基于無人機遙感的地震災害損失評估方法

孫婕文

寧夏回族自治區遙感調查院 寧夏 銀川 750021

無人機是運用無線設備和一些計算機系統來對物體進行操控的形式，同時也是不載人的一種飛行形式。其具有多元化的優勢特點，不但響應的速度很快，同時也可以準確且迅速的收獲一些空間信息，比如資源或地理等信息，除此之外，無人機也可以很好的對數據進行采集，并在此基礎上進行拓展和應用，是如今對于自然災害發生后的受損情況和應急監控工作的最佳手段。

1 無人機遙感系統的組成

1.1 無人機航攝平臺

本次應急飛行會通過對測繪鷹系列 150型無人機進行使用，這個系列的無人機所運用的是碳纖維復合材料，其次依據飛行的高度和強度標準來對每個零件進行重新的完善和優化，整個無人機的強度很高，且具有較輕的重量，無人機的剛度系數和材質強度都極其大，有利于使運輸更加便捷，同時對于存儲和操作也有著積極的影響[1]。這個無人機的發動機是DLE型的模式，不僅能夠在四千米的海拔高度起飛，同時也能夠在特有的環境和場地下實現彈射起飛和滑跑的過程，也能夠實現傘降落地的形式。同時無人機在航天拍攝過程中也有重要性能標準。

1.2 航攝傳感器

無人機系統運用的數碼相機具有高性能的特點，并將其作為拍攝過程中的傳感器。這次的飛行過程運用的是具有極高分辨率的佳能相機，并將其作為采集影像的應用設備，這款相機所運用的材料是具有極強堅固性的鎂合金材料，通過對其進行防水的處理過程，可以更好的對一些外部環境進行適應。該相機不但質量很輕，其鏡頭的定焦能力也很強，可以同時進行對三軸平臺的承載，并且在不斷進行曝光拍攝的基礎下，也能夠得到具有很高分辨率的清晰影像。

1.3 飛行控制系統

無人機的飛行控制系統通過對GPS接收機的運用來進行對衛星信號的接收，并將所接收的信號進行破譯，之后再把信息的位置傳送到導航的模塊。地面站和導航的模塊通過運用無線電數據來實現數據的傳輸，導航模塊也是地面站和飛行模塊之間的重要橋梁。在出現意外的情況時，手動控制器可以運用無線電數據來發送 PWM波信號，手搖接收機對其進行接收，并使無人機的飛行過程進行單獨的控制[2]。在無人機不受其他方面因素控制時，導航模塊會充分發揮出其對航程規劃和推算的重要性能，而飛控模塊是無人機完成自主飛行的重要依據，而地面站將會在無線電傳輸信息數據之后，對其進行接收，并在此基礎上對無人機進行合理的監控。該無人機所運用的是UP30型號的飛行體系，其具有很好的精準度和很強的自動飛行功能，除此之外，它可以設立有針對性的飛行高度和飛行速度，并在飛行的過程中可以隨時改變目標點和飛行航點，在一定程度上可以有效的保護無人機的飛行安全性。

1.4 微波傳輸與地面系統

地面系統主要包含一些具有較高性能的筆記本電腦和較強亮度的顯示屏，它可以對大量航拍數據進行存儲，其次它具備較強的防水和抗震性能，以此來對外界的損傷或撞擊進行有效的保護，通過對設備的遙控，能夠實現對無人機的遠程控制。地面系統的配置軟件主要包含多方面的功能，比如對測區的查詢，對航線的規劃，對狀態的控制和對拍攝質量的檢查等方面[3]。因此它可以實現拍攝前期的規劃目標，和關于數據處理和飛行控制任務的完成。無人機通過微波模擬圖傳系統來與地面系統進行對數據的傳輸過程，該過程可以實現多面的數字鏈路，同時能夠充分發揮波的優勢來對信號進行接收，其傳輸的距離超過30km。

