無人機(jī)航攝系統(tǒng)及其在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援中的應(yīng)用

韓宇波

（中國人民公安大學(xué)，北京 100038）

我國地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，其有著地域分布廣泛、頻率高、損失嚴(yán)重和影響范圍大的特點(diǎn)。提升地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援能力，不僅能夠保證快速建立緊急救援系統(tǒng)，同時(shí)對于減小經(jīng)濟(jì)損失、減少人員傷亡也有著十分重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，無人機(jī)航攝系統(tǒng)在應(yīng)急救援領(lǐng)域得到了較高的普及，在遙感技術(shù)、熱成像技術(shù)及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的輔助下表現(xiàn)出了較高的安全性、較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及較為豐富的功能性特征，突破了傳統(tǒng)救援手段受限度高、救援速度慢的劣勢，能夠快速完成地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域影像數(shù)據(jù)的獲取，在三維模型成果上對變形量進(jìn)行測量，通過對影像數(shù)據(jù)成果進(jìn)行比對，分析地災(zāi)體的變化趨勢，為防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)依據(jù)。

1 無人機(jī)航攝系統(tǒng)概述

1.1 無人機(jī)航攝系統(tǒng)構(gòu)成

無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)通過無人駕駛技術(shù)、遙感傳感技術(shù)、定位技術(shù)和憑數(shù)據(jù)的快速獲取及高精準(zhǔn)度的覆蓋彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感等測繪手段在精度和及時(shí)性等方面的不足，主要構(gòu)成包含飛行平臺、控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。圖像獲取流程如圖1 所示[1]。其中飛行平臺是指令接收單元也是質(zhì)量發(fā)射單元，能夠完成控制端飛行地點(diǎn)及飛行高度的目標(biāo)指令接收，并將相關(guān)指令通過成像傳感器系統(tǒng)完成直接傳輸保證無人機(jī)航攝按照既定的航線完成飛行任務(wù)的執(zhí)行。飛控系統(tǒng)用以輔助進(jìn)行導(dǎo)航和定位并且及時(shí)接收相關(guān)路線質(zhì)量的修改，同時(shí)也肩負(fù)著完成無人機(jī)的航行姿態(tài)及軌跡進(jìn)行掌握記錄的任務(wù)。而數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會結(jié)合范圍內(nèi)的地理地形特點(diǎn)，完成圖像質(zhì)量重疊度精度影響因素的消除，根據(jù)綜合指標(biāo)完成航線參數(shù)的計(jì)算，利用實(shí)時(shí)動態(tài)（Real time kinematic，RTK）完成坐標(biāo)系信息獲取，能夠完成各類信息的接收，同時(shí)能夠給予相關(guān)飛行參數(shù)及導(dǎo)航軌跡等直接地顯示。

圖1 無人機(jī)圖像獲取流程

1.2 地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援中的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 定位導(dǎo)航

定位系統(tǒng)是無人機(jī)航攝系統(tǒng)的核心構(gòu)成，通過衛(wèi)星信號的描述來完成用戶接收機(jī)位置的確定，可以提供精確的三維位置、速度及時(shí)間信息，具備連續(xù)的全球覆蓋能力[2]。定位過程當(dāng)中通過衛(wèi)星系統(tǒng)完成信號發(fā)送工作任務(wù)，由用戶接收機(jī)完成信號接收任務(wù)，接收和發(fā)射的時(shí)間差就是衛(wèi)星信號的傳播時(shí)間，根據(jù)歐式空間定理可以計(jì)算出衛(wèi)星系統(tǒng)同用戶接收機(jī)之間的距離。例如在泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害發(fā)生的過程中，單純依靠人力救援工作難以展開，地毯式的搜索需要投入大量人力。無人機(jī)進(jìn)入受災(zāi)區(qū)域后可以利用導(dǎo)航系統(tǒng)保證應(yīng)急救援過程中完成精準(zhǔn)定位識別，提高搜救效率。

1.2.2 空間信息直播

災(zāi)情信息獲取之后通過高效數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)空間信息直播，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化將其發(fā)布以便進(jìn)行應(yīng)急服務(wù)。機(jī)載測量平臺通過控制主板I/O 設(shè)備完成數(shù)據(jù)的讀取，使用數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）模塊將數(shù)據(jù)壓縮后傳輸，再利用地面無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^方法轉(zhuǎn)發(fā)至地面接收系統(tǒng)。此時(shí)，地面接收系統(tǒng)便會將無人駕駛飛行器上所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)解壓，從而實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)端的直接顯示。例如，地震災(zāi)害發(fā)生以后破壞性較強(qiáng)，采用空間信息直播技術(shù)可以完成震區(qū)位置、范圍及強(qiáng)度的確認(rèn)，精確提取地震屬性信息，提高應(yīng)急調(diào)查效率。

