王曉剛，高飛云，楊 磊，張 舒，劉 滔

無人機遙感技術在自然災害應急中的應用及前景

王曉剛，高飛云，楊 磊，張 舒，劉 滔

（四川省核工業(yè)地質調查院, 成都 610052）

無人機遙感技術可以快速高效獲取高精度、高分辨率災情信息，既能較好地應用于面域較廣的災后調查及災情評估，也可以用于研究單體災害動態(tài)演變規(guī)律的數(shù)據(jù)積累。隨著應急技術的不斷發(fā)展， UAVRS起飛場限越來越低、方式更加靈活，響應速度更快，成本更低，續(xù)航時間更長，獲取的影像分辨率越來越高（0.02~0.1m），數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)產(chǎn)品越來越豐富，為應急救援決策提供更加科學的技術支撐。針對海量遙感數(shù)據(jù)的特點，研究開發(fā)高性能的航空遙感數(shù)據(jù)智能處理應用系統(tǒng)可實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的自動智能、高效處理與應用。

UAVRS；自然災害；應急監(jiān)測；全景真三維影像

重大自然災害發(fā)生以后，常誘發(fā)原生災害、次生災害和衍生災害形成災害鏈，造成重災區(qū)通訊信息中斷，大量建（構）筑物等瞬間倒塌，也會引起山體崩塌形成滑坡造成交通中斷，導致災情傳遞受阻，導致?lián)岆U救災盲目部署，繼而造成更大的損失和次生災害[1,2]。應急救災之前必須先調查摸底災區(qū)范圍面積、災情程度等，常規(guī)方法一般采用人工調查，效率低、局限性大，而且承受著次生災害發(fā)生的危險。因此，快速有效獲取災情對于指揮決策、生命救援至關重要，是重大自然災害搶險救災的首要問題[3-6]。

20世紀80年代以來，無人機技術的快速發(fā)展為低空遙感技術提供了全新的發(fā)展平臺，無人機遙感（unmanned aerial vehicle remote sensing, UAVRS）成為自然災害應急救援的急先鋒。無人機以靈活機動、操作簡單、成本低、風險小等獨特優(yōu)勢，搭載光學、激光雷達或多（高）光譜傳感器，快速獲取現(xiàn)勢性強、高分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)[7-11]，既彌補衛(wèi)星因天氣、時間無法實時獲取目標區(qū)遙感影像的空缺，又能克服航空及航天遙感空間分辨率低、受制于長航時、大機動、惡劣氣象條件、危險環(huán)境等影響，為地面災情解譯提供豐富的數(shù)據(jù)源，為指揮組織救援工作確定受災位置范圍、了解災區(qū)實情及時提供真實可靠的圖件和數(shù)據(jù)，在災害應急、災情評估等諸多領域得到廣泛應用[12-27]。

1 UAVRS在重大自然災害的應用

航空及航天遙感在重大自然災害突發(fā)后開展大面積的的應急調查、快速評估、次生災害預警等領域具有優(yōu)勢[28]，一般采用的是相對大型、復雜和專業(yè)的無人機遙感系統(tǒng)和有人機協(xié)作，需要專業(yè)的技術和相對較長的后期成果處理時間，在重大自然災害（如汶川地震、玉樹地震、蘆山地震、魯?shù)榈卣鸬龋┲幸延兄匾獞肹29-37]。

2008年，5·12汶川8.0地震發(fā)生后，極重災區(qū)北川縣城出現(xiàn)大范圍建筑物倒塌和重大人員傷亡，通訊和交通系統(tǒng)遭到毀滅性破壞，傳出特大災情已是震后的第2天。5月15日上午，利用“千里眼”無人機航空遙感系統(tǒng)，采用低空（相對高差200ｍ左右）云下飛行方式，獲取了北川縣城南部地區(qū)高分辨率影像（0.1～0.2ｍ）和視頻數(shù)據(jù)，航測影像立即提供給現(xiàn)場指揮部，并用隨身攜帶BGAN衛(wèi)星通信系統(tǒng)將影像發(fā)回民政部，為評價北川縣城受災情況，制訂抗震救災方案提供科學依據(jù)；之后又利用該航測系統(tǒng)采集了唐家山堰塞湖的航空遙感影像數(shù)據(jù)，對堰塞湖搶險和監(jiān)測發(fā)揮了重要作用[38]。曾濤等[39]利用11架飛機（含無人機或飛艇）獲取汶川地區(qū)的多源高分率航空遙感數(shù)據(jù)，開展了災后地質災害信息快速勘測中信息提取研究，可快速確定滑坡、泥石流等地質災害體空間位置和評價的目的，對于及時快速了解震后災區(qū)的房屋、道路等損毀程度與空間分布，以及地震次生災害如滑坡、崩塌以及由此而形成的堰塞湖的分布狀況與動態(tài)變化等，發(fā)揮了重要作用。周潔萍等[41]采用飛象1號低空無人機及直升機為平臺，開展了基于無人機的地震災區(qū)遙感影像獲取與處理工作研究。以5月22日獲取唐家山堰塞湖區(qū)域及災區(qū)其它堰塞湖實時高分辨率光學影像數(shù)據(jù)，和其它同期多源空間信息數(shù)據(jù)進行集成，首次構建了汶川地震應急三維可視化遙感影像管理系統(tǒng)，為抗震救災提供了直觀可靠的實時災情信息和分析手段。

