無人機遙感在臺風災害調查中的應用

王衍，洪海凌，王同行，王芬

(海南省海洋監測預報中心 海口 570204)

?

無人機遙感在臺風災害調查中的應用

王衍，洪海凌，王同行，王芬

(海南省海洋監測預報中心 海口 570204)

文章以2014年1409號臺風“威馬遜”過后對海南文昌翁田、鋪前一帶臺風登陸點的海岸帶破壞情況調查監測過程為依據，介紹了無人機遙感的組成、優勢，以及無人機遙感數據的獲取和處理的監測過程。監測結果表明：臺風過后基巖岸線沒有明顯的特征變化,但砂質岸線部分出現了明顯侵蝕，沿岸防風林受損嚴重，局部防風林后退嚴重。

無人機；遙感；海域岸線；監測

1 引言

海南島面向開闊的南海海域，屬于熱帶季風氣候，全年長夏無冬，主要自然災害以熱帶氣旋(臺風)、暴雨、干旱、冰雹、龍卷風為主。其中臺風是影響海南島的主要自然災害，主要集中在5—11月，是臺風登陸較多的省份之一。臺風過后，通常會造成重災區交通道路中斷和通信設施、電力設施等遭到破壞，在災害監測與災后評估中，災害勘查與救援人員往往受制于災區環境條件所限，無法及時抵達重災區，如何及時取得災害信息及對災情評估成為迫切需要解決的問題。

而無人機遙感系統具有機動靈活、易于起降、不受交通、通信等限制，可云下飛行、低空大比例尺制圖、地面運輸方便、小區域(200 km2以內)高分辨率(優于0.1 m)遙感數據獲取效率高等技術特點[1]。因此，無人機遙感系統在災情監測與評估中具無可比擬的優勢。

2014年7月18日超強臺風“威馬遜”(1409號)在海南文昌市翁田、鋪前一帶沿海登陸，登陸時中心附近風力達17級。根據海南省防汛防風防旱總指揮部發布的消息，超強臺風“威馬遜”給海南省造成了巨大損失，據初步統計，全省有18個市縣216個鄉鎮(街道)受災，受災人口325.8萬人，共撤離和轉移安置38.6萬人，受災農作物面積162 970 hm2，倒塌房屋23 163間，直接經濟損失119.5億元。因災死亡25人，失蹤6人。

臺風過后，為了能迅速把沿岸海域岸線破壞狀況、交通運輸狀況等信息提供給各級抗災指揮機關，為搶險救災決策提供準確依據，海南省海洋監測預報中心作為國家級海域無人機遙感監視監測基地建設單位，針對此次1409號超強臺風迅速做出反應，積極與軍、民航空管部門協調空域，簽訂了《空中防相撞安全保障協議》。 7月24日至8月1日海南省海洋監測預報中心組織無人機作業隊對此次受災嚴重的文昌翁田鎮沿海、鋪前港、東寨港開展了無人機遙感岸線破壞情況監測、評估與調查。通過對大量現勢遙感影像的快速處理與對比分析，短時間內獲得了災區海域岸線破壞情況的初步評價結果，為減災救災科學決策與指揮提供了更加客觀、及時、全面的災情信息，大大提高了減災效果，提升了災害現場勘查能力。

2 無人機遙感系統的組成與優勢

2.1 無人機遙感的組成

無人機遙感系統一般由無人機遙感平臺、飛行控制系統、地面接收控制系統、無人機數據處理系統和應用分析系統等幾部分組成。無人機遙感平臺主要由飛行控制單元、穩定控制云臺、無線通信單元、GPS 單元、姿態測量單元和任務傳感器等部分組成[2](圖1)。

