無人機遙感在臺風災害調(diào)查中的應用

王衍，洪海凌，王同行，王芬

(海南省海洋監(jiān)測預報中心 ?？?570204)

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無人機遙感在臺風災害調(diào)查中的應用

王衍，洪海凌，王同行，王芬

(海南省海洋監(jiān)測預報中心 ?？?570204)

文章以2014年1409號臺風“威馬遜”過后對海南文昌翁田、鋪前一帶臺風登陸點的海岸帶破壞情況調(diào)查監(jiān)測過程為依據(jù)，介紹了無人機遙感的組成、優(yōu)勢，以及無人機遙感數(shù)據(jù)的獲取和處理的監(jiān)測過程。監(jiān)測結(jié)果表明：臺風過后基巖岸線沒有明顯的特征變化,但砂質(zhì)岸線部分出現(xiàn)了明顯侵蝕，沿岸防風林受損嚴重，局部防風林后退嚴重。

無人機；遙感；海域岸線；監(jiān)測

1 引言

海南島面向開闊的南海海域，屬于熱帶季風氣候，全年長夏無冬，主要自然災害以熱帶氣旋(臺風)、暴雨、干旱、冰雹、龍卷風為主。其中臺風是影響海南島的主要自然災害，主要集中在5—11月，是臺風登陸較多的省份之一。臺風過后，通常會造成重災區(qū)交通道路中斷和通信設施、電力設施等遭到破壞，在災害監(jiān)測與災后評估中，災害勘查與救援人員往往受制于災區(qū)環(huán)境條件所限，無法及時抵達重災區(qū)，如何及時取得災害信息及對災情評估成為迫切需要解決的問題。

而無人機遙感系統(tǒng)具有機動靈活、易于起降、不受交通、通信等限制，可云下飛行、低空大比例尺制圖、地面運輸方便、小區(qū)域(200 km2以內(nèi))高分辨率(優(yōu)于0.1 m)遙感數(shù)據(jù)獲取效率高等技術(shù)特點[1]。因此，無人機遙感系統(tǒng)在災情監(jiān)測與評估中具無可比擬的優(yōu)勢。

2014年7月18日超強臺風“威馬遜”(1409號)在海南文昌市翁田、鋪前一帶沿海登陸，登陸時中心附近風力達17級。根據(jù)海南省防汛防風防旱總指揮部發(fā)布的消息，超強臺風“威馬遜”給海南省造成了巨大損失，據(jù)初步統(tǒng)計，全省有18個市縣216個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)受災，受災人口325.8萬人，共撤離和轉(zhuǎn)移安置38.6萬人，受災農(nóng)作物面積162 970 hm2，倒塌房屋23 163間，直接經(jīng)濟損失119.5億元。因災死亡25人，失蹤6人。

臺風過后，為了能迅速把沿岸海域岸線破壞狀況、交通運輸狀況等信息提供給各級抗災指揮機關(guān)，為搶險救災決策提供準確依據(jù)，海南省海洋監(jiān)測預報中心作為國家級海域無人機遙感監(jiān)視監(jiān)測基地建設單位，針對此次1409號超強臺風迅速做出反應，積極與軍、民航空管部門協(xié)調(diào)空域，簽訂了《空中防相撞安全保障協(xié)議》。 7月24日至8月1日海南省海洋監(jiān)測預報中心組織無人機作業(yè)隊對此次受災嚴重的文昌翁田鎮(zhèn)沿海、鋪前港、東寨港開展了無人機遙感岸線破壞情況監(jiān)測、評估與調(diào)查。通過對大量現(xiàn)勢遙感影像的快速處理與對比分析，短時間內(nèi)獲得了災區(qū)海域岸線破壞情況的初步評價結(jié)果，為減災救災科學決策與指揮提供了更加客觀、及時、全面的災情信息，大大提高了減災效果，提升了災害現(xiàn)場勘查能力。

2 無人機遙感系統(tǒng)的組成與優(yōu)勢

2.1 無人機遙感的組成

無人機遙感系統(tǒng)一般由無人機遙感平臺、飛行控制系統(tǒng)、地面接收控制系統(tǒng)、無人機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和應用分析系統(tǒng)等幾部分組成。無人機遙感平臺主要由飛行控制單元、穩(wěn)定控制云臺、無線通信單元、GPS 單元、姿態(tài)測量單元和任務傳感器等部分組成[2](圖1)。