2010年，4·14玉樹7.1地震發(fā)生。陸博迪等[41]利用雨燕III型電動無人機和白鷺油動無人機參加玉樹震后航測任務，在兩個月時間三進玉樹，損失多架電動和油動無人機，最終實現(xiàn)了高原災區(qū)無人機首次航拍，獲取的高分辨率遙感影像（0.15~0.20m）為劃分災區(qū)范圍提供了重要依據(jù)。王福濤等[42]利用震前與震后高分辨率多光譜遙感數(shù)據(jù)（0.6m分辨率的Quick Bird，2m分辨率的Formosat-2和2.5m分辨率的SPOT-5等），結合震后0.2m分辨率遙感影像，針對玉樹地震極重災區(qū)（結古鎮(zhèn)）、重災區(qū)（仲達鄉(xiāng)、巴塘鄉(xiāng)大部、隆寶鎮(zhèn)和安沖鄉(xiāng)局部）和一般災區(qū)，開展了玉樹地震災區(qū)的遙感監(jiān)測與評估工作，成為監(jiān)測區(qū)詳細評估的重要依據(jù)。楊思全等[43]利用結古鎮(zhèn)及周邊地區(qū)496景高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為主，結合無人機數(shù)據(jù)開展災情精細評估，包括平房與樓房建筑面積監(jiān)測、居民戶數(shù)監(jiān)測、帳篷安置進度監(jiān)測、災民緊急轉移安置區(qū)規(guī)劃等，為開展災害損失全面評估和災后恢復重建工作提供了重要依據(jù)，尤其對災區(qū)帳篷合理安置決策起到關鍵作用。

2011年，3·10云南盈江發(fā)生5.8地震。溫奇等[44]利用LTBT“測繪鷹”系列150型無人機，11日10時獲取了盈江縣城14km2、0.1m空間分辨率遙感影像，并選用2011年2月8日獲取的Worldview-II全色和多光譜融合0.5m空間分辨率遙感影像作為災前的本底影像，并對災前衛(wèi)星影像和災后無人機影像進行配準，對震后房屋損毀、安置點救災帳篷、道路損毀與交通擁堵進行監(jiān)測與評估。該評估數(shù)據(jù)與地方政府上報數(shù)據(jù)存在較大的不一致，除去地方政府災情統(tǒng)計過程中可能存在不規(guī)范操作帶來的影響，主要原因在于正射影像只能提供樓頂、屋頂?shù)膿p毀情況，而房屋側面、內部的損傷無法通過二維數(shù)據(jù)觀察，迫切需要無人機搭載激光雷達、傾斜攝影等提供三維立體信息的傳感器，同時配合現(xiàn)場抽樣入戶調查，從而得到更為真實可靠的評估結果。

2013年，4·20雅安市蘆山發(fā)生7.0強烈地震。四川省應急測繪保障中心在震后7h內成功獲取地震災區(qū)0.05~0.3m分辨率無人機影像222.5km2，第一時間實現(xiàn)了地震災區(qū)高分辨率影像全覆蓋。在搶險生命干道210省道蘆山至寶興段、百丈湖水庫排險、冷木溝和教場溝泥石流、天全縣老場鄉(xiāng)大廟村干溝頭泥石流隱患排查等工作中，無人機高分辨率遙感影像發(fā)揮了重要作用，為次生地質災害排查、評估、監(jiān)測、預警和治理，快速開展沿線次生地質災害排查提供了強有力的技術支撐[45]。王曉青等[46]采用蘆山災區(qū)無人機遙感影像（0.2m分辨率為主）和有人機遙感影像（0.6m分辨率為主、部分0.4m），對覆蓋范圍內約126個主要居民點的建筑物單體和群體震害程度進行了快速定量解譯，基于提取的建筑物震害等級計算確定了每個居民點的遙感震害指數(shù)或倒塌率，通過建立震害遙感定量評估模型，快速高效的完成了地震烈度分布遙感評估圖的繪制。

2013年，7·22甘肅岷縣和漳縣交界處發(fā)生6.6地震。61243部隊受命前去救援，利用無人機低空航測技術在2h內完成2km2里區(qū)域、分辨率優(yōu)于0.5m的正射影像，第一時間提供抗震救災指揮部門使用[47]。

