無人機在應(yīng)對地震災(zāi)害方面的應(yīng)用及發(fā)展

王　林

無人機在應(yīng)對地震災(zāi)害方面的應(yīng)用及發(fā)展

王林

無人機地震救援應(yīng)用發(fā)展

地震是一種十分復(fù)雜且危害性極大的自然災(zāi)害。地震引發(fā)的海嘯、火災(zāi)、瘟疫和放射物擴散等災(zāi)害對于人類社會活動的威脅極大。加強地震監(jiān)測預(yù)防工作，提高災(zāi)后救援的準(zhǔn)確性和高效性，迫在眉睫。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，運用科學(xué)合理的救援方法、先進(jìn)的救援裝備實施有效的救援措施，營救幸存者，降低人民群眾財產(chǎn)損失，是地震救援的緊要任務(wù)。對于災(zāi)情嚴(yán)重、救援環(huán)境惡劣的情況，迅速實施救援困難極大，在某些環(huán)境中甚至?xí)＜暗骄仍藛T的生命安全。隨著多功能傳感器和航空遙感技術(shù)水平的不斷提高，無人機裝備配置的性能大幅提高。在汶川、雅安等地震救援中，通過無人機對受災(zāi)地區(qū)進(jìn)行地震數(shù)據(jù)收集、傳送和分析，合理部署救援方案，優(yōu)勢明顯。無人機在現(xiàn)代救援工作信息化建設(shè)廣泛應(yīng)用也推動了地震救援裝備的智能化、規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程。

1.無人機發(fā)展概況

1.1無人機發(fā)展簡介

無人駕駛飛機（即無人機，Unmanned Aerial Vehicles）是一種有動力、可控制、能攜帶多種設(shè)備、執(zhí)行多項任務(wù)，并可以重復(fù)使用的無人駕駛航空器[1]。無人機主要由飛行器、飛行控制系統(tǒng)、搭載裝備和搖桿傳感器組成，可實現(xiàn)影像實時拍攝傳輸、偵察和監(jiān)視、物資運輸投放、核輻射探測等功能。

無人機根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)可以分成以下幾種類型，根據(jù)外形尺寸分為：普通無人機、小型無人機、超小型無人機及微型無人機；根據(jù)飛行原理和氣動布局可分為：固定翼無人機、旋翼無人機和復(fù)合翼無人機；根據(jù)飛行控制方式不同，可分為無線電搖控、飛行控制器自主飛行、混合控制飛行等三種模式；根據(jù)用途可分為軍用與民用。

無人機最早源于軍事。第一次世界大戰(zhàn)期間，英國出于軍事作戰(zhàn)目的研制了第一架無人機，主要作為靶機用于軍事訓(xùn)練。20世紀(jì)后期，無人機機動性強、戰(zhàn)場適應(yīng)能力強、以及偵查范圍大等特點被廣泛重視，西方國家競相將高新技術(shù)應(yīng)用到無人機上。如X-36試驗型無尾無人戰(zhàn)斗機采用單通道數(shù)字飛行控制系統(tǒng)使飛機飛行時保持穩(wěn)定，其配備有威廉姆斯國際 F112渦扇發(fā)動機作為動力驅(qū)動。隨后無人機逐漸被應(yīng)用在越南戰(zhàn)爭、海灣戰(zhàn)爭和北約空襲南斯拉夫等戰(zhàn)役中。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著數(shù)字化、高精度和小型化新型傳感器的出現(xiàn)，無人機的研制推廣得到了進(jìn)一步發(fā)展。在國外，美國諾斯羅普·格魯曼公司研制的RQ-4A“全球鷹”配備有光電、紅外傳感系統(tǒng)和合成孔徑雷達(dá)，是世界上最先進(jìn)的無人機，“Northrop Grumman X-47B”無人機是人類歷史上第一架無需人工干預(yù)、完全由電腦操縱的“無尾翼、噴氣式無人駕駛飛機”，也是第一架可以從航空母艦上起飛并自行回落的隱形無人轟炸機（見圖1）。美國通用原子技術(shù)公司研制生產(chǎn)的Predator無人機裝有光電/紅外偵察設(shè)備、GPS導(dǎo)航設(shè)備和具有全天候偵察能力的合成孔徑雷達(dá)，在4000米高處分辨率為0.3米，對目標(biāo)定位精度0.25米，Reaper無人機裝備電子光學(xué)設(shè)備、紅外系統(tǒng)、微光電視和合成孔徑雷達(dá)，具有很強的ISR能力（見圖2）。以色列“銀箭”系統(tǒng)公司研制生產(chǎn)Hermes無人機在高空長航時方面優(yōu)勢明顯。此外，歐洲各國聯(lián)合研制的“神經(jīng)元”、“梭魚”、“雷神”，印度推出的“輝光”無人戰(zhàn)斗機，也都已廣泛應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)。在國內(nèi)，無人機研究也取得了一定的成果。如“翔龍”無人機、“暗劍”無人機、“刀鋒”、“WJ-600”、“翼龍”、“夜鷹”、“CH-3”等多種型號的無人機。近幾年，無人機因其研發(fā)成本低，機動性好，安全易操作等特點，在軍事作戰(zhàn)、農(nóng)業(yè)植保、快遞運輸、災(zāi)難救援、觀察野生動物、監(jiān)控傳染病、新聞報道、電力巡檢、影視拍攝等領(lǐng)域的也廣泛應(yīng)用[3]。

