無人機航拍技術在茂名地區氣象災情調查中的應用

林燕婷 朱鵬程 陳曉飛 黃冬至

(1.廣東省茂名市氣象局，廣東 茂名 525000；2.廣東省珠海市氣象局，廣東 珠海 519000；3.中山大學，廣東 廣州 510275)

0 引言

廣東省茂名市屬于沿海城市，再加上信宜、高州等地多高寒山區，是暴雨、洪澇、臺風發生頻率較高的地區，突發性強降水、連續性強降水常引發山洪、泥石流、山體滑坡、江河泛濫、城鄉積澇等自然災害和次生災害，極易造成嚴重的經濟損失和人員傷亡事故。然而，道路堵塞讓救災人員無法及時了解當地災情、地質災害的滯后性程度，因此有必要對容易致災的區域進行無人機航拍調查，收集第一手資料。一方面，有利于政府對容易致災區域的人員疏散作出科學的判定；另一方面，也可以在很大程度上保護救災人員，避免不必要的人員傷亡。

微型無人機相對大型固定翼飛機具有成本低、易操控、靈活性高等特點，在臺風、暴雨、雷雨大風等致災天氣過后，對易致災地區進行航拍，收集氣象災情資料，為茂名市各級黨政部門防災減災正確決策及部署提供更科學有效的依據，確保人民生命和財產安全。

1 資料與統計方法

相對大型固定翼飛機來說，微型無人機的特點是成本低廉、易于攜帶、操作簡單、應用范圍廣，尤其是在自然災害、突發事件發生后，能夠快速安全地進入防災減災人員無法到達的區域，并進行有效拍攝和收集災情信息。

目前，中國生產的大疆無人機占據著全球消費級無人機市場70%的份額，因此以大疆四旋翼無人機中的DJI Inspire1、DJI air2s為測試研究對象，測試無人機最大抗風能力，分析無人機在2016年以來所有遇到的重大氣象災害災情調查中所發揮的作用。

2 大疆無人機抗風能力分析

從氣象防災減災實際出發，以大疆四旋翼無人機中的悟1為測試對象，分析不同風速條件下，無人機飛行的穩定程度。

2.1 四旋翼無人機特征分析

目前，我國常用于應對突發事件開展現場實時監測或是視頻采集的無人機主要分為多旋翼和固定翼兩類。當下具有視頻采集功能的無人機通常都配有GPS定位導航系統、超清攝錄器材和微波視頻實時通信等標準配置。

由于固定翼無人機主要依靠速度來產生升力，要有足夠的速度才能飛行，不具備多旋翼無人機旋?？罩卸c拍攝的功能，而且其操作相對復雜，對起降場地有一定的要求，實用性不及多旋翼無人機，因此本文不對固定翼無人機展開分析研究。

而多旋翼無人機根據螺旋槳葉數量來分，有四旋翼、六旋翼和八旋翼無人機。結合多旋翼無人機的特點，四旋翼無人機的優點是體積小、質量輕和攜帶便捷，缺點是每個旋翼可承受的質量大，一旦其中一個旋翼電機出故障，無人機易炸機；六旋翼無人機與八旋翼無人機優點是結構配置更靈活，升重比、控制性能、可靠性更強，也就是說其中一個旋翼電機出故障不會輕易炸機，缺點是裝卸和攜帶不夠便捷，應對突發性氣象災情調查比四旋翼無人機的裝卸時間更長，不利于個人出行攜帶。

對比分析多旋翼三類無人機的優缺點，結合氣象災情調查實際工作需求，無人機抗風測試對象選擇大疆四旋翼無人機最為合適。

2.2 大疆四旋翼無人機抗風能力

風作為一種空氣運動的自然現象，主要是因為兩地之間的氣壓差形成。從航空應用角度對風場進行分類，主要有以下幾種[1-2]：

①定常風(空間某點在某時刻的空氣運動的主要部分)。風的期望值，也就是在時間上相對穩定的空氣運動。②風切變(空氣運動沿高度的變化，也就是梯度風)。兩個高度上所測的風之間矢量差除以高度差。③突風(即陣風)。短時間或高度間隔內，相對于基準定常風值的風的隨意增量。④紊流(無規則的突風)。以大疆四旋翼無人機為測試對象，避開公共場所，在博賀海洋氣象研究基地進行測試。為避免出現炸機現象，測試風力為定常風最大不超過6級的風力，也就是臺風天或是當氣象預警提示有短時雷雨大風出現的天氣，不進行無人機抗風測試。

從四旋翼無人機中DJI Inspire1、DJI air2s的抗風測試情況結果(見表1)看，①對于兩個同樣具備GPS定位導航系統的四旋翼無人機來說，重量大的四旋翼無人機抗風能力比重量小的四旋翼無人機抗風能力要強些。②在DJI air2s起飛到懸停的過程中，4級風力時機身傾斜角度<20°，無人機系統會自動進行維穩調整，并可以執行任務，但電池耗電率增大，而DJI Inspire1表現穩定。需要注意的是，在進行氣象災情調查中，大部份的微型無人機都不能在雨天進行作業，因此無人機通常是用于氣象災后調查。