1.2.3 遙感技術(shù)

遙感傳感器能夠獲取含有豐富信息的影像，通過計(jì)算機(jī)的輔助處理，完成對圖像的恢復(fù)、增強(qiáng)及分類工作，從而真正發(fā)揮出信息的參考作用。遙感技術(shù)在電磁輻射的基本原理上構(gòu)建，利用遙感器通過不同物體對電磁波反射的不同特性來實(shí)現(xiàn)感知識別[3]，利用不同波段的穿透性最大限度地獲取物體的內(nèi)部數(shù)據(jù)信息，在計(jì)算機(jī)輔助處理之下，發(fā)揮出信息的參考作用。當(dāng)今的遙感技術(shù)完成了與光學(xué)、電學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)等全新科學(xué)領(lǐng)域的結(jié)合，在基礎(chǔ)信息及動態(tài)數(shù)據(jù)的提取上表現(xiàn)十分出色。例如冰凍、雨雪等重大氣象災(zāi)害發(fā)生波及范圍較大，無人機(jī)航攝充分利用遙感技術(shù)在不斷地升級完善之下可以完成動態(tài)監(jiān)測，并以識別結(jié)果完成規(guī)律判定，進(jìn)而輔助完成應(yīng)急救援任務(wù)的執(zhí)行。

1.2.4 數(shù)據(jù)壓縮編碼

數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)是保證無人機(jī)航攝系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援中完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)那疤幔跓o人機(jī)航攝系統(tǒng)通過傳感器完成數(shù)據(jù)獲取的過程中會利用數(shù)據(jù)鏈將其實(shí)時(shí)傳輸至接收系統(tǒng)。但地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的過程中數(shù)據(jù)傳輸量較大，因此整個(gè)通信寬帶面對著巨大的傳輸壓力，而此時(shí)利用壓縮算法來完成獲取數(shù)據(jù)的壓縮，能夠保證信息容量的擴(kuò)充，且能夠通過高分率的運(yùn)動補(bǔ)償算法保證高質(zhì)量影像的壓縮和傳輸。例如洪澇災(zāi)害發(fā)生后，傳統(tǒng)監(jiān)測不僅信息獲取速度慢且缺乏客觀性，數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)的應(yīng)用能夠保證動態(tài)監(jiān)測的及時(shí)傳輸，結(jié)合地形數(shù)據(jù)完成災(zāi)害分析。

2 無人機(jī)航攝系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援中的優(yōu)勢

2.1 應(yīng)急測繪，科學(xué)保障救援

自然災(zāi)害有著發(fā)展迅速、波及范圍廣和影響程度深的特點(diǎn)，因此應(yīng)急救援過程中以了解災(zāi)情實(shí)際情況為首要任務(wù)，繼而可有針對性地制訂后續(xù)的救援計(jì)劃。應(yīng)急測繪是實(shí)現(xiàn)科學(xué)及時(shí)救援、自然災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)評估等工作的保障[4]。無人機(jī)攝影系統(tǒng)能夠完成數(shù)據(jù)的采集工作，通過快速地處理實(shí)現(xiàn)災(zāi)區(qū)三維模型的繪制，三維建模技術(shù)可以全方位地呈現(xiàn)自然災(zāi)害爆發(fā)后受災(zāi)的實(shí)際狀況，并利用空間信息和數(shù)據(jù)可視化切實(shí)地為受災(zāi)的調(diào)查研究和地貌的勘測工作提供幫助。除此以外，高精度三維模型的建立能夠輔助完成塌方量測算、滑坡量數(shù)據(jù)測算和災(zāi)害及范圍評估，能夠最大限度地降低災(zāi)害的影響范圍。

2.2 靈活響應(yīng)，突破地形限制

地震、泥石流等大型自然災(zāi)害的發(fā)生，對于交通、通信等方面都會造成嚴(yán)重的影響。且大多自然災(zāi)害的發(fā)生地均處于復(fù)雜的山區(qū)，如此一來給應(yīng)急救援造成了較大的阻礙。無人機(jī)航攝系統(tǒng)作為一種智能裝備，在應(yīng)急救援領(lǐng)域能夠展現(xiàn)出較快的救援速度和較為靈活的工作性能，在災(zāi)害發(fā)生后的第一時(shí)間，便能夠突破地理環(huán)境的限制，深入地勢惡劣的災(zāi)區(qū)現(xiàn)場。

