無人機(jī)紅外熱成像技術(shù)在城市環(huán)境研究中的應(yīng)用

蔡英琪，胡鵬，伍光勝

（1.廣州市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東廣州 511430；廣州市防雷減災(zāi)管理辦公室，廣東廣州 511430）

城市熱島效應(yīng)是一種由于人為因素如人工構(gòu)筑物、人工發(fā)熱等改變了城市地表的局部溫度、空氣對(duì)流、濕度等相關(guān)要素，進(jìn)而引起熱量在一定空間范圍內(nèi)聚集的現(xiàn)象，是城市氣候最典型的特征之一［1］。全球氣候變暖和大規(guī)模高速城市化是21世紀(jì)2個(gè)重要的環(huán)境現(xiàn)象，二者的聯(lián)系也日趨緊密。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第5次報(bào)告中明確提出了氣候系統(tǒng)變暖毋庸置疑。由于城市化是一種最強(qiáng)烈的土地利用變化之一，在下墊面變化、人為熱釋放和大氣污染物增加等因素的疊加作用下，對(duì)地表能量的平衡和近地面氣溫可以造成顯著影響，進(jìn)而影響區(qū)域和城市局部氣候，特別是城市熱環(huán)境。因此，在全球氣候變暖和大規(guī)模高速城市化的雙重影響下，城市的熱環(huán)境日益惡化已成為當(dāng)前大城市氣候的顯著特征之一［2］，其可對(duì)公共戶外空間的安全性、舒適性產(chǎn)生直接影響，同時(shí)會(huì)對(duì)城市公共健康、綜合能耗產(chǎn)生間接影響。有研究數(shù)據(jù)顯示因高溫?zé)崂艘l(fā)的死亡率就在各類自然氣象災(zāi)害中位居前列［3］。

廣州市作為中國(guó)人口密度大、經(jīng)濟(jì)集中度高的特大型城市之一，由于城市地表熱環(huán)境惡化，進(jìn)而引發(fā)公眾生活舒適度降低、各種能耗持續(xù)增長(zhǎng)、空氣污染加劇等一系列社會(huì)問題。而另一方面，隨著人類文明的進(jìn)步，人類對(duì)生存環(huán)境的要求也是有增無減，這兩者的矛盾使得城市熱環(huán)境成為一個(gè)亟待解決的問題。由于城市熱環(huán)境的成因及時(shí)空演變非常復(fù)雜，因此出現(xiàn)了多種不同的研究方法［4］，從數(shù)據(jù)來源看，主要包括基于地面觀測(cè)站研究、基于遙感技術(shù)研究、基于模型的模擬研究，其中，傳統(tǒng)的遙感技術(shù)一般基于衛(wèi)星遙感，其覆蓋范圍廣，時(shí)間同步性好，更新較快，但也有精度不高、費(fèi)用昂貴、受天氣因素影響等不足。如能采用在石油石化、公共安全、森林防火等行業(yè)廣泛應(yīng)用的小型無人機(jī)平臺(tái)搭載紅外熱成像設(shè)備用于城市熱環(huán)境研究，利用其精度高、操控靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)，則可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)遙感技術(shù)手段的不足。

本研究主要研發(fā)了基于微型四旋翼無人機(jī)平臺(tái)的地表溫度場(chǎng)反演系統(tǒng)和地表網(wǎng)格化溫度場(chǎng)生成軟件，并對(duì)系統(tǒng)和軟件進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，以檢驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用的可行性和精度，為城市熱環(huán)境研究提供一種新的技術(shù)方法。

