无人机遥感系统在低温雨雪冰冻灾害监测中的应用

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安徽农业科学
2011年
图 1 无人机航空遥感系统 F ig. 1 The aeria l rem ote sensing system
图 2 无人机遥感冰雪灾害应用流程 Fig. 2 The flow chart o f ice-snow disasters of UAV remo te sens-
无人机航空遥感系统主要由无人机遥感平台、飞行控制
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国家科技支撑计划项目 ( 2008BAK 49B02) 。 感谢民政部国家减灾中心和 北京师范大学的 李京教授 提供 图片与数据资料, 及对本文写作的大力支持与悉心指导! 雷添杰 ( 1984 - ) , 男, 河南商丘 人, 硕士研 究生, 研究 方向: 无人机导航、图像 处理 与信 息提 取, E-m ai:l le it ian jie@ ires. cn。* 通讯作者, 博士, 从事城市灾害监测与城市遥感研究, E-m ai:l gad@ ires. cn。
2008年初发生在我国南方的冰冻雨雪灾害, 给灾区电 力、农业、畜牧业、通信和交通运输带来很大破坏, 给人民群 众生命财产和工农业生产造成重大损失。此次持续的低温 雨雪冰冻天气范围广, 强度大, 时间长, 灾害重, 受灾区域人 口达 20个省 (区、市 ), 直接经济损失达 1 516. 5 亿元 [2] 。为 了提高救援效率和质量, 降低灾害损失程度, 必须实施统一、 高效和快速的应急救援。迅速准确获取灾害发生后的灾情 信息是提高灾害应急救援效率的关键因素。无人机航空遥 感系统具有实时性强、机动快速、影像分辨率高、经济便捷和 全天候云下作业的特点, 且能够在高危地区作业, 非常适用 于各种自然灾害的应急救援。
无人机遥感在 2008年初我国南方特大低温雨雪冰冻灾害 救援过程中初露锋芒, 成为灾害救援中的 / 急先锋 0。由于低 温雨雪因素的影响, 卫星遥感系统难以奏效, 有人驾驶飞机无 法起降。而无人机航空遥感系统受限比较少, 可以快速获取灾 区信息, 利用其搭载的数码相机真实记录灾区地表的自然地 貌、人工景观以及人类活动的痕迹, 能够准确客观、全面地反映 灾区景观, 为灾害调查和损失快速评估提供科学依据; 而且可 以确定重灾区的位置、受灾范围、建筑物和构筑物破坏概况以 及急需抢修的工程设施等, 为灾后速报灾情、快速评估受灾损 失和救灾减灾提供决策。为此, 笔者介绍了低空无人机遥感 系统, 并综述了其在低温雨雪冰冻灾害中的应用情况。 1 低空无人机遥感系统简介
A pp lication of UAV R em ote Sensing System M on itor ing in the L ow-temperature and Frozen Ice- snow D isaster LE IT ian- jie et al ( Beijing N orm a lU niversity, A cadem y o fD isaster Reduction and Em ergencyM anagem en,t M inistry ofC iv ilA ffa irsM inistry of Education, Beijing 100875) A bstract The UAV rem ote sensing system has the characteristics of real tmi e, flex ibility, high reso lution and low-cos,t and it can w ork in high dangerous areas, so it is very suitable to app ly in disaster em ergency rescue. In the extraord inary hazard of low- tem pera ture and frozen snow in the south of China at 2008, the applica tions of UAV include such fields as exploration and rea-l tmi e m on itor ing, comm anding and scheduling o f disaster rescue, estmi ation of disaster region, disaster assessm en,t updating pos-t dig ita lm ap and pos-t disaster reconstruction. It is of g reat mi portance in disaster em ergency rescue. H ow ever, the UAV rem ote sensing exposed a lot of shortcom ings in the process of this disaster em ergency rescu ing. The paper proposes som e suggestions to mi prove the program. In the long term s, UAV rem ote sensing system has broad prospects in the field of natura l disaster em ergency rescue. K ey words UAV; Rem ote sensing sy stem; Ice-snow disaster; Em ergency rescue; A pplication
