無人機(jī)遙感技術(shù)系統(tǒng)在遼寧地震應(yīng)急中的應(yīng)用研究

于 浩，侯作亮，馮 石，王萬寧，趙明朝

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

無人機(jī)遙感技術(shù)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)完成自動化、智能化、專業(yè)化快速獲取國土、資源和環(huán)境等空間遙感信息，實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的一門應(yīng)用技術(shù)。當(dāng)前，無人機(jī)遙感系統(tǒng)作為衛(wèi)星遙感不可或缺的補(bǔ)充手段，成功彌補(bǔ)了衛(wèi)星光學(xué)遙感和航空攝影經(jīng)常受外因?qū)е碌挠跋竦娜毕輪栴}，具有應(yīng)用范圍廣、作業(yè)成本低、生產(chǎn)周期短、圖像分辨率高等特點(diǎn)。隨著無人機(jī)設(shè)備、任務(wù)載荷、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)遙感技術(shù)對快速獲取高空間分辨率影像已具備了明顯的優(yōu)勢，在災(zāi)害應(yīng)急處理、震后數(shù)據(jù)監(jiān)測和智慧城市建設(shè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

截至目前，全國地震系統(tǒng)16 家單位采購無人機(jī)并開展了無人機(jī)災(zāi)情獲取系統(tǒng)的運(yùn)維工作，部分省局基于地震應(yīng)急響應(yīng)級別制定了無人機(jī)地震應(yīng)急響應(yīng)模式，建立了應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，發(fā)展迅速。特別是近幾年的危險(xiǎn)區(qū)調(diào)研工作中，無人機(jī)災(zāi)情獲取的應(yīng)用獲得了非常好的效果，在汶川地震、蘆山地震等歷次地震應(yīng)急和危險(xiǎn)區(qū)調(diào)研中發(fā)揮了巨大作用?？梢哉f遙感技術(shù)在地震領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛。

1 無人機(jī)遙感技術(shù)系統(tǒng)在地震應(yīng)急中的技術(shù)優(yōu)勢

1.1 靈活機(jī)動、運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定、時(shí)效性強(qiáng)

破壞性地震發(fā)生后，受地震影響飛行區(qū)域通常難以保證穩(wěn)定的電力、通訊、網(wǎng)絡(luò)和道路暢通，而無人機(jī)對這些條件的依賴度相對較低，不需要特定的場地和道路條件，靈活機(jī)動，便于現(xiàn)場工作人員攜帶并迅速開展災(zāi)情獲取工作，可以大大的提高應(yīng)急工作的時(shí)效性。無人機(jī)對通訊和網(wǎng)絡(luò)的依賴度也很低，無人機(jī)的控制信號只與地面手持終端的發(fā)射功率有關(guān)，與移動或聯(lián)通等通訊及網(wǎng)絡(luò)信號無關(guān)，可以在較為偏遠(yuǎn)地區(qū)開展任務(wù)飛行工作，同時(shí)利用無人機(jī)遙感技術(shù)系統(tǒng)平臺建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)災(zāi)區(qū)影像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)直播、傳輸。高時(shí)效性的數(shù)據(jù)不僅可以作為領(lǐng)導(dǎo)對災(zāi)害程度作出判斷和決策的依據(jù)，還可作為震后災(zāi)情評估、震后重建規(guī)劃依據(jù)[2-3]。

1.2 覆蓋范圍廣、精度高、擴(kuò)展性強(qiáng)