1 地表溫度場(chǎng)反演系統(tǒng)和生成軟件

基于微型四旋翼無人機(jī)具備機(jī)動(dòng)靈活、垂直飛行、航拍分辨率高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，系統(tǒng)以微型四旋翼無人機(jī)作為載機(jī)平臺(tái)，通過機(jī)載紅外相機(jī)作為任務(wù)設(shè)備，并自主開發(fā)了地表溫度場(chǎng)反演軟件。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于本系統(tǒng)以微小型旋翼無人機(jī)開發(fā)，采用了GIS技術(shù)、紅外成像技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、5G通信技術(shù)等，與其它類型的無人機(jī)系統(tǒng)相比，其外觀結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)、應(yīng)用領(lǐng)域均有所不同，但從系統(tǒng)原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上講，它同時(shí)也是一個(gè)常見的無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［5-6］，全系統(tǒng)包括了無人機(jī)平臺(tái)、無線通信鏈路、控制端、任務(wù)設(shè)備和軟件等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為提高飛行穩(wěn)定性和操作靈活性，滿足城市熱島觀測(cè)的實(shí)際使用需求，載機(jī)采用了重量輕、強(qiáng)度高的碳纖維材料機(jī)身四旋翼無人機(jī)［7］。高靈敏度紅外相機(jī)作為任務(wù)設(shè)備掛載于增穩(wěn)云臺(tái)。該相機(jī)采用非制冷型氧化釩陣列成像［8］，體積較小，可在較寬溫度范圍內(nèi)進(jìn)行高精度紅外拍攝，同時(shí)具有非常好的均勻性和動(dòng)態(tài)范圍，能較好滿足城市熱環(huán)境觀測(cè)任務(wù)需求。飛控和圖傳信道上所采用的工作頻率分別為5.725～5.825 GHz和2.400～2.483 GHz，可實(shí)現(xiàn)3 000～5 000m的通信距離，由于通信時(shí)使用了動(dòng)態(tài)自適應(yīng)技術(shù)，收發(fā)端能自動(dòng)選擇最佳信道，通過切換不同的信道和調(diào)整帶寬，確保通信穩(wěn)定。

1.2 地表網(wǎng)格化溫度場(chǎng)生成軟件

為實(shí)現(xiàn)地表溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)生成，開發(fā)了地表網(wǎng)格化溫度場(chǎng)生成軟件。軟件可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收航拍照片、拼接、生成網(wǎng)格溫度場(chǎng)、疊加衛(wèi)星地圖顯示、任意點(diǎn)取值、數(shù)據(jù)查詢和導(dǎo)出等功能。

整個(gè)軟件的工作流程為：

采用FTP方式實(shí)時(shí)將無人機(jī)所拍攝紅外照片推送到軟件服務(wù)器，傳輸完成的同時(shí)觸發(fā)服務(wù)器監(jiān)聽程序進(jìn)行該紅外圖像的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算，并進(jìn)行格點(diǎn)化，產(chǎn)生該次飛行過程的地面溫度場(chǎng)的合并文件。這個(gè)自定義的合并文件里含有填色后的紅外圖片和對(duì)應(yīng)的JSon格式地表溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)文件，最終通過瀏覽器訪問疊加衛(wèi)星地圖的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。當(dāng)瀏覽器打開頁面時(shí)，Web頁面通過JavaScript腳本函數(shù)定時(shí)檢查服務(wù)器圖片接收文件夾的文件更新情況，一旦發(fā)現(xiàn)有新的更新文件接收完成，就讀取最新的紅外填色圖片和溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)文件。最后，使用ArcGIS API for JavaScript技術(shù)，在谷歌衛(wèi)星地圖上疊加顯示出紅外填色圖片和溫度場(chǎng)網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

軟件開發(fā)中，有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，一是根據(jù)紅外照片生成對(duì)應(yīng)經(jīng)緯度的溫度值；二是一次飛行過程中的多張連續(xù)紅外照片拼接［9-10］。具體的實(shí)現(xiàn)方案為：

1）服務(wù)器每接收到一張回傳的紅外照片，都利用廠家SDK庫進(jìn)行轉(zhuǎn)化，用照片的全部像素點(diǎn)計(jì)算每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值（精度0.001℃），形成一個(gè)二維的溫度數(shù)組，每張照片共640×512個(gè)像素點(diǎn)可轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的溫度值。

2）由于原始紅外照片帶有XMP信息，讀出該XMP信息，可獲得本張照片拍攝時(shí)的中心坐標(biāo)、高度、GPS信息、無人機(jī)角度狀態(tài)等信息。

