灾害监测无人机技术应用与研究＊

李 云,徐 伟,吴 玮

国外在使用无人机进行灾害监测方面起步较早,经过长期应用与研究,取得了很好的效果。目前,国外无人机灾害监测范围主要包括森林火灾、地震、台风、火山等[1-9]。近几年,我国灾害管理部门也加大了对无人机灾害监测应用与研究力度,并取得了一定的效果,如:民政部门在低温雨雪冰冻灾害和汶川8.0级地震灾害监测中的应用[10];水利部门在蓄滞洪区和流域性凌情、汛情监测中的应用[11-12];国土资源部门在国土资源快速监察中的研究[13],以及在玉树7.1级地震灾害监测中的应用等。以上应用,尤以民政部门在汶川地震灾害中,使用无人机对地震灾害损失应急监测、灾后恢复重建跟踪监测取得的效果最为显著。总结这次无人机的使用经验,研究无人机在灾害监测方面的作用,对提高灾害救助管理水平具有实际意义。

1 案例介绍

2008年5月12 日14:28,四川汶川县(31.0°N、103.4°E)发生里氏8.0级地震。此次地震是新中国成立以来破坏性最为严重的一次地震。

灾害发生后,民政部国家减灾中心派出技术工作组,并携带两架微型无人机赶赴四川、甘肃重灾区,开展灾情收集和评估工作。5月15日,工作组深入重灾区北川县,采用地面实地考察与无人机低空航拍相结合的方法,拍摄了1 500余张高清晰度灾情遥感影像(图1)和56 min灾情视频影像,并及时提供给了前线抗震救灾指挥部,为制定正确的救灾方案提供了有力依据。

图1 5月15日北川县地震灾区无人机遥感影像拼接图

同时,民政部国家减灾中心与首都师范大学合作,对北川县地震灾区无人机遥感影像(图2)进行了判读,初步分析:在遥感影像中显示的北川县城南部地区建筑物面积有11万多㎡,其中直观倒塌面积约9万m2,倒塌率占75%以上;地震引发的滑坡对北川县曲山镇西南的老县城造成了严重破坏,并造成了省道S302难以通行;曲山镇滑坡造成的崩塌、倒塌房屋碎屑物堵住河流,形成堰塞湖;由于堰塞湖水位的不断抬升,造成北川县曲山镇以西的沿江公路已被水淹没,不能通行。判读情况为民政部门指导北川县抗震救灾工作提供了第一手资料和可靠依据。

图2 北川县地震灾区典型灾害遥感影像判读图(部分)

图3 汶川地震后甘肃省陇南市康县王坝乡李家庄村恢复重建遥感影像监测图

灾后,为及时准确掌握恢复重建进度,评价恢复重建投资效益,2009年1月,民政部救灾司和国家减灾中心利用卫星遥感、无人机技术,对异地重建或原址重建的部分重灾乡镇开展了恢复重建监测评估工作,并在四川省北川县擂鼓镇、陕西省宁强县广坪镇、甘肃省康县王坝乡和陇南市武都区马街镇(感恩村、姜家山村)使用无人机航拍了大量恢复重建遥感影像,结合卫星遥感影像,有效获取了这些地区灾后恢复重建实际进展情况(图3)。地区,人员无法抵达地区)下,遇到受灾地域广、救灾任务紧的时候,可以借助无人机快速飞抵受灾现场,监测灾情,为灾害救助提供决策支持,提高灾害救助的时效性。

(2)提供了客观的灾情数据。根据无人机遥感影像,可以排除现场灾情信息采集时表述不清、意见相左、他人质疑等各种主观因素影响,有利于对灾害损失程度做出正确判断和评估,制定科学、合理的救灾方案,避免灾害救助的盲目性。

(3)监督了灾后恢复重建进展。无人机遥感影像不但可以作为灾区灾后恢复重建规划依据,也能作为恢复重建工作监测和督查、援建项目验收和评判的依据,实效明显。

(4)提升了预警监测水平。以无人机为载体,采用航拍手段进行灾害监测,利用航拍遥感影像,建立相关的减灾救灾预警数据库,有利于提高灾害预警的准确性。

(5)健全了对地观测技术在减灾救灾中的应用。无人机灾害监测作为遥感监测的一部分,很好地弥补了卫星遥感、航空遥感等对地观测精度和频度上的不足,是我国对地灾害遥感监测系统的重要补充(表1)。