無人機(jī)遙感具有大面積巡查特點(diǎn)，電源充足的條件下，足以保障大面積長時(shí)航多架次的飛行工作，大大減少人員的體力消耗、節(jié)省物力財(cái)力，適用于地震應(yīng)急危險(xiǎn)區(qū)調(diào)研等特殊工作任務(wù)。其次無人機(jī)可快速獲取高精度定位數(shù)據(jù)和厘米級的高空間分辨率圖像，通過對高分影像的震害識別分析，有利于對災(zāi)害程度作出正確的評估與判斷，科學(xué)合理的制定救援方案，組織相應(yīng)的人力、財(cái)力、物力投入，避免抗震救災(zāi)工作的盲目性。此外，隨著更為豐富的無人機(jī)載荷設(shè)備如傾斜相機(jī)、LIDAR 的廣泛應(yīng)用，無人機(jī)影像可以提供更為豐富的震害細(xì)節(jié)信息，這會大大的降低單體建筑震害識別與震害烈度誤判的概率。

在給水系統(tǒng)中，管材承擔(dān)著輸配水的任務(wù)，將水從水源輸送到水處理設(shè)施，又從水處理設(shè)施輸送和配給到用戶。其選用不僅涉及給水的壓力和流量，還涉及給水的水質(zhì)狀況。根據(jù)調(diào)查情況分析，各地農(nóng)村飲水安全工程建設(shè)中，管材的選用均能做到統(tǒng)籌考慮水力條件和衛(wèi)生要求，對于大中規(guī)模的工程，一般能夠做到管材的選用經(jīng)濟(jì)合理。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)系統(tǒng)組成

地面監(jiān)控系統(tǒng)包括航線規(guī)劃系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收解壓縮與實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)。飛控與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與地面便攜式計(jì)算機(jī)匹配使用。其主要的功能是根據(jù)各系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)及任務(wù)載荷的監(jiān)測與控制，同步獲取航測實(shí)時(shí)影像與POS 數(shù)據(jù)、飛行姿態(tài)等主要參數(shù)。完成對目標(biāo)區(qū)域的精確控制與覆蓋。

由圖一可以看出許鈞對翻譯學(xué)的研究主要始于20世紀(jì)80年代，這一時(shí)期，我國引進(jìn)了許多西方優(yōu)秀的教育著作，促使許多譯者致力于著作的翻譯工作，自然也引出了翻譯學(xué)的研究。可以看出1987-1900年，許鈞對翻譯研究的發(fā)文總量每年平均只有1篇。1991-1993年，其發(fā)文量突然上升，到了1995-1996年間，最高每年發(fā)文達(dá)到7篇之多。21世紀(jì)受“走出去”政策的影響他對翻譯學(xué)科的研究也活躍起來，幾乎保持在平均每年3-4篇左右。

因?yàn)榧‰娢桓蓴_引發(fā)心房過感知會導(dǎo)致起搏器的起搏頻率變快，致使起搏器的起搏周期并不等長。置入DDD型起搏器的患者出現(xiàn)心房過感知，通過對患者開展動態(tài)心電圖檢測，予以體外程控對患者的心房感知相關(guān)靈敏性予以調(diào)節(jié)，予以患者動態(tài)心電圖復(fù)查后，其心房過感知狀況會明顯減少。

圖1 無人機(jī)遙感技術(shù)系統(tǒng)Fig.1 UAV remote sensing technology system

2.1 無人機(jī)平臺

數(shù)據(jù)處理平臺包括計(jì)算機(jī)機(jī)群運(yùn)算硬件平臺、數(shù)據(jù)處理軟件平臺。其主要的功能是對無人機(jī)災(zāi)情獲取的影像進(jìn)行震害識別、分析處理，完善數(shù)據(jù)與災(zāi)情評估。提高數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值。目前國內(nèi)外主流的無人機(jī)遙感處理軟件有smart3D、pix4D、DP-gird、photoscan、ENVI等，這些軟件可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)定向、空三加密、生成點(diǎn)云模型、幾何修正、分類提取等工作。針對地震應(yīng)急需求可以開發(fā)專用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)處理速度與產(chǎn)出精度。

2.2 地面監(jiān)控系統(tǒng)