2 對無人機遙感的地震災害數據的收集及處理

在九寨溝地震發生之后，我國的地震局和一些相關機構等人員得知消息后迅速就奔赴九寨溝的災區前線，并通過運用無人機的固定翼功能和多旋翼性能來對災情信息和影像進行收集工作。本文選取兩組研究區，第一組是漳扎鎮三組，第二組是荷葉寨一組，并通過對特定無人機的使用來使獲得的清晰的影像，本次過程中主要采用的是在二零一七年八月在地震搜查工作中所使用的固定翼無人機，其有著較高的分辨率，大概為0.1m，在二零一七年九月研究組通過對旋翼無人機的利用來進行對荷葉寨在地震發生之后的影像獲取，其分辨率大概是0.02m左右。無人機所采集的影像主要包含幾個方面，第一方面是序列航拍照片，第二方面是和其相對應的數據，本文通過對一些軟件的利用，并運用恢復三維場景結構在信息運動中的優勢的有效形式，來進行對數據在應急情況下的采集與處理。第一，要進行對無人機影像拍攝的數據導入過程，并且要對數據進行POS的編輯，之后，再根據每一個圖像的特點來進行區分與匹配，除此之外，可以充分的利用多目視覺原理，來實施三維重建的過程，使其能夠準確的獲得一些稀疏點和攝像機的有效真實位置，最終，在對地形特點進行重建的背景下在生成所對應位置范圍的圖像[4]。因為正射圖像和真實位置在應急情況的背景下會產生一些誤差，所以就必須要進一步提升正射圖像的分辨率來更好的配合。

在一般情況下，無人機的圖像大部分都是關于某些建筑的頂部數據，所以對于一些建筑物的災害程度的判斷是相對較小的，致力于提高無人機圖像對地震災害的解譯程度，一些相關學者和研究團隊在二零一七年八月到九月份期間，對九寨溝進行了全面的地震災害程度的調查與研究，在這個過程中，會涉及到本文中的一些研究地區和一些有效的建筑物等。通過其調查的結果，可以看出，該研究地區的主要建筑類別可以分為幾個形式，比如框架結構，磚木結構或一些磚混結構等。研究者們對于各個類型的建筑物都進行了多方面的探究，比如從建筑面積和破壞程度方面等[5]。在調查研究的過程中，建筑物的破壞程度可以包含幾點，比如中等破壞，嚴重破壞或輕微破壞等程度。

3 對無人機遙感建筑物的震害評估

3.1 遙感的震害指數

遙感震害指數是一種判定某個地區災害程度的標準，它所運用的是遙感資料定量的形式。在相同的地震災害中，對于不同的位置和不同的結構來說，其所產生的災害程度也是不同的，為了更好的對地震災害程度進行評估，某些調查人員總結出了一個公式，來對遙感平均指數進行計算：

3.2 無人機的震害解譯標志

一般情況下，無人機的遙控手段會受到圖像分辨率的制約，對于建筑物損壞程度的觀察是存在局限性的，通常情況下只能夠對三類損害程度進行識別，分別是未倒塌，部分倒塌和已經倒塌[6]。相對于原先的遙感地震災害的評估有區別的是，本文所運用的是具有極高分辨率的為無人機圖像來對建筑物在地震災害之后所破壞的程度等級，所以，本文也嘗試將其分為幾個等級，對建筑物的破壞程度等資料和文獻進行結合，并按照不同的等級程度來對無人機圖像進行解譯和標識，在此基礎上，通過對其進行深入的分析，可以得出以下結論。

基本完好：有一些建筑是在2012年之后所建立的房屋，其結構有四層。根據一些調查結構表明，本建筑的結構是未遭到破壞的，但是某些位置也會有一些裂縫，同時屋頂也會遭到較輕微的損害，因此可以判斷其災害等級是處于基本完好的狀態。根據圖像可以看出，本房屋具備清晰和完整的整體輪廓，并且有著規則的色調和清晰的邊緣，從整體的角度來看，是較為自然的。

輕微破壞：還有一些建筑是在二十世紀九十年代所建立的民居，其結構有兩層，是一種土木結構的建筑。依據地面調查的結果表面，本建筑在窗戶邊緣有一些裂縫，但是可以通過對其進行處理后再次使用，因此對于災害等級可以將其判定為輕微破壞。根據圖像的呈現，可以看出該建筑的屋頂是一個人字形，會出現一些較輕微的紋理形狀，但是總體的屋面是較為完整的。

中等破壞：有一部分的建筑也是在二十世紀九十年代之后所建立的民居，其也有兩層結構，第二層的建筑是以木質結構為基礎進行建設。根據地面的調查結果表明，在第一層的建筑中，會有少量的墻體存在外閃的現象，因此對其的災害程度判定為中等破壞。其在圖像呈現過程中可以表現為：屋頂會有落瓦和較為明顯的漏頂情況出現，這就會導致色調分布不平均。