2 结果与分析

2.1 应用价值

灾害监测无人机技术在汶川地震灾害救助过程中产生了良好的应用效果,这也是民政部门首次将该技术实战应用于灾害救助过程中。实践证明,该技术对灾害救助具有积极的推动作用,主要体现如下所示。

(1)提高了灾情监测能力。在恶劣的灾害环境(如地震、雪灾、山洪等)和地理条件(如高山险要

表1 不同遥感观测平台的应用特点

2.2 应用技术

使用无人机进行灾害监测涉及三方面应用技术如下所示。

(1)飞行器。主要研究飞行控制、飞行半径、续航能力、抗风抗雨雪能力等,结构一般由飞行器机身、飞行控制系统、数据通信系统和发射回收系统四部分组成。其中,飞行控制系统一般由机载飞行平台和地面控制站两部分组成,它决定着飞行器性能,包括飞行性能、安全性、可监控性、可操作性和可维护性等[14]。飞行器安全质量问题直接关系到灾害监测遥感影像数据采集能否顺利实现,所以,对飞行器、飞行器操控手和飞行器提供单位的选择尤为慎重。

(2)采集器。主要指机载各种遥感设备,包括数码相机、红外扫描仪、合成孔径雷达等。采集器的选择由航拍任务而定,根据航拍任务选择不同类型采集器,获取相应类型遥感影像。同时,采集器本身对曝光控制、分辨率、滤光、焦距等也根据航拍任务有不同设置。以地震灾害为例,地震灾害遥感影像数据采集多采用感光度和色彩深度好、存储量大的数码相机,广角镜头对焦至无穷远,以便获取高分辨率全色影像[15]。

(3)影像处理与分析。主要对无人机遥感影像进行图像处理,提取有价值的灾情信息,形成决策依据产品。无人机飞行时的抖动会影响航拍遥感影像效果,需要对遥感影像图片进行必要的几何纠正;同时,拼接遥感影像形成灾区整体监测图,也需要一定的影像处理,如地理定位、镶嵌合成和分类提取等。无人机遥感影像需要一定的专业分析,通过历史经验,结合监测对象在其他时间段或其他渠道中的相关信息,才能准确判读出遥感影像中灾害监测对象的真实状况[16]。

2.3 应用方法

根据灾害监测无人机技术所涉及的技术范围,可以将该技术应用分成任务规划、飞行控制、影像处理、综合分析和数据管理五部分。其中:任务规划负责确定监测范围、监测目标、飞行环境和飞行参数;飞行控制负责安全航拍采集遥感监测影像;影像处理负责对遥感监测影像进行技术处理、有效关联和全景拼接;综合分析负责对处理后的遥感监测影像进行判读,定性或定量地描述监测结果;数据管理负责归档各类历史影像资料,逐渐形成影像资料库。

灾害监测无人机技术正逐渐得到民政、国土、测绘、水利等相关灾害管理部门的重视,其实际应用也日趋增多,应用方法也日趋规范。但是,灾害管理部门作为无人机灾害监测成果的吸收者,对于无人机任务规划、飞行控制、影像处理和数据管理关心甚少,更多关心的是如何综合分析、正确判读采集并处理后的无人机遥感监测影像。以及如何识别受灾体,如何准确判断灾情。

目前,综合分析无人机遥感监测影像的方法主要是,通过人工判读方式,借助案例和经验,识别和分类提取灾区反映灾情的地物目标,采用定性或大致定量的方式描述灾情,同时,结合不同时相、不同来源数据的对比和交叉验证,分析灾害特征目标的空间位置、地理分布、形态变化和灾害损失情况。具体而言,①确立能反映当地灾情的各项灾情指标,如农作物、倒损房屋、灾民状况、基础设施和公路桥梁等;②确定各项灾情指标地物在无人机遥感监测影像中的位置,按照指标的不同功能和不同结构分区,根据资料掌握情况,通过不同时间段、不同俯视角度、相同位置指标影像的变化程度,判读指标地物损失程度;③结合其他多源高分辨率遥感影像,综合对比验证判读结果,提高判读准确度;④根据灾害管理不同阶段中灾情指标监测重点的不同,随时调整指标影像的分辨率,局部放大或整体缩小,有针对性进行详细判读。