無人機(jī)遙感技術(shù)系統(tǒng)包括：無人機(jī)平臺、地面監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理平臺及其他附屬設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的任務(wù)需求，選擇合適的無人機(jī)平臺和任務(wù)載荷。無人機(jī)遙感技術(shù)系統(tǒng)一般組成及連接原理見圖1。

2.3 數(shù)據(jù)處理平臺

無人機(jī)平臺包括無人機(jī)硬件設(shè)備及任務(wù)載荷、傳感器子系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)。其主要的功能是根據(jù)不同的任務(wù)需求搭配任務(wù)載荷執(zhí)行飛行任務(wù)。滿足地震應(yīng)急需求的常用無人機(jī)機(jī)型分固定翼和多旋翼無人機(jī)，固定翼無人機(jī)適合大范圍航拍工作，續(xù)航時(shí)間長，飛行架次少，多旋翼無人機(jī)適合小范圍、高精度的調(diào)查工作。適合后期建模分析。常用的任務(wù)載荷包括傾斜相機(jī)、激光雷達(dá)等，任務(wù)載荷的性能直接影響航拍影像質(zhì)量與精度，但須綜合考慮成本、重量問題。

3 無人機(jī)應(yīng)對地震應(yīng)急的工作流程

破壞性地震發(fā)生后，根據(jù)無人機(jī)應(yīng)急相應(yīng)級別制定無人機(jī)應(yīng)急響應(yīng)方案，開展無人機(jī)遙感技術(shù)系統(tǒng)工作。現(xiàn)場無人機(jī)作業(yè)同步開展災(zāi)情影像實(shí)時(shí)傳輸和災(zāi)情影像獲取工作，通過實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)解壓縮系統(tǒng)將實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)傳給后方指揮部開展指揮決策工作。完成無人機(jī)作業(yè)后開展數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，完成DEM、DOM 數(shù)據(jù)整合。利用地震應(yīng)急遙感評估方法對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行震害分析、分類提取工作，產(chǎn)出各類專題圖件，進(jìn)行產(chǎn)品發(fā)布。后期開展三維建模、雙屏比較分析、備份存檔工作（圖2）。

為學(xué)生提供專業(yè)研究的文獻(xiàn)，以彌補(bǔ)學(xué)生閱讀和生活積淀的不足。借研究成果，讓學(xué)生用自己語言寫作。教學(xué)《雷雨》劇本選文，可讓學(xué)生在讀《雷雨》全本后查閱研究資料，用自己的話圍繞“周樸園現(xiàn)在對侍萍是否有感情”話題寫作。

圖2 無人機(jī)遙感工作流程Fig.2 Remote sensing workflow for UAV

3.1 無人機(jī)作業(yè)

無人機(jī)作業(yè)分為六個環(huán)節(jié)：準(zhǔn)備、勘察、規(guī)劃、飛行、圖傳、獲取。每個環(huán)節(jié)都需要人工設(shè)定飛行參數(shù)，參數(shù)的設(shè)定直接影像飛行的生存概率與產(chǎn)出的圖像質(zhì)量，所以預(yù)規(guī)劃與實(shí)時(shí)規(guī)劃是無人機(jī)作業(yè)階段的重要研究內(nèi)容。準(zhǔn)備階段選擇作業(yè)區(qū)域，了解地形地貌，了解飛行條件、起降場地，制定測繪作業(yè)方案?？辈祀A段了解作業(yè)區(qū)的周邊環(huán)境，飛行場地、能見度、風(fēng)速等氣象條件，植被重要設(shè)施、確定具備飛行條件。規(guī)劃階段規(guī)劃如何實(shí)現(xiàn)任務(wù)的技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)安全飛行條件下的任務(wù)范圍的最大覆蓋及重點(diǎn)目標(biāo)的密集覆蓋（圖3）。飛行階段起飛操控、飛行模式切換、視距內(nèi)飛行監(jiān)控、視距外飛行監(jiān)控、任務(wù)設(shè)備指令控制和降落階段操控。圖傳階段利用三網(wǎng)融合單兵設(shè)備通過SGK 服務(wù)器實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)自由切換傳輸圖像，開展視頻會商。獲取環(huán)節(jié)壓縮格式、解碼、反量化、逆離散余弦變換回收姿態(tài)數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)。此外,增加像控點(diǎn)工作可以很大程度上提高成圖配準(zhǔn)的精度，后期可以通過三維建模來提高產(chǎn)品的可視化程度，勘察期間按作業(yè)需求布控[4]。