嚴重破壞：也有少量的建筑是二十世紀九十年代后漳扎地區所構建的房屋，也有兩層結構，但其建筑材料是磚木材料。根據地面的調查結果表明，本房屋較為完整，一側的墻體出現外閃的情況，而其他墻體則有較大程度的外閃，因此可以判定其災害等級為嚴重破壞。根據圖像的呈現內容顯示，屋面由于落瓦的影響會產生區域較大程度的高亮顯示，而建筑中的其他邊緣也會因為墻體的倒塌會轉變成非廢墟的狀態。

3.3 研究區的震害遙感定量評估

可以對建筑物的災害遙感標識進行充分利用，對一些研究地區的不同建筑類型和不同災害等級進行劃分與判定，一共解譯了一百多個建筑物，在此過程中，漳扎建筑物的主要建筑結構包含兩種結構，第一種是磚混結構，第二種是框架結構，其分別占比百分之五十和百分之三十五。其按照地震損害程度來看，可以分為比重為百分之三十七的輕微破壞和比重百分之三十的基本完好狀態，和占比百分之十一的嚴重破壞。而荷葉建筑物主要有兩組類型結構特征，第一種是磚木結構，另一種是磚混結構，其比重分別占據百分之四十八和百分之三十，從地震損害程度的角度來看，可以分為比重為百分之四十七的輕微破壞，比重為百分之四十的基本完好狀態，和比重為百分之十一的中等破壞。

為了進一步對地區的地震災害程度進行全面的研究，某些相關領域的學者對所解譯的建筑物進行仔細的計算和整理，并得出結論：漳扎和荷葉這兩個地區的遙感地震損害程度指數是0.25和0.4，從我國地震強度表的指標來看，該指數可以判定為Ⅷ度[7]。在這個過程中，從遙感地震災害的評價結果方面來看，漳扎地區和地面調查的烈度幾乎沒有太大的差別，但是荷葉地區會較輕于地面調查的強度。從整體的角度來看，無人機圖像的呈現結果也可以看出，本研究地區的地震災害等級程度主要可以劃分為輕微破壞，中等破壞和嚴重破壞。漳扎地區的大部分建筑物都是運用磚木和磚混的材料，其所構成的地震災害圖像更加清晰，而且對于該地區的圖像獲取時間是八月份，這會有利于使震害程度更加真實。

圖1 無人機建筑物震害等級判讀結果

3.4 遙感定量評估的結果驗證

為了更好的對遙感解譯的結果進行驗證，一些學者將其和現場的建筑物災害進行了全面的對比和研究，從地面真實的震害程度的角度出發來看，漳扎地區的遙感識別精度為百分之八十五，其一致性很高，荷葉地區的遙感識別精度為百分之七十二，其有中度的一致性，這就顯示出漳扎地區在震害遙感解譯結果中具有較高的正確率和一致性，而在荷葉地區的震害遙感解譯結果中會較低于漳扎地區[8]。

從這個調查的結果我們可以看出，遙感的解譯結果和地面調查的結果方面來說，其有著很好的一致性和統一性，但是也會存在一些差距。因為無人機的影像獲取只能夠獲得建筑物的頂部相關信息，而建筑物中的一些開裂現象并不能夠呈現出來，這就會導致對震害程度和等級產生差異性，而另一個原因就是以為在地震發生之后，一些建筑物的二次建設情況會對遙感的獲取過程產生一定的影響，這也會導致遙感對震害等級的計算結果較輕。

4 總結與討論

本文通過對九寨溝地區地震后通過對無人機的圖像獲取來對建筑物進行不同等級的解譯標識，并同時對荷葉和漳扎地區的震害程度進行了全面的解譯，并收獲了多方面的震害結果和數據信息等[9]。通過對無人機的遙感性能進行充分利用，可以對震害指數和程度進行有效的評估，并最終得出較為準確的結果。因此，無人機影像可以在一定程度上促進地震救援和災害評定的進展。

和傳統的遙感圖像相比較來說，無人機影像可以使震害信息的獲取更加細節化和清晰化，能夠得出與地面調查較為相似的研究結果，然而如果對于無人機影像的獲取時間較長，那么就會使應急救援和建筑物的重建產生一定的影響，也可能會使數據和信息消失，那么就會大大增加對震害程度調查的增加，所以，對于遙感影像的獲取就需要及時的在地震發生之后進行快速調查，除此之外，隨著對其他無人機和相機的多方面應用，可能會更加有利于增加對震害等級和程度進行判斷的正確率。