旋翼無人機在建筑物抗震能力調(diào)查中的應(yīng)用

和仕芳 鄧樹榮 張方浩 杜浩國 曹彥波 余慶坤

摘要：介紹旋翼無人機的工作原理和技術(shù)流程，以無人機在2016年云南重點監(jiān)視防御區(qū)建筑物抗震能力調(diào)查中的應(yīng)用為例，對其獲取的12個調(diào)查點的房屋影像數(shù)據(jù)進行質(zhì)量評價和照片拼接處理，并對產(chǎn)出的正射影像全景圖和三維點云模型進行了對比分析。結(jié)果表明，旋翼無人機在云南山區(qū)具有明顯優(yōu)勢，可作為一種快速獲取影像數(shù)據(jù)的技術(shù)手段，為區(qū)域建筑物抗震能力評估提供有效的基礎(chǔ)信息。

關(guān)鍵詞：旋翼無人機；影像獲取；地震應(yīng)急；建筑物抗震能力

中圖分類號：P315-39 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）04-0673-07

0 引言

無人駕駛飛機（Unmanned Aerial Vehicle，簡稱UAV），是一種有動力、可控制、能攜帶多種設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)并能重復(fù)使用的無人駕駛航空器，簡稱無人機（馬子路等，2013；熊自明，閆鶴，2013；田凱，2013）。無人機最早出現(xiàn)于1917年，早期的無人機主要用作軍事目的上的靶機以及作戰(zhàn)、偵查飛行平臺，隨著無人機技術(shù)的不斷成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛（邵金強，2014；黃春雷，2015；張啟元，2015）。無人機通過搭載不同的實用載荷，可用于高空監(jiān)控、災(zāi)害監(jiān)測評估、輸電線路巡檢、工程檢測、電視節(jié)目錄制、農(nóng)林植保、派送快件、地圖測繪、應(yīng)急救援等各行各業(yè)中（鄒春海等，2016）。在國外，已經(jīng)有牧民開始利用旋翼無人機取代牧羊犬來放羊。而在2013年亞馬遜底首次公開展示了Prime Air服務(wù)，一架8旋翼無人機，半小時內(nèi)可以將一件五磅重的快遞送到目的地。在國內(nèi)，多家電力公司利用多旋翼無人機進行電力巡檢和放線。廣東中山、河北廊坊等地區(qū)已經(jīng)開始采用多旋翼無人機噴灑農(nóng)藥。2015年常州警方利用多旋翼無人機偵察，成功偵破了一起化工原材料盜竊大案。無人機作為一種新科技，正潛移默化地改變著人類的生活方式。在地震應(yīng)急救災(zāi)中，無人機因其機動靈活、現(xiàn)勢性強、作業(yè)成本低和高分辨率等特點，可以第一時間到達救援人員無法到達的危險區(qū)域，及時獲取災(zāi)區(qū)影像數(shù)據(jù)并實時回傳，為災(zāi)區(qū)的災(zāi)害排查、災(zāi)情評估、人員安置、救災(zāi)力量部署等應(yīng)急工作提供科學(xué)依據(jù)。近年來，無人機影像獲取系統(tǒng)作為震后快速獲取災(zāi)情信息的重要手段，在2008年汶川地震（龔建華，趙忠明，2008）、2010年玉樹地震（陸博迪等，2011）、2011年盈江地震（溫奇等，2012）、2013年蘆山地震（王曉青等，2015；劉亢，尚紅，2013）、2014年魯?shù)榈卣穑ü鹦拢＜t英，2015）、2015年滄源地震（李超等，2015）等歷次地震應(yīng)急救災(zāi)工作中發(fā)揮了巨大作用。

目前無人機類型達數(shù)百種之多，其分類方法也多種多樣，按照機翼形式可分為固定翼無人機和多旋翼無人機（劉昌軍等，2014）。固定翼無人機具有飛行速度快、動力效率高、飛行高度高、續(xù)航遠等優(yōu)點，但是存在起飛和降落場地要求較高、受低空紊流響應(yīng)較大、無法在指定位置懸停、航線規(guī)劃設(shè)計和數(shù)據(jù)處理耗時較長影響時效性、受航空飛行管制難以經(jīng)常性展開等問題。旋翼無人機的體積和作業(yè)半徑小、可垂直起降、可在空中懸停，相比固定翼無人機，對場地及氣象條件要求較低，在獲取小區(qū)域高分辨率遙感影像方面具有更強的時效性（李超等，2015；李翔，2016）。云南地形復(fù)雜、西北高東南低、海拔高差懸殊、高山峽谷相間、交通等基礎(chǔ)設(shè)施落后，加之，云南地區(qū)地震發(fā)生頻率高、災(zāi)害重，應(yīng)急救援難度大，因此基于旋翼無人機的影像獲取系統(tǒng)更適用于云南地震應(yīng)急工作。