圖1 無人機遙感的組成

飛行控制系統(tǒng)采用氣壓定高和 GPS 自主導航，可按地面站設定的航線傳輸?shù)斤w控系統(tǒng)，飛機在天上按規(guī)劃航線飛行，飛行中可隨時切換遙控飛行狀態(tài)或自主飛行狀態(tài)；地面控制系統(tǒng)主要是無人機飛行前進行任務航路規(guī)劃，在無人機飛行過程中顯示飛行區(qū)域的航跡、飛機的姿態(tài)航向參數(shù)、電子地圖、飛行參數(shù)，實時下傳并記錄飛行中所有飛行參數(shù)和導航數(shù)據(jù)。通過航跡規(guī)劃和路徑調(diào)整進行各種任務的控制執(zhí)行。無人機數(shù)據(jù)處理和應用分析系統(tǒng)主要是對采集到的影像進行快速拼接、空三加密、數(shù)字高程模型(digital dlevation model,DEM)與正射影像生成及影像判別、信息提取、專題圖制作等[3]。

2.2 無人機遙感的優(yōu)勢

無人機與有人飛機、衛(wèi)星等飛行器相比較，有著不可代替的優(yōu)勢。

(1)無人機操作簡單、飛行準備時間短、飛行高度低，與有人機對比降低了對環(huán)境條件的限制，可迅速到達監(jiān)測區(qū)附近設站。

(2)無人機購置費用低，維護使用成本低、無人機對操作員的培養(yǎng)周期相對較短。

(3)無人機可以為多種小型遙感傳感器提供良好的搭載平臺，如熱成像儀、探地雷達、合成孔徑雷達、激光SAR、氣象傳感器等，以滿足多種快速監(jiān)測所需。

(4)無人機可獲取超高分辨率數(shù)字影像及定位數(shù)據(jù)，可針對特殊監(jiān)測目標搭載單波段、多波段、全色波段等傳感器，具備面積覆蓋、垂直或傾斜成像的技術(shù)能力，獲取圖像的空間分辨率可達到厘米級[4]。

3 無人機遙感在海域岸線監(jiān)測中的應用

3.1 數(shù)據(jù)獲取

本次無人機災害調(diào)查航拍所采用的無人機是北京安翔動力科技有限公司生產(chǎn)的“單兵一號”型固定翼電動無人機，搭載的可見光攝像設備為經(jīng)過檢定校準的索尼NEX-7型相機，飛行作業(yè)高度為400 m，獲取影像空間分辨率0.1 m，采用PIX4D-MAPPER作為無人機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)對無人機數(shù)據(jù)的空三加密、DEM與正射影像生成。航向重疊度為60%～80%，旁向重疊度為65%～80%，航線像片姿態(tài)旋偏角不大于8°，傾角不大于2°(表1)。

表1 “單兵一號”無人機參數(shù)

根據(jù)2014年1409號“威馬遜”臺風路徑、風圈半徑及初步災害調(diào)查結(jié)果，確定了本次無人機調(diào)查范圍(表2) 共3個區(qū)域205 km2，獲取影像4 214張，布設像控點26個。

表2 無人機航拍范圍區(qū)域

3.2 無人機數(shù)據(jù)處理

(1)無人機數(shù)據(jù)的處理應包括原始影像數(shù)據(jù)、相機檢校文件、飛行控制資料、航線結(jié)合表(航線索引圖，包括飛行信息)等。

(2)相機檢校文件包括：相機像主點坐標、像元大小、相機焦距、徑向畸變差系數(shù)(K1、K2)、切向畸變差系數(shù)(P1、P2)、CCD非正方形比例系數(shù)α、CCD非正交性的畸變系數(shù)β、像方坐標系等(其單位為像素或毫米)。

(3)飛行控制資料包括：測區(qū)控制點、控制點坐標文件(包括平面坐標與高程坐標)等。

(4)航線結(jié)合表包括：航線索引圖、飛行方向及飛行架次等(詳見圖2無人機數(shù)據(jù)處理流程)。

(5)將機載POS數(shù)據(jù)導入遙感影像處理軟件，讀取作業(yè)區(qū)域內(nèi)經(jīng)度、緯度、飛行高度信息，呈現(xiàn)作業(yè)區(qū)域內(nèi)實際飛行航線軌跡，加載現(xiàn)場測量的地面控制點校正影像精度，拼接后獲取本作業(yè)區(qū)域內(nèi)高清正射遙感影像圖。

圖2 無人機數(shù)據(jù)處理流程

4 無人機遙感監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 文昌市鋪前鎮(zhèn)木蘭頭一帶岸線影響分析

在計算機成圖軟件里將2014年7月獲取的0.1 m精度的無人機遙感圖與2013年4月獲取2.5 m分辨率衛(wèi)星影像圖對比分析，該區(qū)域主要由基巖和砂質(zhì)岸線構(gòu)成，基巖岸線沒有明顯的特征變化,但砂質(zhì)岸線部分出現(xiàn)了明顯侵蝕，從無人機影響影像圖可以分辨，沿岸防風林受損嚴重，無人機影像圖上大面積的土黃色區(qū)域為防風林折斷死亡枯萎形成。

