基于衛(wèi)星遙感和北斗無人機的災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)

馬騖　邊晨昱　唐顥蘇

【摘 要】自然災(zāi)害頻發(fā)對我國社會穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展造成了極大的影響，嚴(yán)重威脅著人們的生命財產(chǎn)安全。因此，建立基于衛(wèi)星遙感和北斗無人機的災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)大范圍、高精度、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的災(zāi)害實時監(jiān)測與預(yù)警。

【關(guān)鍵詞】災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警；衛(wèi)星遙感；北斗無人機

0 引言

我國自然災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境、交通運輸和經(jīng)濟社會的發(fā)展。因此，如何建立高效的災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，降低受災(zāi)人員的生命財產(chǎn)損失，維護社會秩序的穩(wěn)定，對于推動我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)有現(xiàn)實而深遠的意義。目前，我國各業(yè)務(wù)部門已經(jīng)初步具備災(zāi)害預(yù)警能力，然而主要依靠政府進行行政管理。在這種管理體系下，各部門缺乏橫向聯(lián)系，信息和資源得不到充分利用，缺乏對減災(zāi)、防災(zāi)的系統(tǒng)分析，防災(zāi)和減災(zāi)方法得不到有效的普及和運用。因此，建立更加實時、準(zhǔn)確的災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)勢在必行。

1 方案內(nèi)容

1.1 目標(biāo)

本系統(tǒng)由自然災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)、云計算服務(wù)系統(tǒng)、無人機信息傳輸系統(tǒng)、GNSS接收機站點分布系統(tǒng)和災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)組成，旨在實現(xiàn)大范圍、高精度、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的實時災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警。

自然災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)利用Python爬蟲技術(shù)，借助FTP下載衛(wèi)星近實時數(shù)據(jù)，進行預(yù)處理和相關(guān)參數(shù)反演，得到災(zāi)害監(jiān)測報告，發(fā)送給各分控中心。分控中心根據(jù)災(zāi)害監(jiān)測報告，利用云計算服務(wù)系統(tǒng)傳輸指令遙控?zé)o人機起飛，并實時監(jiān)控其飛行狀態(tài)，對目標(biāo)區(qū)域進行詳細偵查，采集災(zāi)情信息，并通過信息傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)皆朴嬎惴?wù)系統(tǒng)，對其進行分析處理，然后發(fā)送給災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，由災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)確定災(zāi)害的等級，并以短報文的形式發(fā)送給用戶和相關(guān)政府部門，為有關(guān)部門組織災(zāi)害應(yīng)急工作提供決策依據(jù)。衛(wèi)星遙感與北斗無人機的災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計圖如圖1所示。

1.2 內(nèi)容

1.2.1 自然災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)

自然災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)以衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，采用C#高級語言構(gòu)建系統(tǒng)框架，集成Python爬蟲功能和IDL核心算法，在干旱、沙塵和火災(zāi)監(jiān)測方面，實現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)自動下載、影像預(yù)處理、指標(biāo)計算、專題制圖輸出等功能，建立一套有效、動態(tài)、切實可行的實時災(zāi)害業(yè)務(wù)監(jiān)測體系，為防災(zāi)減災(zāi)工作提供支持。

在干旱、沙塵和火災(zāi)監(jiān)測三個方面采用災(zāi)害指數(shù)方法來表征災(zāi)害程度。干旱方面采用表征地表干旱強度和持續(xù)時間的干旱指數(shù)來表示土地干旱狀況，主要有歸一化植被指數(shù)（NDVI）、垂直植被指數(shù)（PDI）、改進型垂直植被指數(shù)（MPDI）、歸一化差分水分指數(shù)（NDMI）、歸一化差分干旱指數(shù)（NDDI）等。同時，在沙塵監(jiān)測方面，沙塵和下墊面背景及云在可見光、中紅外及遠紅外波段的光譜特性差異是衛(wèi)星遙感進行沙塵監(jiān)測的理論基礎(chǔ)。基于此，采用亮溫差異法（BTD），三波段火山灰產(chǎn)品法（TVAP），可比沙塵強度指數(shù)（ICSD）及紅外差值沙塵指數(shù)（IDDI）等模型進行沙塵監(jiān)測。在火災(zāi)方面，系統(tǒng)選擇對火災(zāi)比較敏感的波段，通過波段間的組合運算增強圖像上的火災(zāi)區(qū)域，獲取火災(zāi)區(qū)域、火災(zāi)強度等信息。常見的火災(zāi)燃燒指數(shù)主要有燃燒面積指數(shù)（BAI）、歸一化燃燒指數(shù)（NBR）和改進歸一化燃燒指數(shù)（NBRT）。

