規(guī)劃飛行區(qū)域、航線、拍攝點等的航跡規(guī)劃軟件，以及對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的影像處理軟件。

無線電遙控系統(tǒng)用于傳送無人機(jī)和遙感設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，供地面人員實時掌握無人機(jī)的飛行姿態(tài)、速度、航向、高度、方位、距離等信息，以及遙感設(shè)備的有關(guān)信息。同時，還可以發(fā)送地面人員的指令，引導(dǎo)無人機(jī)按照指令飛行。

2 無人機(jī)地震災(zāi)情監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)流程

無人機(jī)地震災(zāi)情監(jiān)測系統(tǒng)主要由前期準(zhǔn)備、航拍、后期處理與分析3個階段組成。前期準(zhǔn)備階段主要包括圖上作業(yè)、定點勘察、飛行條件測試、航線設(shè)計和飛行指令傳輸?shù)龋?］。在高原山區(qū)尤其要注意獲取當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力、能見度、有無雨雪等氣象資料，對于高山峽谷還要精確大地經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù)。后期處理與分析階段主要包括數(shù)據(jù)下載、圖像處理（圖像勻色、拼接、幾何校正等）、信息提取分析和應(yīng)用等［3］。圖1為無人機(jī)地震災(zāi)情監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)流程圖。

圖1 無人機(jī)地震災(zāi)情監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)流程圖

3 無人機(jī)地震災(zāi)情監(jiān)測系統(tǒng)在高原山區(qū)的應(yīng)用研究

3.1 應(yīng)用實例

國道213線途經(jīng)阿壩州境內(nèi)松潘、茂縣、汶川、映秀鎮(zhèn)，止于都江堰的路段，基本沿岷江展布，兩岸地勢高聳，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境脆弱，常有滑坡、泥石流、飛石等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。2008年5月12日的四川汶川8.0級特大地震發(fā)生后，該“震中生命線”更是數(shù)度中斷，中國在這次地震中第一次將無人機(jī)應(yīng)用于抗震救災(zāi)。如圖2所示為汶川地震期間使用無人機(jī)拍攝到的國道213線映秀到汶川段航空影像圖，圖3為圖2標(biāo)示部分的放大影像。

圖2 國道213線航空影像圖

圖3 圖2標(biāo)示部分的放大影像圖

由以上2圖可以發(fā)現(xiàn)，該路段存在嚴(yán)重的山體破碎和滑坡現(xiàn)象，且道路已被完全堵塞。該影像圖為搶險救援力量的調(diào)配提供了重要的依據(jù)。

2013年4月20日的四川蘆山7.0級強(qiáng)烈地震發(fā)生后，無人機(jī)不僅用于災(zāi)情監(jiān)測，為指揮決策提供了大量直觀的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，同時還在震后科學(xué)考察（如尋找斷裂帶等方面）進(jìn)行了有益探索。圖4為無人機(jī)在雅安市名山縣建山鄉(xiāng)附近拍攝到的航空影像圖。

圖4 建山鄉(xiāng)附近航空影像圖

3.2 應(yīng)用中存在的問題及解決方法

通過幾次在四川不同地點的飛行，對無人機(jī)地震災(zāi)情監(jiān)測系統(tǒng)在四川應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行了總結(jié)：

（1）無人機(jī)受天氣等因素的影響是不可避免的。高原山區(qū)海拔高，天氣變化快，雷暴、冰雹等強(qiáng)對流天氣較多，風(fēng)向突變或風(fēng)速突變現(xiàn)象明顯，風(fēng)的陣性及擾動氣流很強(qiáng)［6］。因此，航拍的影像數(shù)據(jù)受飛機(jī)載荷量以及抗風(fēng)能力的影響較大，應(yīng)盡可能地改進(jìn)飛機(jī)硬件平臺，增強(qiáng)穩(wěn)定性，提高有效載荷、續(xù)航和抗風(fēng)抗雨雪能力。

（2）高原山區(qū)地理地形特征復(fù)雜，起伏較大，需要設(shè)計不同高度的航線軌跡，同時進(jìn)行不同高度的多尺度航拍任務(wù)。

（3）無人機(jī)航拍影像受氣流影響幾何變形大，同時因為影像像幅較小、數(shù)量較多，獲取的影像資料拼接成完整圖幅在現(xiàn)有技術(shù)條件下，花費時間較長。由于救災(zāi)應(yīng)急工作的特殊情況，對圖像的完整性和規(guī)范性要求不高，只需滿足目標(biāo)地物的判讀即可。因此，可根據(jù)應(yīng)急災(zāi)情監(jiān)測實際出發(fā)開發(fā)影像快速處理軟件，進(jìn)行航拍影像的快速自動識別和拼接。

（4）航空飛行管制，尤其是大地震發(fā)生后早期搶險救援階段，十分嚴(yán)格，申請飛行空域時間較長，工作人員應(yīng)提前對航拍區(qū)域提出飛行區(qū)域申請。

4 結(jié)論

無人機(jī)地震災(zāi)情監(jiān)測系統(tǒng)具有運(yùn)行成本低、執(zhí)行任務(wù)靈活性高等特點，是快速獲取震后災(zāi)情信息的重要手段［7］。將該系統(tǒng)應(yīng)用于高原山區(qū)，將在提升地震災(zāi)情現(xiàn)場勘查能力、迅速獲取災(zāi)情信息、增加救災(zāi)工作的時效性及為后期科學(xué)考察提供輔助信息等方面提供重要的技術(shù)支撐。

［1］ 曲梓鐫.四川歷史上的地震帶［J］.文史雜志，2008，（4）：106.

［2］ 江在熊.四川歷史上的地震災(zāi)害［J］.文史雜志，2008，（4）：50.

［3］ 臧克，孫永華，李京，等.微型無人機(jī)遙感系統(tǒng)在汶川地震中的應(yīng)用［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2010，19（3）：163.

［4］ 胡堃.基于無人機(jī)遙感平臺的震后災(zāi)情監(jiān)測系統(tǒng)［J］.科協(xié)論壇，2009，（1）：100.

［5］ 呂書強(qiáng)，晏磊，張兵，等.無人機(jī)遙感系統(tǒng)的集成與飛行試驗研究［J］.測繪科學(xué)，2007，32（1）：85.

［6］ 許培貞.高原機(jī)場的復(fù)雜天氣與飛行氣象服務(wù)［J］.空中交通管理，2004，（5）：165－166.

［7］ 張暉，趙穎，李雅靜.地震災(zāi)害快速評估結(jié)果檢索軟件設(shè)計［J］.華北地震科學(xué)，2012，30（4）：61－64.