以汶川地震灾害为例,地震发生后,在无人机遥感影像上,通过人工判读滑坡、坍塌、泥石流等次生灾害的纹理和形态特征,对比灾前高分辨率卫星和航空遥感影像,快速定位灾害发生的地理位置、面积和分布,分析可能形成的堰塞湖和对耕地、道路的损毁情况;在应急处置阶段,对临时安置区、救灾帐篷等进行持续监测,核查帐篷的调拨数量,分析安置点布局的合理性;在损失评估阶段,通过判读无人机遥感影像,结合地面抽样调查和舆论等信息,对城市人口聚居区和农村离散分布居民区房屋倒损情况进行监测,分析不同功能结构、不同用途房屋倒塌、严重受损和轻度损害比例;在恢复重建阶段,对重灾乡镇进行抽样监测,通过不同时相的数据对比分析,判读开工、在建和竣工房屋数量和比例,分析灾区恢复重建进度。

2.4 地震灾害监测应用

目前,无人机地震灾害监测应用正从试验性向业务化服务转变,并已全面进入灾害管理部门减灾救灾业务支撑体系中,其技术应用也日趋完善,2010年青海玉树7.1级地震灾害损失监测评估中就得到了进一步应用。无人机灾害监测特别适用于地震灾害中对房屋倒损和经济损失监测评估。

2.4.1 地震灾害房屋倒损和经济损失监测评估依据与评估方法

评估依据:震中及周边地区卫星遥感、航空(无人机)遥感影像数据,以及房屋倒损面积、房屋层数、滑坡点、居民安置区、居民点分布等研判数据;震区现场救灾工作组和评估组实地调查的抽样数据、民政部门上报的灾情统计数据、地震部门提供的地震烈度图、抗震救灾总指挥部公布的数据;主要评估震区房屋倒损造成的经济损失,房屋造价参考现场评估组调查数据和国家统计局提供的农业普查数据。

评估方法:首先,综合市政功能、道路和河流分布等情况,完成震区空间格网分区;然后,使用高分辨率无人机遥感影像数据,按照完全倒塌、严重受损、轻度受损等3种类型研判震区房屋倒损情况,并结合现场评估组实地调查数据进行核准和修正;最后,综合上报灾情、农业普查和国土资源调查等数据,通过空间统计分析,得到不同格网分区房屋倒损类型和面积,并在此基础上推算震区房屋倒损造成的经济损失。

2.4.2 相关技术应用路线(图4)

图4 无人机遥感影像用于地震房屋倒损和经济损失评估技术路线图

(1)完成震区格网分区。将震区划分为三级、n个格网,其中:一级区包括政府办公区、居民区、工矿企业区、特殊用地区等4类;二级区包括政府办公区、学校、其他办公区、居民区、工矿企业区、特殊用地区等6类;三级区按照建筑物使用功能划分,包括楼房、平房、大棚、广场、体育场等5类。

(2)无人机遥感影像判识。根据房屋倒损、滑坡点和灾民安置点在高分辨率无人机遥感影像上的几何特征,开展震区房屋倒损、滑坡点和灾民安置点信息判识,并结合卫星成像角度进行楼层判识,通过灾前、灾后影像对比分析,提取房屋倒损、滑坡点及空间分布、灾民安置点等信息。

(3)确定房屋倒损评判等级。将房屋倒损情况划分为完全倒塌、严重受损和轻度受损三种,其中:完全倒塌指房屋倒塌成一片废墟;严重受损指房屋结构受到破坏,需推倒重建;轻度受损指房屋结构受到轻微影响,进行加固处理就可使用。

(4)计算房屋倒损建筑面积。根据解译结果,计算统计完全倒塌、严重受损、轻度受损三个类别房屋的建筑面积,其中:平房区建筑面积=屋顶投影面积、楼房区建筑面积=楼层数×屋顶投影面积。

(5)计算房屋倒损造成的经济损失。根据现场调查、农业普查、统计等数据,按不同标准计算平房和楼房完全倒塌、严重受损造成的经济损失,参照汶川地震房屋倒损经济损失评估办法,轻度受损造成的经济损失折半。

