淺談無人機航空遙感系統在搶險救援中的應用

劉 亞 爽，　朱 毓 杰，　林 芳 芳

(1.中國人民武裝警察部隊 水電第九支隊，四川 成都　611130；2.中國人民武裝警察部隊 水電第三總隊，四川 成都　611130)

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淺談無人機航空遙感系統在搶險救援中的應用

劉 亞 爽1，朱 毓 杰2，林 芳 芳2

(1.中國人民武裝警察部隊 水電第九支隊，四川 成都611130；2.中國人民武裝警察部隊 水電第三總隊，四川 成都611130)

重大自然災害往往會造成災區信息通訊中斷、構筑物受損、河道堵塞等，因此，獲取第一手災情數據資料，對于現場感知、監測預警，制定及時的救援策略, 提高救援效率將起到至關重要的作用。無人機(UAV)作為一種新型偵測類工具，能夠越過山川河流阻隔，對方圓百公里范圍進行精確偵察，形成三維地理遙感影像，具有實時性強、機動靈活、影像分辨率高、成本低的特點, 且其能夠在復雜地區進行作業。通過在“8.03”魯甸牛欄江搶險中使用航空遙感以及在多次大型演習中執行航拍、航測任務的經驗總結并查閱相應數據資料，對于山體裂縫掃描、滑坡預警等災情判斷和作業量計算，無人機航空遙感系統起到了無可替代的作用。

無人機；航空遙感系統；搶險救援；應用

我國地域廣闊，地質、自然環境復雜,是災害頻發的國家之一。為了提高救援效率和質量,降低災害損失程度,必須實施統一、高效、快速的應急救援指揮體系。而提高應急救援效率的關鍵因素是迅速、準確獲取災害發生后的第一手災情信息。無人機航空遙感系統非常適合于各種自然災害的應急救援，實現了危險區域的無人偵測，加快了災情數據的收集，提高了指揮決策研判的準確性。筆者介紹了無人機航空遙感系統的組成,結合無人機航空遙感系統在魯甸牛欄江堰塞湖排險、聯訓聯演和“衛士-15”演習中的應用情況, 總結了其在應急搶險救援方面的作用。

1　無人機航空遙感系統的組成

無人機航空遙感系統主要由無人駕駛飛行器、飛行控制系統、穩定云臺、任務傳感器、無線通訊系統、數據處理與應用分析系統以及地面控制系統等幾部分組成。

1.1無人駕駛飛行器(UAV)

無人駕駛飛行器由發動機、舵機、飛行控制單元、無線通訊單元、 GPS單元、慣性測量單元、云臺等組成。根據飛行方式，可將其劃分為直升機、固定翼無人機、旋翼無人機。通常，根據成像系統所需分辨率高低，以及低原、高原對飛行器的任務需要，固定翼的動力系統通常采取油動和電動兩種方式。

以ZHAP-1油動固定翼無人機為例(圖1),其性能參數如下：翼展為2 650 mm；機身長1 980 mm；機載設備最大重量為3.5 kg；最大起飛重量為16 kg；起飛速度為55 km/h；巡航速度為135 km/h；降落速度為48 km/h；失速速度為40 km/h；飛行時間為120～180 min。其飛行姿態穩定，載重量大，續航時間很長，可攜帶相機、吊艙以及飛控、電臺等設備，抗風5～7級，抗中雨，可在高原地區飛行。

圖1　ZHAP-1油動固定翼無人機

1.2飛行控制系統

飛行控制系統通過自動調參，智能適應飛行狀態，智能檢測飛行狀態、高精度差分GPS定位實現飛行器自駕飛行。主要包括主控(MC)、慣性測量單元(IMU)、GPS、電子調速器和接收機等。

1.3無線通信系統

無線通信系統是無人機在作業和信息傳輸過程中不可缺少的一部分，通常采取電臺以電磁波的形式進行飛機和地面控制系統的信息傳輸與全程控制。無人機無線通信系統主要搭載可見光相機、CCD攝像機、紅外攝像機、超光譜成像儀、數字電臺、數字圖傳及其它類型傳感器。

1.4地面控制系統

地面控制系統采用GPS、IMU、MC獲取位置、高度及航向等信息，通過電臺和地面站進行實時數據交換以規劃飛行任務和姿態校驗(圖2)。

圖2　YS09無人機地面指揮控制中心界面

1.5數據處理與應用分析系統

地面站軟件在運行過程中會將地面站與自駕儀設備通過數據鏈路交互的通訊數據保存下來，其包含任務執行的時間、經緯度、航域、影像重疊率等信息。通過圖像處理軟件對含有POS數據的信息數據進行分析和處理。