本文介紹了旋翼無人機的影像獲取系統(tǒng)組成、特點和基于旋翼無人機的建筑物抗震能力調(diào)查技術(shù)，并以旋翼無人機在2016年云南重點監(jiān)視防御區(qū)建筑物抗震能力調(diào)查中的應(yīng)用為例，初步探討了旋翼無人機在云南地震應(yīng)急準備工作中的應(yīng)用。

1 旋翼無人機工作原理

旋翼無人機的機械結(jié)構(gòu)簡單，具有小巧輕便、操作簡單、環(huán)境適應(yīng)性較強等優(yōu)點。云南高原山區(qū)海拔高、氣流變化快、作業(yè)面積較平原地區(qū)小。旋翼無人機以智能電池為動力，采用垂直起降方式，對場地條件要求低，滿足高原山區(qū)野外作業(yè)要求。在飛控方面，旋翼無人機地面飛行控制靈活，可在空中自由懸停，對飛控手的要求也較低。常見的旋翼無人機包括四旋翼無人機、六旋翼無人機、八旋翼無人機、Y型無人機、H型無人機、單旋翼直升機等多種類型。不同類型的旋翼無人機在實用載荷、抗風(fēng)能力等方面的性能有所差別，在實際應(yīng)用中要根據(jù)任務(wù)要求和飛行環(huán)境來選擇合適的機型。

旋翼無人機影像獲取系統(tǒng)以旋翼無人機為飛行平臺，搭載數(shù)碼相機或數(shù)碼攝錄機獲取地面影像信息，飛行過程中可同步傳輸影像并實時處理，產(chǎn)出正射影像地圖等數(shù)據(jù)成果。無人機影像獲取系統(tǒng)由無人機航攝平臺、地面控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，如圖1所示。

2 基于旋翼無人機的建筑物抗震能力調(diào)查技術(shù)路線

基于旋翼無人機影像獲取系統(tǒng)的建筑物抗震能力調(diào)查主要由前期準備、航拍和數(shù)據(jù)處理3個階段組成。前期準備階段主要包括圖上作業(yè)、定點勘察、飛行條件測試、航線設(shè)計和飛行指令傳輸?shù)取Ｔ谠颇细咴絽^(qū)特別要注意風(fēng)力、天氣以及高山峽谷的精確海拔數(shù)據(jù)。航拍階段實時監(jiān)視無人機飛行狀態(tài)，保證無人機按照預(yù)設(shè)航線和高度飛行。

數(shù)據(jù)處理階段主要包括照片拼接、三維建模、建筑物信息識別和抗震能力評估4個方面。旋翼無人機獲取影像受無人機飛行高度和相機焦距的限制，很難用一張照片來拍下整個目標區(qū)域。照片拼接就是將有一定重合區(qū)域的大數(shù)量航拍影像，進行空間配準、圖像融合后，形成視野范圍較大的地面全景圖像（DOM），以達到擴展調(diào)查范圍的目的（吳榮華等，2012；溫奇等，2012）。

無人機獲取影像分為正射影像和傾斜攝影影像兩大類。正射影像是指垂直于地面拍攝獲取的影像，影像范圍較廣，可拼接得到全景圖，宏觀把握區(qū)域房屋面積和房屋類型。但是正射影像存在只能垂直拍攝建筑物屋頂?shù)木窒扌裕荒鼙磉_建筑物側(cè)面墻體信息。傾斜攝影是指從多個角度完整獲取建筑物表面紋理信息，無人機傾斜攝影獲取的影像一方面可用來獲取重點關(guān)注區(qū)域信息，例如房屋墻體、層高、建筑物材料等，另一方面，利用影像處理軟件生成三維點云模型，可更直觀地表現(xiàn)某個建筑物的結(jié)構(gòu)，并基于三維立體模型進行建筑物測量。因此，基于旋翼無人機影像獲取系統(tǒng)的建筑物抗震能力調(diào)查中，利用正射影像拼接獲得目標區(qū)域全景圖，可以反映區(qū)域建筑物面積、數(shù)量、類型等基本情況，傾斜攝影影像反映局部關(guān)注信息，可以了解房屋高度、墻體、建筑物用材等信息，并建立單體建筑物三維點云模型。基于旋翼無人機影像獲取系統(tǒng)的建筑物抗震能力調(diào)查技術(shù)流程如圖2所示。