1.2無人機的特點

1.2.1機動性好，安全系數(shù)高

打開房門她剛要喊大狼時，她卻突然發(fā)現(xiàn)門口多了一雙女式紅鞋。她知道，這雙紅鞋絕對不是自己的。果然，一個女人慌慌張張地從臥室里出來，又慌慌張張地從她的身邊溜走了。

圖1　RQ-4A “全球鷹”

圖2　Predator無人機

無人機作為一種新型的航空技術(shù)，與傳統(tǒng)的有人駕駛飛機存在比較大的差異，無人機有體積比較小、操作靈活性比較好、攜帶方便、適用范圍比較廣、能夠在惡劣環(huán)境下工作等特點，能夠很好地適應(yīng)災(zāi)后破亂不堪的環(huán)境，具有較強的環(huán)境生存能力，工作過程中可以進(jìn)入救援人員無法達(dá)到的地方，很大程度上避免有人駕駛飛機直接偵查過程中對飛行員可能造成的危害。

1.2.2獲取災(zāi)區(qū)現(xiàn)場信息快速

無人機與遙感技術(shù)的結(jié)合稱為無人機遙感系統(tǒng)（UAV Remote Sensing System，UAVRSS)，即一種以無人機為平臺，以各種成像與非成像傳感器為主要載荷，獲取遙感影像、視頻等數(shù)據(jù)的無人航空遙感與攝影測量系統(tǒng)。當(dāng)無人機通過戰(zhàn)場環(huán)境或災(zāi)害救援現(xiàn)場進(jìn)行偵查，可以實時向指揮中心提供全面詳細(xì)的影像數(shù)據(jù)，有利于合理部署作戰(zhàn)任務(wù)和減小救援人員遭受傷害。

1.2.3結(jié)構(gòu)調(diào)整方便，應(yīng)用范圍廣

無人機上可以隨時裝卸各種功能的傳感器，實現(xiàn)相應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用。無人機可以根據(jù)救援需要配備CCD 數(shù)碼相機、輕型光學(xué)相機、多光譜成像儀、紅外掃描儀、激光掃描儀(Lidar)、磁測儀、合成孔徑雷達(dá)(InSAR)、高清攝像等設(shè)備，通過簡單機械固定就可實現(xiàn)，縮短研制周期，降低生產(chǎn)成本。

綜上所述，無人機技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)、城市管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、地質(zhì)勘探、氣象預(yù)報、搶險救災(zāi)、視頻拍攝等行業(yè)。本文主要探究無人機在抗震救災(zāi)中的使用。

2.無人機在地震救援中的應(yīng)用

2.1無人機應(yīng)用概述

無人機與遙感技術(shù)的結(jié)合, 即無人機遙感, 是利用先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS 差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，快速獲取國土、資源、環(huán)境等的空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析能力的應(yīng)用技術(shù)?；跓o人機遙感系統(tǒng)的無人機救援已廣泛應(yīng)用于山洪、泥石流、火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害，其中在地震救援中的應(yīng)用是較為典型[4]。地震救援進(jìn)行過程中，時間緊迫，救援環(huán)境惡劣，危險性高，救援人員必須把握好黃金72h救援時間，實施快速有效的救援行動。無人機在震災(zāi)救援過程中，可以及時為救援指揮中心動態(tài)提供房屋損毀倒塌信息、道路橋梁通暢信息、搜救人員地面線路信息、災(zāi)區(qū)排查輔助評估信息、救援人員現(xiàn)場作業(yè)信息，協(xié)助完成危樓建筑排查工作。具有良好的機動性，適應(yīng)性，靈活性，在震前監(jiān)測，震后救援都發(fā)揮著重要作用[5]。