2.4.3 无人机遥感影像对监测评估的影响

无人机遥感监测影像是整个地震房屋倒损和经济损失监测评估的关键依据,直接影响监测评估中对房屋倒损等级的评判以及对各等级倒损房屋面积的计算。解译无人机遥感影像直接决定监测评估结果,相比其他统计、上报、抽样等固定计算数据,解译(综合分析)主要靠人工判读,容易产生偏差,因为解译过程中对房屋结构破坏程度的定义和理解存在差别,可能造成对房屋倒损等级评判不同,影响最终监测评估结果的准确性。所以,一方面要求尽可能获取高分辨率、高精度无人机遥感影像,便于人工清晰识别倒损房屋,另一方面要求统一人工判读标准,提高人工判读经验,便于准确判定倒损房屋等级和面积。这些都对无人机灾害监测数据采集、影像处理、综合分析等提出了更高的要求,同时也进一步规范、促进了该技术的应用与发展。

2.5 优势和不足

使用无人机进行灾害监测拥有诸多技术优势:通过携带航拍载荷,它能在较短的时间内有效获取大范围航空遥感影像,弥补卫星对近地面遥感监测精度不足的缺陷;它能够快速、直观、准确地获取近地面影像,特别适合灾害救助应急监测需求;它本身质量轻、体积小、造价和使用费用低、经久耐用、适应性强,具有很好的经济性和实用性。随着技术不断完善,它对飞行要求也越来越低,目前已实现在复杂灾害环境下完成灾害监测任务的能力,部分机型无人机甚至能在大雨、大雾、6～8级大风等复杂天气条件下完成飞行,也能在复杂地形环境中飞行,飞行高度可以根据实际地形差异和飞行任务要求进行调整,从而航拍到不同比例尺、清晰度的灾区影像,准确、动态监测灾情变化。

当然,该技术应用中也存在一些亟待解决的问题,如:空域飞行监管严格,申请难度大,流程复杂且时间长;极端恶劣天气和地理条件下(如高原地区),飞行器控制和燃料配制困难;后期影像处理(特别是影像拼接)工作量大、没有较好的智能软件辅助,主要依靠手动单幅影像处理,影响时效性等。这些都是未来无人机灾害监测技术需要重点研究和解决的。

3 结论与讨论

(1)灾害监测无人机技术应用和研究意义重大,它不但能完成灾害监测任务,提供灾害救助辅助决策依据,提高灾害救助时效性,提升抗灾救灾科技水平,也能健全我国对地观测技术在减灾救灾中的应用。遥感技术作为灾害监测的重要手段之一,在灾害监测预警、灾情评估、恢复重建、常规与应急决策支持等工作中发挥了巨大作用。灾害遥感监测对时空分辨率有不一样的要求,无人机灾害监测作为遥感监测的一部分,弥补了卫星遥感、航空遥感等对地观测方式的不足,健全了我国灾害遥感监测系统建设。

(2)灾害监测无人机技术在灾害救助领域具有广泛应用前景。灾前预警期间,可以在灾害高风险地区航拍获取灾前地面影像资料,为灾中航拍数据对比提供参照;灾中应急调查和快速评估期间,可以航拍获取最大百公里级受灾区域影像资料,扩大灾害调查范围,提高灾害监测能力;灾后恢复重建和损失评估期间,可以通过航拍进行灾后恢复重建选址、规划、进度调查和监测,以及进行灾情总体评估和专项评估。此外,无人机在灾害救助中的应用还可以扩展到灾害应急通讯、救灾物资运送等方面。

(3)当前,我国民用无人机正处于快速发展时期,各种机型的无人机都不同程度地具备灾害应急监测能力,灾害管理相关部门也都重视无人机减灾救灾应用,无人机研发和应用单位也愿意整合国内无人机资源,更大程度地发挥无人机在灾害应急监测中的作用。为进一步提高国家灾害救助科技水平,全面提高国家综合减灾能力,推进无人机灾害应急遥感监测、服务保障的发展,基于社会参与救灾,有效利用社会资源的理念,国家灾害管理部门应联合灾害高风险区域无人机使用较好的单位,共同建立并完善“国家重大自然灾害应急无人机监测机制”,形成稳定的灾害监测无人机“数据采集——分析决策”良性发展模式,这也是有效开展国家重大自然灾害应急救助工作的重要手段之一。

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