3 應(yīng)用實踐

3.1 航攝區(qū)域

2016年1月19～25日，地震系統(tǒng)重點監(jiān)視防御區(qū)調(diào)研工作組利用四旋翼無人機獲取云南重點監(jiān)視防御區(qū)的建筑物基礎(chǔ)信息，用于建筑物抗震能力評估。航攝區(qū)域位于云南西北部橫斷山區(qū)，地形復(fù)雜、海拔高差大、天氣多變。選取的航拍調(diào)查點共12個，無人機飛行環(huán)境包括高山峽谷、高原盆地、高原山地等云南典型地形地貌，最高海拔2 500 m，最低海拔1 460 m，最大海拔差1 040 m。航攝對象包括農(nóng)村居民點、城鎮(zhèn)居民點，涉及大理州、麗江市、保山市、楚雄州、玉溪市5個州（市），航拍總面積3.38 km2。圖3為無人機航拍調(diào)查點示意圖。

3.2 數(shù)據(jù)處理

旋翼無人機獲取照片共1 292張，包括正射影像676張和傾斜攝影影像616 張，數(shù)據(jù)總大小約7G。航攝平均海拔1 797 m，航拍高度47～160 m。根據(jù)目視觀察和計算機自動快速檢查產(chǎn)出的精度報告，圖像清晰度和重疊度滿足建筑物信息識別及照片拼接要求。通過對比分析，航拍高度越高，獲取的影像面積越大，在建筑物抗震能力調(diào)查中，為獲取更大范圍的建筑物影像，正射航拍的高度較高，而較低飛行高度獲得的傾斜攝影影像更便于觀察建筑物結(jié)構(gòu)。

無人機獲取的原始影像數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量檢查，剔除重疊度低、圖像質(zhì)量不好的影像之后，利用影像處理軟件進行照片拼接和三維建模。拼接照片數(shù)最多為107張，最少為21 張，拼接照片最大高差是13.6 m，照片重疊度越高，照片拼接效果越好。利用高性能移動圖形工作站，以高精度處理模式處理100 M數(shù)據(jù)，照片拼接平均耗時約12 min，照片拼接能夠多任務(wù)并行處理，具有拼接速度快、處理數(shù)據(jù)量大的特點。具體拼接影像信息如表1所示。調(diào)查點地點時間年-月-日海拔/m天氣航拍面積/km2平均航高/m航高差值/m拼接幅數(shù)/張拼接數(shù)據(jù)大小/M拼接耗時/min

1大理州祥云縣下莊鎮(zhèn)老張營村2016-01-191 900晴0.461580.82515518

2麗江市寧蒗縣紅喬鄉(xiāng)2016-01-202 500晴0.321001.56942245

3麗江市永勝縣永北鎮(zhèn)興營村委會方家村2016-01-202 200陰0.261006.66943050

4麗江市永勝縣三川鎮(zhèn)2016-01-211 700晴0.071600.93019321

5麗江市永勝縣程海鎮(zhèn)興義村2016-01-211 500陰0.11106.16641243

6大理州賓川縣大營鎮(zhèn)上地苴村2016-01-211 600陰0.071000.77448453

7保山市施甸縣仁和鎮(zhèn)2016-01-221 460晴0.23150110767668

8楚雄州城區(qū)2016-01-231 780小雨0.05470.82113013

9楚雄州雙柏縣妥甸鎮(zhèn)灑利黑村2016-01-241 970雨夾雪0.0410012717121

10玉溪市易門縣六街鎮(zhèn)茶樹村2016-01-241 690小雨0.671003.410449861

11玉溪市紅塔區(qū)大營街鎮(zhèn)大營街村2016-01-251 620陰0.9911013.68640543

12玉溪市江川縣九溪鎮(zhèn)河口村2016-01-251 650陰0.121502.59745049

3.3 數(shù)據(jù)成果分析

3.3.1 正射影像全景圖

正射影像圖通過拼接產(chǎn)出DOM（正射影像圖）、DSM（數(shù)字表面模型）、KML瓦片數(shù)據(jù)、高程Shap格式文件等數(shù)據(jù)成果。其中應(yīng)用最多的是正射影像全景圖，根據(jù)全景圖可全面、直觀地了解調(diào)查點建筑物類型、數(shù)量、面積等基本信息。無人機獲取影像拼接的全景圖分辨率和清晰度滿足建筑物識別的一般需求。以玉溪市易門縣六街鎮(zhèn)茶樹村全景圖（圖5）為例，結(jié)合傾斜攝影影像可看出該村以土木結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)房屋為主，建筑物總面積0.31 km2，土木結(jié)構(gòu)房屋占84%，磚混結(jié)構(gòu)房屋占10%，還有極少數(shù)的磚木結(jié)構(gòu)房屋，92%的房屋為二層建筑，其他為平房和三層建筑。通過正射影像全景圖能夠較為全面、準確地把握當(dāng)?shù)胤课萁ㄖ闆r，為評估當(dāng)?shù)亟ㄖ锟傮w抗震水平提供數(shù)據(jù)支撐，不僅節(jié)省人力、物力，而且信息獲取方便、準確度高。