預(yù)計(jì)11月底，尿素市場將進(jìn)入銷售的小旺季，但是復(fù)合肥情況則不太樂觀。唐小琳說，由于目前氮磷鉀等原料市場價(jià)格上漲，復(fù)合肥出廠價(jià)格走到了歷史最高點(diǎn)。所以，今年的冬儲估計(jì)要用“平淡”兩個(gè)字來總結(jié)。但是化肥對農(nóng)民來說屬于剛性需求，唐小琳表示，預(yù)計(jì)經(jīng)銷商完成備貨以后，尿素是市場價(jià)格或?qū)⒒貧w“理性”。

另外，在諸多先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的輔助之下，救援無人機(jī)除了可以完成基本的測繪攝影工作外，通過功能模塊的搭載為整體救援提供了極大的方便性。例如通過喊話器的搭載，能夠保證無人機(jī)攝影系統(tǒng)在高空巡邏的過程中完成喊話宣傳和深度交流；通過照明設(shè)備的搭載，能夠保證在深夜巡邏或者天氣惡劣情況下提供緊急照明，輔助救援工作的展開；通過紅外熱成像儀的搭載，輔助夜晚環(huán)境下的偵查順利進(jìn)行。

2.3 緊急搜索，降低安全風(fēng)險(xiǎn)

自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，人員被困的現(xiàn)象非常常見，但惡劣的自然環(huán)境加大了搜救難度。為此，必須在最短的時(shí)間內(nèi)快速地進(jìn)行目標(biāo)搜索，提供救援服務(wù)，降低遇險(xiǎn)人員生命安全威脅。通過無人機(jī)航攝系統(tǒng)進(jìn)行搜救，結(jié)合多種電子信息技術(shù)及無線通信技術(shù)，能夠快速地發(fā)現(xiàn)失蹤人員，同時(shí)提供準(zhǔn)確的地理位置信息和圖像信息，保證搜索范圍和救援規(guī)模的縮小[5]。在高頻采集設(shè)備的輔助之下完成災(zāi)情的偵查，減少了無效救援的浪費(fèi)，降低了救援人員深入險(xiǎn)惡環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)率，同時(shí)有效地提升了救援速度。

3 無人機(jī)航攝系統(tǒng)及其在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援中的應(yīng)用

我國西南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，2017 年6 月某村莊發(fā)生了嚴(yán)重的山體滑坡事件，整個(gè)村莊幾乎被完全淹沒，造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。災(zāi)害發(fā)生后交通被切斷、河道被堵塞，且因?yàn)樵摯迩f本身處于山谷高坡，周邊植被較為茂盛，為保證救援順利開展，必須在最短的時(shí)間內(nèi)將相關(guān)的信息進(jìn)行采集反饋，保證應(yīng)急處置的及時(shí)。但若采用傳統(tǒng)的救援手段，不僅工作強(qiáng)度大、效率低，且很多核心區(qū)域無法到達(dá)，一旦在救援過程中發(fā)生二次災(zāi)害，產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)是難以估量的。災(zāi)害發(fā)生以后，救災(zāi)指揮部門應(yīng)立即采取緊急應(yīng)急救援措施，選用無人機(jī)航攝系統(tǒng)完成應(yīng)急測繪，結(jié)合地面調(diào)查及監(jiān)測資料完成災(zāi)后高分辨率正射影像及三維實(shí)景模型的獲取，保證指揮部掌握一手全面數(shù)據(jù)，強(qiáng)化監(jiān)測預(yù)警，將二次災(zāi)害發(fā)生損失減至最低[6]。

3.1 技術(shù)路線

3.1.1 航線規(guī)劃

本次救援過程中應(yīng)用大疆無人機(jī)（Phantom4 RTK）進(jìn)行航測（主要參數(shù)指標(biāo)見表1）。該款無人機(jī)作為一款小型高精度航測無人機(jī)內(nèi)置導(dǎo)航定位模塊，測量精度可達(dá)厘米級。航攝任務(wù)完成過程中根據(jù)滑坡影響范圍、相對高差和實(shí)際的救援需求制定相應(yīng)的航線及航攝分區(qū)，要保證安全距離及安全高度，充分考慮高程分辨率和重疊度需求。另外，災(zāi)害發(fā)生之后，航攝任務(wù)很容易受到地形和障礙物的影響，且相機(jī)的參數(shù)及地面低分辨率是人工無法干預(yù)的，為此本次任務(wù)考慮在測區(qū)范圍內(nèi)通過若干條與測圖航線垂直航線的加飛，來完成航線的控制以保證區(qū)域模型之間的連續(xù)性及加密平差精度的提高。航高作為航帶線路設(shè)置的重要參數(shù)由相機(jī)傳感器電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）尺寸、相機(jī)主距及影像地面分辨率（Ground Sampling Distanc，GSD）等決定。航高與地面分辨率及相機(jī)焦距關(guān)系示意圖如圖2 所示。

