无人机航拍技术在茂名地区气象灾情调查中的应用

林燕婷 朱鹏程 陈晓飞 黄冬至

(1.广东省茂名市气象局，广东 茂名 525000；2.广东省珠海市气象局，广东 珠海 519000；3.中山大学，广东 广州 510275)

0 引言

广东省茂名市属于沿海城市，再加上信宜、高州等地多高寒山区，是暴雨、洪涝、台风发生频率较高的地区，突发性强降水、连续性强降水常引发山洪、泥石流、山体滑坡、江河泛滥、城乡积涝等自然灾害和次生灾害，极易造成严重的经济损失和人员伤亡事故。然而，道路堵塞让救灾人员无法及时了解当地灾情、地质灾害的滞后性程度，因此有必要对容易致灾的区域进行无人机航拍调查，收集第一手资料。一方面，有利于政府对容易致灾区域的人员疏散作出科学的判定；另一方面，也可以在很大程度上保护救灾人员，避免不必要的人员伤亡。

微型无人机相对大型固定翼飞机具有成本低、易操控、灵活性高等特点，在台风、暴雨、雷雨大风等致灾天气过后，对易致灾地区进行航拍，收集气象灾情资料，为茂名市各级党政部门防灾减灾正确决策及部署提供更科学有效的依据，确保人民生命和财产安全。

1 资料与统计方法

相对大型固定翼飞机来说，微型无人机的特点是成本低廉、易于携带、操作简单、应用范围广，尤其是在自然灾害、突发事件发生后，能够快速安全地进入防灾减灾人员无法到达的区域，并进行有效拍摄和收集灾情信息。

目前，中国生产的大疆无人机占据着全球消费级无人机市场70%的份额，因此以大疆四旋翼无人机中的DJI Inspire1、DJI air2s为测试研究对象，测试无人机最大抗风能力，分析无人机在2016年以来所有遇到的重大气象灾害灾情调查中所发挥的作用。

2 大疆无人机抗风能力分析

从气象防灾减灾实际出发，以大疆四旋翼无人机中的悟1为测试对象，分析不同风速条件下，无人机飞行的稳定程度。

2.1 四旋翼无人机特征分析

目前，我国常用于应对突发事件开展现场实时监测或是视频采集的无人机主要分为多旋翼和固定翼两类。当下具有视频采集功能的无人机通常都配有GPS定位导航系统、超清摄录器材和微波视频实时通信等标准配置。

由于固定翼无人机主要依靠速度来产生升力，要有足够的速度才能飞行，不具备多旋翼无人机旋停空中定点拍摄的功能，而且其操作相对复杂，对起降场地有一定的要求，实用性不及多旋翼无人机，因此本文不对固定翼无人机展开分析研究。

而多旋翼无人机根据螺旋桨叶数量来分，有四旋翼、六旋翼和八旋翼无人机。结合多旋翼无人机的特点，四旋翼无人机的优点是体积小、质量轻和携带便捷，缺点是每个旋翼可承受的质量大，一旦其中一个旋翼电机出故障，无人机易炸机；六旋翼无人机与八旋翼无人机优点是结构配置更灵活，升重比、控制性能、可靠性更强，也就是说其中一个旋翼电机出故障不会轻易炸机，缺点是装卸和携带不够便捷，应对突发性气象灾情调查比四旋翼无人机的装卸时间更长，不利于个人出行携带。

对比分析多旋翼三类无人机的优缺点，结合气象灾情调查实际工作需求，无人机抗风测试对象选择大疆四旋翼无人机最为合适。

2.2 大疆四旋翼无人机抗风能力

风作为一种空气运动的自然现象，主要是因为两地之间的气压差形成。从航空应用角度对风场进行分类，主要有以下几种[1-2]：

①定常风(空间某点在某时刻的空气运动的主要部分)。风的期望值，也就是在时间上相对稳定的空气运动。②风切变(空气运动沿高度的变化，也就是梯度风)。两个高度上所测的风之间矢量差除以高度差。③突风(即阵风)。短时间或高度间隔内，相对于基准定常风值的风的随意增量。④紊流(无规则的突风)。以大疆四旋翼无人机为测试对象，避开公共场所，在博贺海洋气象研究基地进行测试。为避免出现炸机现象，测试风力为定常风最大不超过6级的风力，也就是台风天或是当气象预警提示有短时雷雨大风出现的天气，不进行无人机抗风测试。