2　無人機航空遙感系統在“8.03”魯甸牛欄江堰塞湖搶險中的應用

2014年8月3日16時30分，在云南省昭通市魯甸縣(北緯27.1°，東經103.3°)發生6.5級地震，震源深度12 km，余震一千余次。地震引發了大量崩塌、滑坡、泥石流，牛欄江兩岸山體同時滑坡，形成堰塞湖，導致下游一小型電站被埋，大部分國道、省道、鄉村道路嚴重破壞, 給搶險救援工作造成難以想象的困難。

地震發生后, 我部攜帶固定翼和旋翼無人機迅速進入災區,利用多旋翼無人機對兩岸山體裂縫進行監測掃描, 利用T2P和F1P兩架固定翼無人機對牛欄江堰塞湖周邊20 km范圍進行航空遙感測繪，形成了高分辨率遙感偵測圖像并生成災區數字高程三維模型，快速分析了河道損毀情況和堰塞體作業量評估,為指揮決策、兵力部署、戰法研究、監測預警和泄洪槽的開挖作業起到了不可替代的作用(圖3、4)。

圖3　牛欄江堰塞體航空遙感圖

圖4　右岸山體裂縫航拍圖

3　無人機航空遙感系統在聯訓聯演和“衛士-15”演練中的應用

2014年7月和2015年5月，我部組織了四川方向聯訓聯演和“衛士-15”演習(圖5、6)，演習地點分別為四川省都江堰市崇義鎮和西藏自治區日喀則拉洛鄉，海拔分別為650 m和4 300 m。

為了在低原和高原兩種情況下實現搶險救援遠程偵測，收集地理信息數據，偵測組先后利用多架無人機對堤壩處置區、拉洛水利樞紐、定日至薩迦縣國道和道路搶通路段進行了航拍、航測和實時傳輸，形成了高分辨率遙感偵測圖像，推動了演習的順利進行。

特別是在高海拔地區作業時，干擾無人機的因素很多，我們通過分析和總結，積累了很多在高寒地區遙感測繪的經驗。

情況一：在兩山夾一溝的地形下，風速快、變化大，無人機相對速度過低會導致飛機失速。經驗總結：在海拔超過3 500 m時，特別是山谷地帶，當風速超過4級時，巡航速度小于100 km/h的固定翼無人機不適合飛行，無人機應該避免在這種區域進行低空遙感，應選擇風速較小的開闊地帶和巡航速度≥100 km/h的固定翼無人機作業，爬升到制定高度后，再對目標區域進行航空測繪。

圖5　堤壩損毀正攝投影圖(都江堰架青橋)

圖6　“衛士-15”道路搶通(海拔4 300 m)

情況二：受海拔影響，空氣密度較低，晝夜溫差大，電池放電曲線下降，機載設備過重，電機kV值低會導致過載，瞬間電流超過峰值，致使無人機失控。經驗總結：在海拔超過3 500 m的地區，電池應選用放電量大于25 C的高性能LI-PO電池，并配置相應高kV值的電機，計算整機荷載能力。根據伯努利原理，空氣越稀薄，飛機轉速低會導致上下翼面的相對靜壓力較小，無法依托機身所攜帶記載設備的重量；瞬間放電量大，會使電機超負荷運轉，電池過熱致使放電不均衡，飛控無法處理過載信號而導致飛控失靈。通常在高寒地區，應根據槳葉的尺寸和電機kV值計算出電機

所能提供的扭力，選擇相應的機架和荷載重量。對于大于六軸的旋翼無人機電機kV值的選取應不小于400 rpm/V，應選擇超過4 000行代碼的高精度飛控，且做好電子設備的防寒、防潮與保暖。

4　結　語

通過多次實戰和演習中對多種機型的無人機進行實踐操作取得的經驗，筆者得出以下結論：

無人機遙感監測系統的技術具有快速響應、低成本、獲取數據信息高效準確、可對空中危險區域進行連續監測等優勢，空中測量性能突出，是搶險救援的新型手段。尤其是近年來，隨著信息化技術的飛速發展，無人機已能達到長航時、遠距離、高精度的要求，地面遙控作業的方式，有效回避了常規空中測量在時間上、風險上、成本上的難題，彌補了衛星光學遙感和普通載人航空遙感受云層遮擋無法獲取影像的缺陷。在人員往往無法到達或不能前往的危險區域，利用無人機航空遙感系統進行災情調查與評估以及救援指揮,更顯示出其具有的、獨特的優勢。

常規的災情預警周期長,成本高,不利于搶險救援的實際需要，而無人機航空遙感系統作為衛星遙感和載人航空遙感的補充手段,在災害應急搶險救援方面具有更廣闊的發展空間和應用前景。

(責任編輯：李燕輝)

2016-07-21

X4;TV221.1;TV53+9

B

1001-2184(2016)04-0068-03

劉亞爽(1990-)，男，四川成都人，助理工程師，學士，從事災情偵測工作；

朱毓杰(1986-)，男，吉林榆樹人，工程師，學士，從事水利水電工程建設技術與管理工作；

林芳芳(1985-)，女，安徽天長人，工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作.