圖2 航高與地面分辨率及相機(jī)焦距關(guān)系示意圖

表1 大疆無人機(jī)（Phantom4 RTK）主要參數(shù)指標(biāo)

航攝高度計(jì)算關(guān)系如下

式中：H 為航攝高度，m；a 為傳感器CCD 像元尺寸，μm；f為無人機(jī)鏡頭焦距，mm；GSD 為地面影像分辨率，m。

最終，本次救援任務(wù)設(shè)置25 條航線，航拍高度確認(rèn)為300～450 m，航向重疊度為75%，航帶間重疊度為70%。

3.1.2 像控點(diǎn)布設(shè)

控點(diǎn)布設(shè)是無人機(jī)完成航測任務(wù)的關(guān)鍵步驟，其作為空三加密及測圖的基礎(chǔ)，保證合理的像控點(diǎn)布設(shè)能夠保證成圖的精度。像控點(diǎn)布設(shè)的基本原則為按航線實(shí)現(xiàn)全區(qū)統(tǒng)一布設(shè)，借鑒幾何強(qiáng)度的構(gòu)成保證在測區(qū)內(nèi)形成均勻分布的像控點(diǎn)[7]。若測區(qū)為大面積規(guī)整區(qū)域，以品字形像控點(diǎn)布設(shè)為主；若為帶狀區(qū)域則以S 或Z 形路線完成布點(diǎn)。在進(jìn)行像控點(diǎn)密度設(shè)置的過程中，通常要考慮地形和精度的需求，其中地形復(fù)雜、起伏較大的區(qū)域可以適當(dāng)?shù)卦黾酉窨攸c(diǎn)的布設(shè)量（像控點(diǎn)布設(shè)參考見表2）。本次救援過程中應(yīng)用的大疆無人機(jī)（Phantom4 RTK）精度較高，無需另設(shè)像控點(diǎn)。

表2 像控點(diǎn)布設(shè)參考

3.1.3 三維建模

三維模型制作過程當(dāng)中的主要方法包括利用現(xiàn)有的模型制作軟件或者是數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)來完成，也可以通過GIS 二維數(shù)據(jù)在高度屬性的輔助之下完成三維建模。利用專業(yè)的軟件完成建模是目前最為直接有效的方式，本次應(yīng)急救援任務(wù)選用Bentley 公司的ContextCapture Center Master 軟件。該軟件不僅提供了豐富的軟件接口，能夠完成多種平臺的有效融合，更有著簡單的操作流程，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)同地理信息軟件的結(jié)合。本次航攝任務(wù)完成后獲得高分辨率數(shù)字地表模型（DSM）和數(shù)字正射影像圖（DOM），在ContextCapture Center Master 軟件的輔助之下通過聯(lián)機(jī)計(jì)算完成三維實(shí)景模型的建立[6]。

3.2 應(yīng)用效果

在本次山體滑坡事件中大疆無人機(jī)（Phantom4 RTK）在應(yīng)急救援過程中共完成了785 張航拍照片的拍攝，災(zāi)害發(fā)生的4 h 之內(nèi)就完成了三維實(shí)景模型的構(gòu)建。清晰的三維模型明確了變形體的存在位置，該變形體的存在很有可能引發(fā)二次災(zāi)害而造成二次風(fēng)險(xiǎn)，所以應(yīng)急救援部門針對該現(xiàn)象給予一定程度的重視，救援開展過程中及時(shí)避免危險(xiǎn)區(qū)域。在救援組的綜合判定之下，制定了綜合性的緊急救援程序，爭取了救援時(shí)間，將損失減至最低。可以說，無人機(jī)航攝系統(tǒng)積極地推動了災(zāi)害現(xiàn)場救援科學(xué)、合理、有序和及時(shí)地開展。

4 結(jié)束語

在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援中，無人機(jī)航攝系統(tǒng)能夠完成立體監(jiān)控體系的快速構(gòu)建，保證深入災(zāi)區(qū)核心，獲取一手信息并直接傳遞至指揮中心，幫助救援人員對災(zāi)害的影響情況作出及時(shí)準(zhǔn)確的判定，并完成針對性救援方案的制訂。隨著使用需求的提升，無人機(jī)測量測繪系統(tǒng)正向著自動化、智能化、全面化和高效化的方向快速發(fā)展，通過不同功能模塊的搭載實(shí)現(xiàn)不同的功能。而在未來，隨著集成化及專業(yè)化功能的深度打造，無人機(jī)航攝系統(tǒng)及其在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援中的應(yīng)用效果也會更加顯著。