表1 四旋翼無人機(DJI Inspire1、DJI air2s)

結果表明，無人機在飛行過程中，出現機身輕微的傾斜并不會影響飛行。但是當有突風或是紊流出現，且陣性風力超過4級以上，像大疆御系列之類的機身偏輕且更微小的四旋翼無人機飛行過程中容易傾斜，而當微型無人機的機身傾斜成90°，無人機將會失去平衡，從而導致炸機。因此對無人機進行抗風能力的測試，能大大減小無人機炸機的概率，增大無人機的生存概率，同時也使無人機作業環境要求性降低，如有風的天氣和風大風小的天氣，能及時判斷適合飛行的天氣條件，盡可能地減少在氣象防災減災工作使用中的損失[3]。

3 無人機在氣象災情調查中的應用

2016年5月19—20日，廣東省茂名市遭遇入汛以來最強降雨過程，其中信宜市東鎮街道信宜站點記錄到過程雨量高達495.5mm，是1954年有氣象記錄以來最強降水。強降雨造成信宜地區19個鎮約54萬人受災，緊急轉移約5萬人；農作物受災面積高達25.37萬畝，倒塌房屋 974間，造成直接經濟損失11.97億元。

3.1 無人機在2016年“5·20信宜暴雨”氣象災情調查的應用

2016年5月21日，強降雨天氣結束后，廣東省氣象局、茂名市氣象局和信宜市氣象局工作人員一起前往信宜受災地區緊急展開災后調查工作。

信宜市區、受災鄉鎮災后現場一片狼藉，許多地區土壤含水量仍偏高，土質疏松，河床水位高且湍急，存在極大的安全隱患，再加上受災范圍廣，給氣象災情調查組和救援人員的工作帶來很大困難。為此氣象防災減災人員立即出動無人機，在高空中進行勘察受災情況，及時了解河床水位情況與河床兩邊的農田受災嚴重程度和范圍，以及是否存在被洪水所困的人員，在時間上和空間上解決了人力無法快速到達的困難。及時將無人機拍攝的受災地區的照片和視頻利用手機、手提電腦通過網絡回傳至茂名市突發事件預警信息中心的會商平臺，快速地將實際災情情況向市政府、市氣象部門匯報，并提供相關資料給中國氣象頻道、廣東天氣進行播出報道，同時在茂名天氣微博上發布。

3.2 分析與討論

暴雨、臺風等災害性天氣導致嚴重的氣象災情，特別是暴雨過后所存在的地質災害滯后性的程度需要實地考察，然而現實中人員難以前往受災區域進行調查，甚至可能會因受災區域存在安全隱患導致災情調查人員出現傷亡事故。

而無人機的出現與運用正好解決了這方面的問題，例如無人機在2016年的“5·20信宜暴雨”氣象災情調查中，起到了舉足輕重的作用，也展現出無人機在氣象防災減災中的優勢。另外，通過無人機的現場實時圖傳，使有關政府部門對氣象災情的了解更快速、直觀和透徹，為決策服務提供了有力的輔助[4-5]。

4 結論與展望

在廣東茂名地區，暴雨、臺風是極易引發氣象災情的災害性天氣，常造成人員傷亡和嚴重財產損失，微型無人機以其便攜、快捷、可圖傳拍攝的優勢為開展城市內澇分析和山體滑坡、山洪、泥石流等地質災害方面調查提供了第一手的資料，為政府部門提供氣象防災減災方面的決策輔助；另外，微型無人機的低空探測功能對于山區、海洋等傳統手段難以獲取相應氣象數據的地區來說，在大區域、長時間測量氣象參數時，使用微型無人機進行氣象探測更節約經濟成本，也在最大程度上避免不必要的人員傷亡事件出現；不僅如此，微型無人機還可以用于氣象應急救災、氣象科普、環保監測等領域，具有非常廣泛的應用前景[6]。

近年來，國內外的低空氣象服務倍受人們的親睞，使用微型無人機進行氣象災情勘察協助工作。隨著市場需求增大，微型無人機的科技飛速發展，其續航時間增加到了30min以上，直線范圍也升級到了4km甚至更廣，手機搖控器的系統除了支持IOS，還支持安卓、鴻蒙等手機終端系統，圖傳功能也更加便捷，為氣象防災減災的工作提供了更有利的輔助。

當前經濟社會的不斷發展對我們氣象預報提出了更高的要求，而氣象觀測是氣象預報決策服務的基礎，利用無人機氣象系統進行氣象觀測必將對社會公共服務產生更深遠的影響。