2.2無人機在地震災(zāi)害中的應(yīng)用

2.2.1地震災(zāi)害監(jiān)測預(yù)防

無人機技術(shù)的應(yīng)用可以為地震災(zāi)害預(yù)測工作提供大量的數(shù)據(jù)資料，為地震災(zāi)害監(jiān)測預(yù)防創(chuàng)造了良好的條件，對于地震災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)防的準(zhǔn)確性、可靠性提供了堅實的保障。無人機可以進(jìn)行無人低空航攝，對于地震頻發(fā)的地帶，通過無人機進(jìn)行地勢地貌勘察、開展危險區(qū)域建筑物基礎(chǔ)資料調(diào)查，然后通過專業(yè)人員研究分析，建立系統(tǒng)完善的地理信息系統(tǒng)，為地震災(zāi)害監(jiān)測預(yù)防提供可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，其工作效率和實施工作的可能性是人工技術(shù)無法比及的，對于震后救援工作順利開展意義重大。

2.2.2災(zāi)區(qū)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測

災(zāi)后救援的首要工作就是實時收集災(zāi)區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，制定合理的救援方案。地震發(fā)生以后，受災(zāi)地區(qū)的地貌發(fā)生巨大變化，余震頻繁發(fā)生。山體滑坡、泥石流和河流堵塞等造成的建筑、公路、橋梁等的變化，普通救援方式對災(zāi)情的實時監(jiān)測十分困難。無人機能夠不受地面狀況的限制迅速到達(dá)惡劣的環(huán)境和地區(qū)，利用搭載高分辨率面陣CCD 數(shù)碼相機與GPS 定位、輔助導(dǎo)航定位、無人機飛行姿態(tài)、成像傳感器等，記錄下現(xiàn)場受災(zāi)狀況和圖像信息。應(yīng)用抗干擾編碼技術(shù)，通過寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)，將無人機采集的數(shù)據(jù)信息實時下傳至救援指揮中心。無人機的遙感影像能客觀直白地記錄災(zāi)情狀況，有利于快速制定科學(xué)合理的救災(zāi)計劃。另外還能實時監(jiān)督救災(zāi)進(jìn)程，監(jiān)視突發(fā)狀況。2015年4月30日，尼泊爾一帶發(fā)生8.1級強烈地震，由于尼泊爾直升機數(shù)量較少，無人機能夠比較好地完成數(shù)據(jù)收集的任務(wù)，很大程度地彌補沒有直升機的缺陷。在這場抗震救災(zāi)中，無人機在視頻拍攝、物資運輸、架設(shè)電線以及數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

2.2.3災(zāi)后的初步搜索救援

震后救援的主要任務(wù)就是迅速獲取災(zāi)區(qū)的災(zāi)情信息，妥善部署救援方案，有序組織救援行動。震后，災(zāi)區(qū)房屋倒塌、道路損毀、通訊中斷，救援人員進(jìn)入重災(zāi)區(qū)十分困難，無人機對災(zāi)后地區(qū)進(jìn)行初步搜索，如對無人機搭載通訊中繼設(shè)備，快速為災(zāi)區(qū)構(gòu)建局部通訊網(wǎng)絡(luò)，以滿足災(zāi)區(qū)臨時應(yīng)急任務(wù)；搭載照明設(shè)備，可用于夜間廢墟搜索營救照明；搭載小型醫(yī)療急救包、應(yīng)急救援設(shè)備、小量食品進(jìn)行定點投擲，為醫(yī)療小分隊和被困災(zāi)民投送急需物品；搭載消毒試劑對災(zāi)區(qū)空氣和地表進(jìn)行快速高效殺菌為災(zāi)區(qū)防疫防病服務(wù)等，最大程度地減小人民群眾的生命財產(chǎn)損失。2016年2月發(fā)生在臺灣高雄的6.7級地震，由于地震發(fā)生在地形復(fù)雜的城市市區(qū)，搜救人員借助無人低空機航拍視頻更清晰地了解到災(zāi)難現(xiàn)場，并投擲大量食品和簡單的醫(yī)護(hù)物品，整個搜救行動有條不紊，效率明顯提升。無人機還可以進(jìn)入一些救援人員無法進(jìn)入的地區(qū)實施探察救援，如核輻射、火山災(zāi)害和泥石流的區(qū)域。2011年日本9.0大地震，地震引發(fā)核泄漏事故，災(zāi)區(qū)核輻射極大，救援人員根本無法進(jìn)入反應(yīng)堆內(nèi)查看，美國軍方迅速派出全球鷹無人偵察機對核電站進(jìn)行近距離偵查，了解核反應(yīng)堆的受損情況，并派出搭載測輻傳感器的微型無人機，監(jiān)測和檢查福島核電站核燃料池附近的輻射水平，為救援搶救人員進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場做好充分的準(zhǔn)備。