圖1 無人機遙感的組成

飛行控制系統采用氣壓定高和 GPS 自主導航，可按地面站設定的航線傳輸到飛控系統，飛機在天上按規劃航線飛行，飛行中可隨時切換遙控飛行狀態或自主飛行狀態；地面控制系統主要是無人機飛行前進行任務航路規劃，在無人機飛行過程中顯示飛行區域的航跡、飛機的姿態航向參數、電子地圖、飛行參數，實時下傳并記錄飛行中所有飛行參數和導航數據。通過航跡規劃和路徑調整進行各種任務的控制執行。無人機數據處理和應用分析系統主要是對采集到的影像進行快速拼接、空三加密、數字高程模型(digital dlevation model,DEM)與正射影像生成及影像判別、信息提取、專題圖制作等[3]。

2.2 無人機遙感的優勢

無人機與有人飛機、衛星等飛行器相比較，有著不可代替的優勢。

(1)無人機操作簡單、飛行準備時間短、飛行高度低，與有人機對比降低了對環境條件的限制，可迅速到達監測區附近設站。

(2)無人機購置費用低，維護使用成本低、無人機對操作員的培養周期相對較短。

(3)無人機可以為多種小型遙感傳感器提供良好的搭載平臺，如熱成像儀、探地雷達、合成孔徑雷達、激光SAR、氣象傳感器等，以滿足多種快速監測所需。

(4)無人機可獲取超高分辨率數字影像及定位數據，可針對特殊監測目標搭載單波段、多波段、全色波段等傳感器，具備面積覆蓋、垂直或傾斜成像的技術能力，獲取圖像的空間分辨率可達到厘米級[4]。

3 無人機遙感在海域岸線監測中的應用

3.1 數據獲取

本次無人機災害調查航拍所采用的無人機是北京安翔動力科技有限公司生產的“單兵一號”型固定翼電動無人機，搭載的可見光攝像設備為經過檢定校準的索尼NEX-7型相機，飛行作業高度為400 m，獲取影像空間分辨率0.1 m，采用PIX4D-MAPPER作為無人機數據處理系統軟件，實現對無人機數據的空三加密、DEM與正射影像生成。航向重疊度為60%～80%，旁向重疊度為65%～80%，航線像片姿態旋偏角不大于8°，傾角不大于2°(表1)。

表1 “單兵一號”無人機參數

根據2014年1409號“威馬遜”臺風路徑、風圈半徑及初步災害調查結果，確定了本次無人機調查范圍(表2) 共3個區域205 km2，獲取影像4 214張，布設像控點26個。

表2 無人機航拍范圍區域

3.2 無人機數據處理

(1)無人機數據的處理應包括原始影像數據、相機檢校文件、飛行控制資料、航線結合表(航線索引圖，包括飛行信息)等。

(2)相機檢校文件包括：相機像主點坐標、像元大小、相機焦距、徑向畸變差系數(K1、K2)、切向畸變差系數(P1、P2)、CCD非正方形比例系數α、CCD非正交性的畸變系數β、像方坐標系等(其單位為像素或毫米)。

(3)飛行控制資料包括：測區控制點、控制點坐標文件(包括平面坐標與高程坐標)等。

(4)航線結合表包括：航線索引圖、飛行方向及飛行架次等(詳見圖2無人機數據處理流程)。

(5)將機載POS數據導入遙感影像處理軟件，讀取作業區域內經度、緯度、飛行高度信息，呈現作業區域內實際飛行航線軌跡，加載現場測量的地面控制點校正影像精度，拼接后獲取本作業區域內高清正射遙感影像圖。

圖2 無人機數據處理流程

4 無人機遙感監測結果分析

4.1 文昌市鋪前鎮木蘭頭一帶岸線影響分析

在計算機成圖軟件里將2014年7月獲取的0.1 m精度的無人機遙感圖與2013年4月獲取2.5 m分辨率衛星影像圖對比分析，該區域主要由基巖和砂質岸線構成，基巖岸線沒有明顯的特征變化,但砂質岸線部分出現了明顯侵蝕，從無人機影響影像圖可以分辨，沿岸防風林受損嚴重，無人機影像圖上大面積的土黃色區域為防風林折斷死亡枯萎形成。