4.2 文昌市鋪前鎮(zhèn)新埠村一帶岸線影響分析

該區(qū)域以砂質(zhì)岸線為主，在計算機成圖軟件里將“海南海岸線”、2014年7月獲取的0.1 m精度的無人機遙感圖、2013年4月獲取2.5 m分辨率衛(wèi)星影像圖進行對比測算判讀分析，2013年4月防風林與海南海岸線之間的岸灘面積為2.631 2 hm2，而2014年7月防風林與海南海岸線之間的岸灘面積為3.289 4 hm2，防風林后退了近10 m。

4.3 文昌市翁田鎮(zhèn)抱虎角一帶海岸影像分析

該區(qū)域主要以砂紙岸線為主，靠近岸線分布了很多蝦塘和魚塘，從2013年4月獲取的2.5 m分辨率衛(wèi)星遙感圖可以判讀，岸線周邊種植了大面積的防風林，但從2014年7月的無人機遙感圖分析，防風林已基本折斷死亡枯萎，水產(chǎn)養(yǎng)殖場也受損嚴重。

4.4 對紅樹林的影響

通過無人機影像進行判讀，?？谑斜备蹗u紅樹林有明顯的被風暴潮淹沒的痕跡，島內(nèi)防風林大面積折斷死亡，?？谑斜备蹗u紅樹林受風暴潮增水影響，受損區(qū)域面積達3.612 8 hm2。

5 結(jié)束語

無人機遙感系統(tǒng)作為衛(wèi)星遙感和載人航空遙感的有效補充手段，具有實時性強、靈活方便、空間分辨率高、受環(huán)境條件限制少、低空云下作業(yè)的優(yōu)點，將其應用于自然災害應急救援具有廣闊的發(fā)展空間和應用前景。本次臺風過后對海域岸線破壞情況的監(jiān)測屬于海南省的首例，對于災后評估發(fā)揮了重要作用，但也存在著諸多技術(shù)難點，建議在以下方面予以改進。

(1)無人機系統(tǒng)在海洋應用中的安全可靠性存在難點。海南省的海洋監(jiān)測無人機平臺基本由陸地無人機監(jiān)測系統(tǒng)移植而來，但海洋環(huán)境與陸地不同，海洋環(huán)境風力大，對海域作業(yè)無人機飛行姿態(tài)影響較大，目前缺少針對海洋特殊應用環(huán)境開展的針對性研究和應用范例，此次開展臺風災害調(diào)查，雖然前期做了詳細的方案，但在實施過程中仍是摸著石頭過河。

(2)獲取高質(zhì)量的海域無人機遙感數(shù)據(jù)存在難點。目前海域無人機監(jiān)測技術(shù)應用還屬于探索階段，沒有建立起完善的作業(yè)和安全管理標準，無人機作業(yè)飛行和任務載荷配置等多按之前積累的一些經(jīng)驗進行操作，容易導致無人機系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量不統(tǒng)一，一次性獲取合格影響的難度較大。

(3)無人機海域大傾角影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)存在難點。由于海面風力較大且不穩(wěn)定，無人機體積小、載重量輕，無法使用專業(yè)航空相機、姿態(tài)記錄儀和穩(wěn)定平臺等輔助設備，致使拍攝姿態(tài)不穩(wěn)，所得圖像的畸變較大，相關(guān)參數(shù)少，導致后期圖像處理很困難[5]。今后，在載荷允許情況下攜帶專業(yè)航空攝影機、姿態(tài)記錄儀和穩(wěn)定平臺等輔助設備，減輕后期影像處理的難度。

(4)飛行場地難以選擇。由于無人機作業(yè)的特殊性，需要絕對的凈空和良好的飛行降落場地，但海邊作業(yè)不比陸地，海邊沒有平整場地并且種有高大濃密的防風林，這對于良好的飛行場地選擇和飛控手的技術(shù)操控提出很高的要求。

[1] 李德仁，李明.無人機遙感系統(tǒng)的研究進展與應用前景[J].武漢大學學報，2014， 39(5): 505-540.

[2] FAHLSTROM P G，GLEASON T J.無人機系統(tǒng)導論[M]2版.吳漢平，邵國培，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2003: 13.

[3] 法斯多姆.無人機系統(tǒng)導論[M]2版.吳漢平,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2003:13.

[4] 王芳，宋士林，葛清忠.無人機在海洋調(diào)查中的應用前景展望[J].海洋開發(fā)與管理，2013 ,30(2):44-45.

[5] 李珊珊，苑文穎，宮輝力,等.無人機遙感系統(tǒng)在災害損失實物量評估中的應用[J].測繪科學，2013，38(6): 76-78.

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