2.2.4震后災(zāi)情的評估

無人機最大的優(yōu)勢就是可以在惡劣的自然條件下，利用簡單條件就可以進(jìn)行低空航拍，獲取真實影像數(shù)據(jù)。在災(zāi)后恢復(fù)重建應(yīng)急測繪保障中，無人機持續(xù)開展影像獲取，為災(zāi)后恢復(fù)重建順利開展提供了基礎(chǔ)性、先行性數(shù)據(jù)保障，可快速提供資源環(huán)境承載力評價專用圖、災(zāi)后損失評估專題圖和災(zāi)后重建規(guī)劃專用地形圖等。無人機攝影圖和航拍繪制的地形圖像可以使得國家職能部門更直觀、更快速地進(jìn)行災(zāi)后災(zāi)害評估，獲得及時準(zhǔn)確的災(zāi)區(qū)情況，為相關(guān)部門提供決策參考依據(jù)，便于災(zāi)后地區(qū)的重建規(guī)劃和建設(shè)。同時無人機技術(shù)應(yīng)用為減災(zāi)預(yù)警工作提供了大量可靠全面數(shù)據(jù)，健全了我國災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，對日后災(zāi)情的預(yù)防提供真實可靠的借鑒。2010年4月，青海玉樹7.1級地震，青海省第二測繪院采用LT150-M 無人機對玉樹地區(qū)進(jìn)行震后測繪，并為災(zāi)后重建后的地形地貌和建設(shè)項目進(jìn)行了低空航攝工作。

3.無人機地震救援案例

3.1汶川地震救援

2008 年5月12日，四川省汶川發(fā)生8.0 級大地震，地震造成69195人遇難，374177人受傷，失蹤18392人，地震造成大量房屋倒塌、道路橋梁嚴(yán)重?fù)p壞、通訊系統(tǒng)癱瘓。余震不斷，同時伴隨著山體滑坡、泥石流、以及地面塌陷等次生地質(zhì)災(zāi)害，救援行動異常艱難。國家減災(zāi)中心及時派出多型無人機進(jìn)入災(zāi)區(qū)進(jìn)行災(zāi)情調(diào)查、滑坡動態(tài)監(jiān)測、房屋和道路損害情況評估、救災(zāi)效果評價等?！扒Ю镅邸睙o人機對受災(zāi)最為嚴(yán)重的北川地區(qū)進(jìn)行實時監(jiān)測，對縣城的整體狀況實施航拍，相關(guān)的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過衛(wèi)星傳輸?shù)骄仍芾碇行?，對于救援工作的順利開展做出了重要的貢獻(xiàn)，同時這些數(shù)據(jù)也被傳送到各大媒體，使普通的群眾及時地了解災(zāi)區(qū)的狀況，使整個社會都團(tuán)結(jié)在一起，共同應(yīng)對災(zāi)難。此外，我國的國家武器工業(yè)集團(tuán)研發(fā)的“華鷹”無人機、西安大地測繪工程公司的微型無人機等也在這次的救援工作中做出了重大的貢獻(xiàn)，成為我國地震救援無人機使用技術(shù)的真實戰(zhàn)例。此外，MRS-D14與MRS-016微型無人機、“飛象一號”小型低空遙感無人機、TF-7測繪無人機等在地震救援過程中也有應(yīng)用[6]。汶川地震時，參與救援的無人機多是從遙感遙測、搜毒等其他用途臨時轉(zhuǎn)到救援工作上，作為衛(wèi)星、航拍的補充。