3.3.2 三維點云模型

利用33張傾斜攝影照片嘗試構(gòu)建大理州賓川縣大營鎮(zhèn)上地苴村某四合院建筑的傾斜攝影三維點云模型（圖6），由圖6可知，該村房屋以磚木結(jié)構(gòu)為主，是滇西北地區(qū)典型的“三坊一照壁”民居型式。構(gòu)建的三維點云模型總體能夠呈現(xiàn)該建筑物立體視覺效果，直觀了解建筑物結(jié)構(gòu)、墻體等詳細信息，不足之處是，由于傾斜攝影角度和照片數(shù)量不夠多，造成三維點云模型有“黑洞”現(xiàn)象。利用傾斜攝影影像構(gòu)建三維點云模型對照片重疊度的要求高，需要360°無死角拍攝，專業(yè)性強，拍攝照片數(shù)量大，在地震應(yīng)急工作中，尤其是地震現(xiàn)場應(yīng)急特定周期內(nèi)涉及的不多。

4 結(jié)論與討論

由于旋翼無人機具有機動靈活、對場地要求低、不用申請空域等特點，其在高原山區(qū)的優(yōu)勢更加明顯。云南地形復(fù)雜，山區(qū)占全省國土總面積94%，居民點多數(shù)分布在高山峽谷區(qū)，利用旋翼無人機可以快速獲得人工難以得到的大范圍房屋影像數(shù)據(jù)。無人機獲取的影像數(shù)據(jù)通過軟件拼接能夠快速產(chǎn)出目標區(qū)域的建筑物正射全景圖和三維模型，為建筑物抗震能力調(diào)查評估提供數(shù)據(jù)支撐，有效提高工作效率。通過旋翼無人機在云南重點監(jiān)視防御區(qū)建筑物抗震能力調(diào)查中的實踐，獲得以下幾點認識和結(jié)論：

（1）天氣對旋翼無人機的飛行安全影響很大，大風(fēng)、下雨、溫度過低等特殊天氣狀況下旋翼無人機不能正常飛行，工作人員應(yīng)提前做好無人機飛行條件評估工作。

（2）旋翼無人機的飛行距離不長，續(xù)航時間較短，在云南復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境手動控制方式比自動程控方式更具有操作性。云南高原山區(qū)氣流變化快，無人機飛行過程應(yīng)盡量采取手動控制，遇到風(fēng)向、風(fēng)力突變等突發(fā)情況能夠及時應(yīng)變，保證飛行安全。旋翼無人機拍照方式有定距拍攝、定時拍攝、手動拍攝3種，其中定距拍攝的照片容易有偏移，定時拍攝的照片容易出現(xiàn)照片數(shù)量較少或過多的問題，手動拍照方式獲取的照片重疊度和覆蓋度更高。

（3）無人機正射攝影和傾斜攝影相結(jié)合可以獲得更全面、準確的房屋基礎(chǔ)信息。無人機正射影像拼接的全景圖能夠反映區(qū)域建筑物宏觀基本信息，傾斜攝影獲取的影像能夠反映房屋墻體、結(jié)構(gòu)等重點局部信息，實現(xiàn)建筑物的三維可視化。

（4）無人機獲取影像配合人工調(diào)查可以提高建筑物抗震能力評估結(jié)果的準確性。旋翼無人機獲取的影像不能透視房屋內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況，例如承重構(gòu)件等信息需要人工入戶調(diào)查。旋翼無人機作為一種快速獲取影像數(shù)據(jù)的技術(shù)手段，在建筑物抗震能力調(diào)查評估中發(fā)揮重要作用，但不能完全替代人工調(diào)查。

目前旋翼無人機技術(shù)處于快速發(fā)展期，隨著旋翼無人機續(xù)航時間、飛行器性能的不斷提高，旋翼無人機技術(shù)在地震預(yù)評估、地震地質(zhì)勘查等地震應(yīng)急準備工作中的應(yīng)用將越來越廣泛。然而旋翼無人機影像獲取系統(tǒng)也存在不足的地方，如沒有專門的基于無人機獲取影像的建筑物抗震能力評估信息識別軟件，需要通過目視判斷、圖上測量和計算來提取建筑物類型、各類房屋所占比例等信息。另外旋翼無人機在地震應(yīng)急工作中的應(yīng)用還未成熟，也沒有相應(yīng)的工作機制。在今后的研究中，還需要對這些方面做深入的探索。

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