3）將步驟1）獲得的640×540個(gè)溫度值數(shù)組，利用步驟2）讀出的坐標(biāo)信息和高度信息，通過三角函數(shù)數(shù)學(xué)計(jì)算，求出該張照片4個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的真實(shí)坐標(biāo)后（圖2），再計(jì)算出照片上每個(gè)溫度點(diǎn)（共640×540個(gè)）對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，生成單個(gè)照片的溫度場(chǎng)網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

圖2 水平（a）和翻轉(zhuǎn)（b）飛行時(shí)的坐標(biāo)計(jì)算示意圖

4）多張照片的拼接。每當(dāng)有新的照片推送回服務(wù)器接收文件目錄時(shí)，就重復(fù)前3步驟，同樣求出新拍攝照片的4個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和溫度數(shù)組后，與之前已反演生成的溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)范圍進(jìn)行匹配合并，將全部圖片的溫度值合并進(jìn)溫度二維數(shù)組中，其中如果有坐標(biāo)點(diǎn)上出現(xiàn)重疊，則該坐標(biāo)點(diǎn)的溫度值取各次平均值，最后生成合并后的整個(gè)拍攝范圍的經(jīng)緯度范圍和溫度數(shù)組，從而完成網(wǎng)格化溫度場(chǎng)反演。

2 地表熱環(huán)境飛行觀測(cè)

為測(cè)試本系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)可靠性和反演溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了多次空中飛行試驗(yàn)。圖3為2017年7月27日在廣州市海珠區(qū)海珠湖公園進(jìn)行飛行試驗(yàn)的區(qū)域圖。距離試驗(yàn)區(qū)域最近的是海珠區(qū)華洲街龍?zhí)洞宓膬蓚€(gè)區(qū)域氣象站（G3101、G3339），試驗(yàn)時(shí)氣溫在34.3～35.3℃，相對(duì)濕度在48%～57%，最大風(fēng)速在1.5～3.6m／s。

圖3 試驗(yàn)區(qū)域

熱紅外遙感反演結(jié)果（圖4）顯示，地表面溫度分布有很大的差異，北邊的建筑群、公園外的新滘西路、廣場(chǎng)，水泥路面以及橋梁等溫度大致在45～65℃，有植被覆蓋的區(qū)域溫度較低，灌木在40～43℃，草地則在44～46℃，水體表面的溫度最低，大致在32～35℃。

圖4 反演生成的地表溫度場(chǎng)

另外還可以看出，熱紅外反演溫度具有很高的空間分辨率，甚至能夠較精細(xì)的刻畫出北廣場(chǎng)中各顆灌木。靶標(biāo)點(diǎn)的地面實(shí)測(cè)與熱紅外反演溫度對(duì)照顯示（表1），水泥地、灌木、草面和水面4個(gè)點(diǎn)差值分別是0.2、0.1、0.7和0.9℃，較接近，可見反演結(jié)果比較準(zhǔn)確。

表1 靶標(biāo)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度和熱紅外反演溫度 ℃

3 結(jié)論

基于微型四旋翼無人機(jī)平臺(tái)的新型城市地表溫度場(chǎng)反演系統(tǒng)和地表網(wǎng)格化溫度場(chǎng)生成軟件具有分辨率高，使用維護(hù)成本低，操作靈活、可靠性高、受天氣因素影響小等優(yōu)點(diǎn)，其空間分辨率可達(dá)到0.5m，反演精度可達(dá)到0.1℃，可實(shí)現(xiàn)對(duì)城市熱環(huán)境街區(qū)級(jí)小尺度精細(xì)化觀測(cè)，研究城市冠層精細(xì)化三維熱環(huán)境特征，評(píng)估不同建筑布局和下墊面對(duì)熱環(huán)境的可能影響，彌補(bǔ)傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感和其它觀測(cè)手段的不足，觀測(cè)數(shù)據(jù)有助于加深對(duì)城市邊界層三維結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)，滿足城市精細(xì)化氣象服務(wù)的需求，同時(shí)為合理規(guī)劃城市、改善大城市熱環(huán)境提供科學(xué)的參考。此外，還可廣泛應(yīng)用于消防、救災(zāi)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等其它領(lǐng)域［11］。