3.2雅安地震救援

2013年4月20日，四川省雅安市蘆山縣發(fā)生7.0級強烈地震。四川測繪地理信息局利用無人機測繪技術(shù)，為各級抗震救災(zāi)指揮部，參與抗震救災(zāi)的武警、解放軍及專業(yè)救援隊伍等提供了測繪應(yīng)急保障服務(wù)和技術(shù)支撐。在抗震救災(zāi)期間，開展無人機航飛12架次，獲取地震災(zāi)區(qū)0.05～0.3 m分辨率無人機影像222.5km2，第一時間實現(xiàn)了地震災(zāi)區(qū)高分辨率影像全覆蓋。測繪保障工作貫穿搶險救援、過渡安置、損失評估、災(zāi)后重建各個階段，發(fā)揮了不可替代的先行保障作用?？拐鹁葹?zāi)應(yīng)急救援階段，四川省應(yīng)急測繪保障中心震后半小時集結(jié)應(yīng)急測繪保障隊伍，派出無人機和移動測量應(yīng)急分隊前往災(zāi)區(qū)一線，震后7 h 成功獲取地震災(zāi)區(qū)第一批無人機影像并制作影像圖，為抗震救災(zāi)研判災(zāi)情、決策部署、指揮救援提供了及時可靠的測繪地理信息保障。中國地震應(yīng)急搜救中心派出自行研發(fā)的救援無人機，配合國家地震救援隊開展了現(xiàn)場救援行動，實時為國家地震緊急救援隊提供房屋倒塌、道路橋梁暢通、危險廢墟搜索的影像信息等決策依據(jù)，使救援隊有針對性地調(diào)度和部署救援力量，提高了工作效率。這些信息也同時提供給了當(dāng)?shù)卣?，為地方政府的抗震救?zāi)指揮決策提供了科學(xué)依據(jù)[7]。參加救援的還有，中國人保四川分公司的中國人保號航拍無人機，成都市民彭希果的無人機，易瓦特公司的八旋翼無人機和螺旋翼無人直升機，中國國家測繪地理信息局5架無人機，廈門美亞柏科公司的固定翼無人機和六旋翼無人機，武漢智能鳥無人機，國家地震災(zāi)害緊急救援隊的旋翼無人機等對災(zāi)區(qū)地形地貌、受損情況進(jìn)行空中排查。十三集團(tuán)軍某特種作戰(zhàn)旅偵察分隊攜帶無人機，搭乘直升機直抵災(zāi)區(qū)震中太平鎮(zhèn)救援。中國航天科工三院研制的海鷹HW-200B無人機在震后急赴震區(qū)航拍。海軍某飛行團(tuán)使用遙感飛機參與救援[8,9,10]。

4.展望

目前，無人機技術(shù)已初步實現(xiàn)了對災(zāi)區(qū)進(jìn)行實時圖像拍攝、地形地勢勘探、關(guān)鍵物資運輸?shù)然竟δ?。但在實際應(yīng)用過程中，無人機還需要在以下幾方面進(jìn)行探索、優(yōu)化：（1）無人機的續(xù)航能力是判斷其穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，目前，無人機大部分采用鋰蓄電池，其續(xù)航能力有所限制，未來應(yīng)該尋求更清潔、高能的動力源，例如氫燃料電池、太陽能電池等；（2）遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用為精確獲得災(zāi)區(qū)災(zāi)情提供了有力支持。無人機遙感圖像數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，未來應(yīng)深入研究優(yōu)化遙感系統(tǒng)的后處理方法，采用合理的方式糾正主要處理數(shù)碼相機鏡頭非線性畸變與飛行器姿態(tài)變化引起的圖像旋轉(zhuǎn)和投影變形，準(zhǔn)確獲得災(zāi)情信息；（3）加強無人機集群化協(xié)作平臺建設(shè)，構(gòu)建完備的救援系統(tǒng)平臺，使單體無人機在配備裝備方面能夠與群體配備裝備相互協(xié)同，使救援工作高效進(jìn)展；（4）救災(zāi)過程中，無人機搭載的救援設(shè)備功能不夠全面，功能單一。未來應(yīng)著重研發(fā)小型化傳感器、救援裝備和遙感系統(tǒng)等，實現(xiàn)無人機多功能集成救援，例如可以進(jìn)行超低空飛行，空、陸雙棲模式，進(jìn)行生命體檢測識別和簡易醫(yī)療救援等功能。

5.結(jié)論

自然災(zāi)害隨時隨刻都可能發(fā)生。當(dāng)災(zāi)害發(fā)生以后，救援部門準(zhǔn)確掌握災(zāi)情狀況，采取合理的救援方式、正確的救援方案非常重要，無人機具有的快速機動性、自身重量小、飛行面積廣、飛行時間長、耗資低、無人員危險、可在惡劣條件下工作等特點，滿足了各類應(yīng)急測繪和精準(zhǔn)測繪需求，促進(jìn)了救援工作高效展開，減少人民財產(chǎn)損失，保證了受災(zāi)地區(qū)的災(zāi)后重建工作順利進(jìn)行。

作者單位：新疆消防總隊烏魯木齊支隊

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