资源学院, 北京 100875; 3. 河南理工大学测绘与国土信息工程学院, 河南焦作 454000; 4. 北京师范大学地理学与遥感科学学院, 北京 100875)
摘要 无人机航空遥感系统具有实时性强、机动灵活、影像分辨率高和成本低的特点, 且能够在高危地区作业, 非常适用于各种自然灾 害的应急救援。具体介绍了低空无人机遥感系统在 2008年南方特大低温雨雪冰冻灾害中的应用情况, 如灾情勘查与实时监测、现场救 灾指挥和调度、受灾面积估算、灾情评估、灾后数字地图更新与灾后重建等, 具有重要的应急救援作用。同时, 在此次灾害救援中, 无人 机遥感暴露了一些不足, 对其提出了改进方案。长远来看, 无人机航空遥感系统在自然灾害应急领域具有广阔的应用前景。 关键词 无人机; 遥感系统; 冰雪灾害; 应急救援; 应用 中图分类号 S 127 文献标识码 A 文章编号 0517- 6611( 2011) 04- 02417- 03
图 3 无人机拍摄的雪灾航片增强处理前 ( a)和处理后 ( b)对比 F ig. 3 The com parison map of unm anned aerial photograph of snow storm before enhancing ( left) and after ( right)
安徽农业科学, Journal of Anhu iA gr.i S c.i 2011, 39( 4): 2任校对 况玲玲
无人机遥感系统在低温雨雪冰冻灾害监测中的应用
雷添杰 1, 宫阿都 1* , 李长春 2, 3, 夏江周 4 ( 1. 北京师范大学民政部 /教育部减灾与应急管理研究院, 北京 100875; 2. 北京师范大学
目前, 由于卫星遥感和载人航空遥感在获取灾害信息时 受时空分辩率、外界环境和使用成本的影响, 其在灾害应急 救援过程中的作用受到限制。无人机遥感 ( U nm anned A erial Veh icle, UAV )利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感 器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS 差分定位技术和遥感 应用技术, 具有自动化、智能化和专用化特点, 能够快速获取 国土、资源和环境等空间遥感信息, 完成遥感数据处理、建模 和应用分析等工作[ 1]。无人机遥感系统由于具有机动、快 速、经济等优势, 已经成为世界各国争相研究的热点课题, 现 已逐步从研究开发阶段发展到实际应用阶段, 成为未来的主 要航空遥感技术之一。
制定受灾群众救助标准, 迅速运送发放救灾物资提供依据。 A rcGIS软件中, 利用其面积量算功能准确计算出受灾面积, 同时, 利用 GPS后差分处理软件对 GPS 信息进行后差分处 为后续救灾工作服务 [ 5] 。 理, 可以得到比较精确的三维坐标信息, 将航拍影像导入到
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系统、无人机数据处理与应用分析系统以及地面控制系统等 几部分组成, 见图 1。无人机遥感平台采用的是无人飞机, 其 由发动机、舵机、飞行控制单元、无线通讯单元、GPS 单元、姿 态测量单元、自反馈稳定云台和任务传感器等部分组成。地 面控制系统主要通过无线通讯系统设置无人机的飞行轨迹, 采集无人机的飞行参数, 接收、监视无人机所携带任务传感 器采集的数据, 根据无人机的飞行参数和作业任务, 实时调 整无人机的飞行姿态和作业任务。地面控制站是整个无人 机航空遥感系统的信息交换中心枢纽, 通过其指挥、控制和 通信的协同来完成对无人机的飞行操纵、任务规划以及测控 信息的处理等[ 1]。 2 低空无人机遥感系统在低温雨雪冰冻灾害中的应用
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下面就无人机航空遥感系统在低温雨雪冰冻灾害救援 过程中的具体应用进行介绍, 包括灾情勘察和实时监测、现 场救灾指挥与灾民搜索救援、灾情图绘制和受灾面积估算以 及灾情评估等。 2. 1 灾情勘查与实时监测 对于冰雪灾害的应急救援, 受灾 信息是整个救灾工作的 /眼睛 0, 没有信息就没有高效的救援。 无人飞机可以丰富灾害现场勘查方式和极大地提升灾害现场 的勘查能力, 尤其是在冰雪灾害环境和复杂的地理条件下, 道 路和通讯完全中断, 工作人员无法抵达预定勘查地点时, 可以 借助无人机快速飞抵灾区现场, 迅速获取灾情。根据拍摄的 航片, 可以比较客观地获取灾情信息, 实现灾情的快速上报。 同时, 还可以利用长航时无人机, 对低温的发生强度以及雨 雪冰冻灾害的分布范围实施实时动态监测, 及时把握灾情, 并且能够迅速地研究低温冷害发生发展的一般规律, 为相关 部门及时采取有效救灾措施提供及时全面的信息。 2. 2 现场救灾指挥和调度与灾民搜索救援 冰雪天气发生 时, 有人驾驶飞机无法起降, 航空遥感又难以奏效, 而无人机 遥感系统可以通过其搭载的数码摄像机和数码照相机将现 场拍摄的实际受灾情况, 通过无线电通信数据链下行通道传 输到地面控制站或以低轨道卫星为中继平台实时高效传输 至救灾指挥中心, 以全面而及时地了解灾情 [ 4]。通过无人机 获取或传递信息, 制定正确合理的救灾决策与方案和对灾区 的人力和物力进行指挥和调度, 可以极大地提高救援效率和 力度, 又可实现对灾区的科学管理。同时利用无人机拍摄的 航片与视频资料, 结合 GPS导航定位信息, 又可实现对被困 民众的搜索救援。当时拍摄的冰雪灾害航片见图 3a, 处理后 见图 3b。 2. 3 灾情图绘制和受灾面积估算 利用无人机航空遥感系 统提供的灾情信息和图像数据, 可以准确计算受灾面积及进 行灾害损失评估。利用无人遥感系统的图像处理系统功能, 实时实现航片的拼接, 图 4为拼接效果图。根据拼接后的遥 感影像信息, 绘制出冰雪灾害灾情图, 并利用 GPS定位信息, 精确标注出实地位置, 以确定具体受灾区域和重灾区, 可为