1.2.2 云計算服務(wù)系統(tǒng)

云計算服務(wù)系統(tǒng)具有規(guī)模大、可靠性高、運算速度快等特點。分控中心根據(jù)監(jiān)測報告確定其管轄下的受災(zāi)區(qū)域后，利用云計算服務(wù)系統(tǒng)向無人機傳達指令，規(guī)劃無人機飛行航線并實時監(jiān)控其飛行狀態(tài)；無人機接收指令后對受災(zāi)區(qū)域進行災(zāi)情信號采集，并轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)據(jù)，通過中繼數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)皆朴嬎惴?wù)系統(tǒng)。云計算服務(wù)系統(tǒng)借助定量遙感和數(shù)據(jù)分析模型，進行災(zāi)情反演和估損。

云計算服務(wù)系統(tǒng)包括無人機航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)與傳感器數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)兩部分。航跡規(guī)劃能根據(jù)受災(zāi)嚴(yán)重區(qū)域的粗略位置為無人機提供一條最佳航路；狀態(tài)監(jiān)控能實時反映無人機設(shè)備狀態(tài)，保證地面人員在無人機面臨突發(fā)威脅時及時做出處理。

傳感器數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)利用定量遙感反演模型對無人機采集的災(zāi)情信號進行反演和分析，得到相關(guān)參數(shù)。

以干旱監(jiān)測為例：系統(tǒng)采用微波輻射模型，無人機上的微波輻射計天線接收的極化亮度溫度可以表示為濕潤土壤和干旱土壤輻射亮溫的線性加和：

T（p）=Tw（p）*fw+Tnw（p）*（1-fw）（7）

其中，表示極化，表示微波輻射計天線口面接收亮度溫度，表示濕潤區(qū)域占整個天線照射面積的百分比，表示干旱區(qū)域輻射的亮度溫度。的公式為：

Tw（p）=（1-rper（p））*Tg+rper（p）*Ta（8）

其中，為極化下的周期性表面土壤反射率，為土壤有效溫度（K），為大氣的下行微波輻射。周期性粗糙表面的微波發(fā)射率可以利用經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃凸饣芷诒砻嫖⒉ㄝ椛涠糠囱菽Ｐ陀嬎恪?/p>

1.2.3 無人機信息傳輸系統(tǒng)

當(dāng)無人機飛行超過地面站最大視距范圍時，只能采用空中數(shù)據(jù)中繼數(shù)據(jù)鏈，才能保證有效地完成傳輸過程。而衛(wèi)星信號的廣域覆蓋性為無人機在更大的范圍內(nèi)進行信息傳輸提供了可能，同時衛(wèi)星的信道性能較穩(wěn)定，建立基于衛(wèi)星中繼的無人機信息傳輸系統(tǒng)就成為一種較好的信息傳輸方式，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器采用類似Inter. Sat. IV的同步衛(wèi)星。

1.2.4 基于北斗短報文功能的災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)

根據(jù)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)分析結(jié)果，比對歷史數(shù)據(jù)庫，進一步確定受災(zāi)區(qū)域的災(zāi)害等級，并由北斗無人機定位功能判斷災(zāi)害發(fā)生的精確地點，從而為有關(guān)部門提供決策信息，為受災(zāi)地區(qū)居民提供短信預(yù)警。針對某些偏遠地區(qū)，因信號差無法及時接收預(yù)警信息，本系統(tǒng)加入了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)特有的短報文功能，可對偏遠地區(qū)及時發(fā)布預(yù)警信息，保障人民的生命與財產(chǎn)安全。

2 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。本系統(tǒng)以災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警為核心，結(jié)合航天遙感和地面遙感，綜合衛(wèi)星與北斗無人機的監(jiān)測資料，實現(xiàn)對災(zāi)害的時間、地點和等級的準(zhǔn)確監(jiān)測以及系統(tǒng)的全自動化，并利用北斗系統(tǒng)所特有的短報文功能為偏遠地區(qū)受災(zāi)居民提供預(yù)警服務(wù)，這在推動災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警現(xiàn)代化的進程中具有重要意義。

【參考文獻】

[1]崔道鑫.無人機航跡規(guī)劃與監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2013.

[2]孟立峰.無人機系統(tǒng)的衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈[J].飛行器測控學(xué)報，2012，31（5）：24-27.

[3]夏凌燕.自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)科技成果轉(zhuǎn)化模式研究[D].大連海事大學(xué)，2012.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]