从四旋翼无人机中DJI Inspire1、DJI air2s的抗风测试情况结果(见表1)看，①对于两个同样具备GPS定位导航系统的四旋翼无人机来说，重量大的四旋翼无人机抗风能力比重量小的四旋翼无人机抗风能力要强些。②在DJI air2s起飞到悬停的过程中，4级风力时机身倾斜角度<20°，无人机系统会自动进行维稳调整，并可以执行任务，但电池耗电率增大，而DJI Inspire1表现稳定。需要注意的是，在进行气象灾情调查中，大部份的微型无人机都不能在雨天进行作业，因此无人机通常是用于气象灾后调查。

表1 四旋翼无人机(DJI Inspire1、DJI air2s)

结果表明，无人机在飞行过程中，出现机身轻微的倾斜并不会影响飞行。但是当有突风或是紊流出现，且阵性风力超过4级以上，像大疆御系列之类的机身偏轻且更微小的四旋翼无人机飞行过程中容易倾斜，而当微型无人机的机身倾斜成90°，无人机将会失去平衡，从而导致炸机。因此对无人机进行抗风能力的测试，能大大减小无人机炸机的概率，增大无人机的生存概率，同时也使无人机作业环境要求性降低，如有风的天气和风大风小的天气，能及时判断适合飞行的天气条件，尽可能地减少在气象防灾减灾工作使用中的损失[3]。

3 无人机在气象灾情调查中的应用

2016年5月19—20日，广东省茂名市遭遇入汛以来最强降雨过程，其中信宜市东镇街道信宜站点记录到过程雨量高达495.5mm，是1954年有气象记录以来最强降水。强降雨造成信宜地区19个镇约54万人受灾，紧急转移约5万人；农作物受灾面积高达25.37万亩，倒塌房屋 974间，造成直接经济损失11.97亿元。

3.1 无人机在2016年“5·20信宜暴雨”气象灾情调查的应用

2016年5月21日，强降雨天气结束后，广东省气象局、茂名市气象局和信宜市气象局工作人员一起前往信宜受灾地区紧急展开灾后调查工作。

信宜市区、受灾乡镇灾后现场一片狼藉，许多地区土壤含水量仍偏高，土质疏松，河床水位高且湍急，存在极大的安全隐患，再加上受灾范围广，给气象灾情调查组和救援人员的工作带来很大困难。为此气象防灾减灾人员立即出动无人机，在高空中进行勘察受灾情况，及时了解河床水位情况与河床两边的农田受灾严重程度和范围，以及是否存在被洪水所困的人员，在时间上和空间上解决了人力无法快速到达的困难。及时将无人机拍摄的受灾地区的照片和视频利用手机、手提电脑通过网络回传至茂名市突发事件预警信息中心的会商平台，快速地将实际灾情情况向市政府、市气象部门汇报，并提供相关资料给中国气象频道、广东天气进行播出报道，同时在茂名天气微博上发布。

3.2 分析与讨论

暴雨、台风等灾害性天气导致严重的气象灾情，特别是暴雨过后所存在的地质灾害滞后性的程度需要实地考察，然而现实中人员难以前往受灾区域进行调查，甚至可能会因受灾区域存在安全隐患导致灾情调查人员出现伤亡事故。

而无人机的出现与运用正好解决了这方面的问题，例如无人机在2016年的“5·20信宜暴雨”气象灾情调查中，起到了举足轻重的作用，也展现出无人机在气象防灾减灾中的优势。另外，通过无人机的现场实时图传，使有关政府部门对气象灾情的了解更快速、直观和透彻，为决策服务提供了有力的辅助[4-5]。

4 结论与展望

在广东茂名地区，暴雨、台风是极易引发气象灾情的灾害性天气，常造成人员伤亡和严重财产损失，微型无人机以其便携、快捷、可图传拍摄的优势为开展城市内涝分析和山体滑坡、山洪、泥石流等地质灾害方面调查提供了第一手的资料，为政府部门提供气象防灾减灾方面的决策辅助；另外，微型无人机的低空探测功能对于山区、海洋等传统手段难以获取相应气象数据的地区来说，在大区域、长时间测量气象参数时，使用微型无人机进行气象探测更节约经济成本，也在最大程度上避免不必要的人员伤亡事件出现；不仅如此，微型无人机还可以用于气象应急救灾、气象科普、环保监测等领域，具有非常广泛的应用前景[6]。

近年来，国内外的低空气象服务倍受人们的亲睐，使用微型无人机进行气象灾情勘察协助工作。随着市场需求增大，微型无人机的科技飞速发展，其续航时间增加到了30min以上，直线范围也升级到了4km甚至更广，手机摇控器的系统除了支持IOS，还支持安卓、鸿蒙等手机终端系统，图传功能也更加便捷，为气象防灾减灾的工作提供了更有利的辅助。

当前经济社会的不断发展对我们气象预报提出了更高的要求，而气象观测是气象预报决策服务的基础，利用无人机气象系统进行气象观测必将对社会公共服务产生更深远的影响。