基于卫星遥感和北斗无人机的灾害监测与预警系统

马骛　边晨昱　唐颢苏

【摘 要】自然灾害频发对我国社会稳定和经济发展造成了极大的影响，严重威胁着人们的生命财产安全。因此，建立基于卫星遥感和北斗无人机的灾害监测与预警系统，旨在实现大范围、高精度、智能化、网络化的灾害实时监测与预警。

【关键词】灾害监测与预警；卫星遥感；北斗无人机

0 引言

我国自然灾害频发，严重影响着农业生产、生态环境、交通运输和经济社会的发展。因此，如何建立高效的灾害监测与预警系统，降低受灾人员的生命财产损失，维护社会秩序的稳定，对于推动我国社会主义现代化建设有现实而深远的意义。目前，我国各业务部门已经初步具备灾害预警能力，然而主要依靠政府进行行政管理。在这种管理体系下，各部门缺乏横向联系，信息和资源得不到充分利用，缺乏对减灾、防灾的系统分析，防灾和减灾方法得不到有效的普及和运用。因此，建立更加实时、准确的灾害监测与预警系统势在必行。

1 方案内容

1.1 目标

本系统由自然灾害监测系统、云计算服务系统、无人机信息传输系统、GNSS接收机站点分布系统和灾害预警系统组成，旨在实现大范围、高精度、智能化、网络化的实时灾害监测与预警。

自然灾害监测系统利用Python爬虫技术，借助FTP下载卫星近实时数据，进行预处理和相关参数反演，得到灾害监测报告，发送给各分控中心。分控中心根据灾害监测报告，利用云计算服务系统传输指令遥控无人机起飞，并实时监控其飞行状态，对目标区域进行详细侦查，采集灾情信息，并通过信息传输系统传输到云计算服务系统，对其进行分析处理，然后发送给灾害预警系统，由灾害预警系统确定灾害的等级，并以短报文的形式发送给用户和相关政府部门，为有关部门组織灾害应急工作提供决策依据。卫星遥感与北斗无人机的灾害监测与预警系统设计图如图1所示。

1.2 内容

1.2.1 自然灾害监测系统

自然灾害监测系统以卫星数据作为数据源，采用C#高级语言构建系统框架，集成Python爬虫功能和IDL核心算法，在干旱、沙尘和火灾监测方面，实现卫星数据自动下载、影像预处理、指标计算、专题制图输出等功能，建立一套有效、动态、切实可行的实时灾害业务监测体系，为防灾减灾工作提供支持。

在干旱、沙尘和火灾监测三个方面采用灾害指数方法来表征灾害程度。干旱方面采用表征地表干旱强度和持续时间的干旱指数来表示土地干旱状况，主要有归一化植被指数（NDVI）、垂直植被指数（PDI）、改进型垂直植被指数（MPDI）、归一化差分水分指数（NDMI）、归一化差分干旱指数（NDDI）等。同时，在沙尘监测方面，沙尘和下垫面背景及云在可见光、中红外及远红外波段的光谱特性差异是卫星遥感进行沙尘监测的理论基础。基于此，采用亮温差异法（BTD），三波段火山灰产品法（TVAP），可比沙尘强度指数（ICSD）及红外差值沙尘指数（IDDI）等模型进行沙尘监测。在火灾方面，系统选择对火灾比较敏感的波段，通过波段间的组合运算增强图像上的火灾区域，获取火灾区域、火灾强度等信息。常见的火灾燃烧指数主要有燃烧面积指数（BAI）、归一化燃烧指数（NBR）和改进归一化燃烧指数（NBRT）。

1.2.2 云计算服务系统

云计算服务系统具有规模大、可靠性高、运算速度快等特点。分控中心根据监测报告确定其管辖下的受灾区域后，利用云计算服务系统向无人机传达指令，规划无人机飞行航线并实时监控其飞行状态；无人机接收指令后对受灾区域进行灾情信号采集，并转换成二进制数据，通过中继数据链传输到云计算服务系统。云计算服务系统借助定量遥感和数据分析模型，进行灾情反演和估损。

云计算服务系统包括无人机航迹规划与监控系统与传感器数据处理分析系统两部分。航迹规划能根据受灾严重区域的粗略位置为无人机提供一条最佳航路；状态监控能实时反映无人机设备状态，保证地面人员在无人机面临突发威胁时及时做出处理。

传感器数据处理分析系统利用定量遥感反演模型对无人机采集的灾情信号进行反演和分析，得到相关参数。

以干旱监测为例：系统采用微波辐射模型，无人机上的微波辐射计天线接收的极化亮度温度可以表示为湿润土壤和干旱土壤辐射亮温的线性加和：

T（p）=Tw（p）*fw+Tnw（p）*（1-fw）（7）

其中，表示极化，表示微波辐射计天线口面接收亮度温度，表示湿润区域占整个天线照射面积的百分比，表示干旱区域辐射的亮度温度。的公式为：

Tw（p）=（1-rper（p））*Tg+rper（p）*Ta（8）

其中，为极化下的周期性表面土壤反射率，为土壤有效温度（K），为大气的下行微波辐射。周期性粗糙表面的微波发射率可以利用经验模型和光滑周期表面微波辐射定量反演模型计算。

1.2.3 无人机信息传输系统

当无人机飞行超过地面站最大视距范围时，只能采用空中数据中继数据链，才能保证有效地完成传输过程。而卫星信号的广域覆盖性为无人机在更大的范围内进行信息传输提供了可能，同时卫星的信道性能较稳定，建立基于卫星中继的无人机信息传输系统就成为一种较好的信息传输方式，卫星转发器采用类似Inter. Sat. IV的同步卫星。

1.2.4 基于北斗短报文功能的灾害预警系统

根据灾害预警系统分析结果，比对历史数据库，进一步确定受灾区域的灾害等级，并由北斗无人机定位功能判断灾害发生的精确地点，从而为有关部门提供决策信息，为受灾地区居民提供短信预警。针对某些偏远地区，因信号差无法及时接收预警信息，本系统加入了北斗卫星系统特有的短报文功能，可对偏远地区及时发布预警信息，保障人民的生命与财产安全。

2 结束语

北斗卫星导航系统是我国自主研发的全球卫星导航系统。本系统以灾害监测与预警为核心，结合航天遥感和地面遥感，综合卫星与北斗无人机的监测资料，实现对灾害的时间、地点和等级的准确监测以及系统的全自动化，并利用北斗系统所特有的短报文功能为偏远地区受灾居民提供预警服务，这在推动灾害监测与预警现代化的进程中具有重要意义。

【参考文献】

[1]崔道鑫.无人机航迹规划与监控系统的研究与实现[D].电子科技大学，2013.

[2]孟立峰.无人机系统的卫星中继数据链[J].飞行器测控学报，2012，31（5）：24-27.

[3]夏凌燕.自然灾害监测预警系统科技成果转化模式研究[D].大连海事大学，2012.

[责任编辑：朱丽娜]