4.2 文昌市鋪前鎮新埠村一帶岸線影響分析

該區域以砂質岸線為主，在計算機成圖軟件里將“海南海岸線”、2014年7月獲取的0.1 m精度的無人機遙感圖、2013年4月獲取2.5 m分辨率衛星影像圖進行對比測算判讀分析，2013年4月防風林與海南海岸線之間的岸灘面積為2.631 2 hm2，而2014年7月防風林與海南海岸線之間的岸灘面積為3.289 4 hm2，防風林后退了近10 m。

4.3 文昌市翁田鎮抱虎角一帶海岸影像分析

該區域主要以砂紙岸線為主，靠近岸線分布了很多蝦塘和魚塘，從2013年4月獲取的2.5 m分辨率衛星遙感圖可以判讀，岸線周邊種植了大面積的防風林，但從2014年7月的無人機遙感圖分析，防風林已基本折斷死亡枯萎，水產養殖場也受損嚴重。

4.4 對紅樹林的影響

通過無人機影像進行判讀，海口市北港島紅樹林有明顯的被風暴潮淹沒的痕跡，島內防風林大面積折斷死亡，海口市北港島紅樹林受風暴潮增水影響，受損區域面積達3.612 8 hm2。

5 結束語

無人機遙感系統作為衛星遙感和載人航空遙感的有效補充手段，具有實時性強、靈活方便、空間分辨率高、受環境條件限制少、低空云下作業的優點，將其應用于自然災害應急救援具有廣闊的發展空間和應用前景。本次臺風過后對海域岸線破壞情況的監測屬于海南省的首例，對于災后評估發揮了重要作用，但也存在著諸多技術難點，建議在以下方面予以改進。

(1)無人機系統在海洋應用中的安全可靠性存在難點。海南省的海洋監測無人機平臺基本由陸地無人機監測系統移植而來，但海洋環境與陸地不同，海洋環境風力大，對海域作業無人機飛行姿態影響較大，目前缺少針對海洋特殊應用環境開展的針對性研究和應用范例，此次開展臺風災害調查，雖然前期做了詳細的方案，但在實施過程中仍是摸著石頭過河。

(2)獲取高質量的海域無人機遙感數據存在難點。目前海域無人機監測技術應用還屬于探索階段，沒有建立起完善的作業和安全管理標準，無人機作業飛行和任務載荷配置等多按之前積累的一些經驗進行操作，容易導致無人機系統獲取的數據質量不統一，一次性獲取合格影響的難度較大。

(3)無人機海域大傾角影像數據處理技術存在難點。由于海面風力較大且不穩定，無人機體積小、載重量輕，無法使用專業航空相機、姿態記錄儀和穩定平臺等輔助設備，致使拍攝姿態不穩，所得圖像的畸變較大，相關參數少，導致后期圖像處理很困難[5]。今后，在載荷允許情況下攜帶專業航空攝影機、姿態記錄儀和穩定平臺等輔助設備，減輕后期影像處理的難度。

(4)飛行場地難以選擇。由于無人機作業的特殊性，需要絕對的凈空和良好的飛行降落場地，但海邊作業不比陸地，海邊沒有平整場地并且種有高大濃密的防風林，這對于良好的飛行場地選擇和飛控手的技術操控提出很高的要求。

[1] 李德仁，李明.無人機遙感系統的研究進展與應用前景[J].武漢大學學報，2014， 39(5): 505-540.

[2] FAHLSTROM P G，GLEASON T J.無人機系統導論[M]2版.吳漢平，邵國培，譯.北京:電子工業出版社，2003: 13.

[3] 法斯多姆.無人機系統導論[M]2版.吳漢平,譯.北京:電子工業出版社,2003:13.

[4] 王芳，宋士林，葛清忠.無人機在海洋調查中的應用前景展望[J].海洋開發與管理，2013 ,30(2):44-45.

[5] 李珊珊，苑文穎，宮輝力,等.無人機遙感系統在災害損失實物量評估中的應用[J].測繪科學，2013，38(6): 76-78.

P715

A

1005-9857(2015)12-0060-04