圖3 作業(yè)區(qū)域航線規(guī)劃Fig.3 Route planning in operation area

圖4 拼接正射影像圖Fig.4 Mosaic orthographic image

3.2 數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)存在不可抗力的局限性導(dǎo)致的影像畸變、重疊度不規(guī)則等問題需要對數(shù)據(jù)開展質(zhì)檢工作，整理圖像姿態(tài)數(shù)據(jù).本系統(tǒng)現(xiàn)用無人機(jī)數(shù)據(jù)拼接處理軟件有PIX4D、smart3D 等，根據(jù)任務(wù)需求選擇數(shù)據(jù)處理軟件，利用PIX4D 快速拼圖功能能夠快速獲取大面積地震災(zāi)情影像信息，耗時(shí)較短，處理正射影像開展震害分析能夠滿足地震應(yīng)急需求（圖4）。后期采用smart3D 三維建模，紋理精細(xì)不變形，適用于開展單體房屋、生命線工程、山體滑坡等評估工作（圖5）。

圖5 單體建筑三維建模效果圖Fig.5 Three-dimensional modeling of single house

3.3 數(shù)據(jù)分析

地震應(yīng)急遙感信息提取主要包括房屋建筑損毀、道路交通損毀、地震地質(zhì)災(zāi)害、其他次生災(zāi)害、災(zāi)害動態(tài)變化等內(nèi)容，根據(jù)遼寧地區(qū)的災(zāi)害信息提取與評估的業(yè)務(wù)需求與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開展地震烈度評定、災(zāi)害損失評估工作。本系統(tǒng)使用ENVI 平臺，采用人工目視解譯、光譜分類、基于專家知識樹決策分類、面向?qū)ο筇崛〉榷喾N方法開展遙感數(shù)據(jù)分析提取工作（圖6-7）。

圖6 知識樹提取信息Fig.6 Knowledge tree extracts information

圖7 遙感專題圖件展示Fig.7 Remote sensing thematic map

4 總結(jié)

無人機(jī)遙感技術(shù)在地震應(yīng)急中具備明顯的技術(shù)優(yōu)勢，為我省的防災(zāi)減災(zāi)工作提供了及時(shí)科學(xué)的依據(jù)。在應(yīng)對地震等自然災(zāi)害的監(jiān)測和評估上具有重大意義。無人機(jī)遙感技術(shù)系統(tǒng)在地震應(yīng)急領(lǐng)域仍處于探索階段，無人機(jī)的性能改進(jìn)、專業(yè)化軟件平臺開發(fā)、無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)評估流程與評估方法需要日后更細(xì)致更為深入的探索。無人機(jī)遙感技術(shù)系統(tǒng)在日常運(yùn)維與地震應(yīng)急中存在應(yīng)急響應(yīng)不及時(shí)、數(shù)據(jù)不共享、各個部門之間缺乏有效的組織，各自為戰(zhàn)等問題，給無人機(jī)獲取災(zāi)情信息造成了一定的局限，只有建立多層次的平臺網(wǎng)絡(luò)，通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化的防災(zāi)減災(zāi)遙感數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，從災(zāi)情數(shù)據(jù)獲取、處理到應(yīng)急指揮、評估重建工作的一體化、制度化，才能提高我省觀測技術(shù)和防災(zāi)減災(zāi)工作的綜合能力[5]。