2014年，8·3云南昭通市魯?shù)榭h發(fā)生6.5地震。云南測繪局信息中心于8月4日利用固定翼無人機，獲取主要震區(qū)30km2、0.2m分辨率遙感影像；利用四旋翼無人機獲取魯?shù)榕诮呷植康貐^(qū)影像和高清視頻數(shù)據(jù)，采用連續(xù)幾天的無人機航測數(shù)據(jù)對比分析監(jiān)測堰塞湖水位變化及局部居民點及道路的淹沒情況；其后，先后完成了龍頭山鎮(zhèn)、李家山鎮(zhèn)等災區(qū)高分辨率航測數(shù)據(jù)采集。相關單位立即組織開展了數(shù)據(jù)處理和災區(qū)（部分地區(qū)）房屋震害、地震滑坡、堰塞湖等災害、道路損毀等情況進行了快速評估，為應急指揮決策、搶險救援、震害與地震烈度調查評定等提供參考依據(jù)。

李金香等[48,49]結合現(xiàn)場震害調查和高分辨率無人機正射影像對2015年新疆皮山地震的建筑物震害信息進行了快速解譯，為及時了解災區(qū)災害信息提供了支持。由于無人機正射影像只能獲取建筑物頂部信息，難以進行全方位信息的獲取，特別是在災害檢測及評估方面容易產(chǎn)生錯誤分類，這就促進了能夠獲取建（構）筑物等側面信息的傾斜攝影技術的發(fā)展。

李瑋瑋等[50]利用多旋翼無人機搭載五拼傾斜云臺獲取了魯?shù)榈卣鹗転膰乐氐貐^(qū)的遙感數(shù)據(jù)，開展了基于傾斜攝影遙感影像提取建筑物震害特征的新方法研究。通過研究建筑物外墻及其結構破壞，提高建筑物震害等級判定精度，對地震烈度評定、災害評估、應急、救災以及災害、傷亡、經(jīng)濟損失評估起到極大幫助。

2017年，8·8四川九寨溝發(fā)生7.0地震。四川測繪地理信息局測繪應急保障中心無人機分隊緊急趕赴災區(qū)，于9日晚成功獲取漳扎鎮(zhèn)附近包括九寨溝溝口至五彩池、彭豐村、永竹村、達基寺等區(qū)域0.2m高分辨率影像70km2，及九寨溝縣城0.16m高分辨率影像30km2，為相關部門開展應急救災、災情研判、次生災害排查等提供了第一手地理信息資料。11日凌晨6時制作完成包括九寨溝景區(qū)內五花海、熊貓海和九寨溝縣城等區(qū)域的應急測繪三維模型，第一時間提供給省國土廳研判地質災害隱患使用，同時在三維環(huán)境下開展了災情解譯，分析滑坡體邊界范圍、分布高程、面積等信息，以及房屋、道路、橋梁等基礎設施受損情況，為有關部門提供了更直觀、精確、科學的測繪技術支持。許建華等[51]8月10日-11日利用無人機完成了對漳扎鎮(zhèn)九道拐附近公路、紅巖林場管理處附近單體建筑物、如意壩附近的山體滑坡、海子口村附近道路進行了低空傾斜航測，分辨率0.02~0.1m，完成了九寨溝7.0級地震烈度評估工作，在當天抗震救災現(xiàn)場指揮部召開會議前提交，為烈度圖繪制等提供了及時有力的信息。

綜上可以看出，在面域較廣的重大自然災害應急中，災情獲取一般多采用固定翼和有人機為主，重點區(qū)域和困難地區(qū)以旋翼機輔助，快速獲取高分辨率遙感影像，結合災前高分衛(wèi)星影像，快速評估災情。災情信息獲取時間從汶川地震的4天提高到蘆山地震7h；固定翼續(xù)航能力已提高到30h、旋翼機提高至4h。在地震災害應急評估和災情評判中逐漸凸顯出二維影像的不足，自2014年開始助推了傾斜攝影技術的快速發(fā)展，在地震應急及烈度評估等方面也發(fā)揮著越來越重要的作用。

2 UAVRS在單體災害中的應用

實際上，絕大多數(shù)自然災害都屬于中小型單體災害，單體災害一般規(guī)模較小（小于5km2），常位于地形高差較大的山谷斜坡，人眼可視范圍有限，很多災害體無法涉足，且局部氣象條件常變化迅速（如風力風向不定），該類型災害的應急處置通常要求在數(shù)天甚至數(shù)小時內完成[39,52]，對應急調查的要求更快、更高效。鑒于此，采用更為簡單靈活的小型無人機遙感航測系統(tǒng)，將大大提高單體災害應急處置效率，實現(xiàn)在數(shù)小時內根據(jù)應急調查結果確定應急處置方案。

2014年8月31日至9月2日，三峽庫區(qū)重慶段普降大到暴雨，造成大量道路損毀，房屋倒塌，山體滑坡、泥石流、堰塞湖等災害，其中奉節(jié)、巫山、巫溪、云陽、開縣等地受災嚴重。重慶市國土房管局組織多支無人機組第一時間進入災區(qū)，對體量100×104m3以上地質災害點進行應急航測。楊娟[53]采用多軸旋翼無人機和Photo Scan Pro相結合，克服了群發(fā)地質災害點多面散、地形與氣象條件復雜的困難，4個工作組同時作業(yè)，在1周內完成了奉節(jié)、巫山、巫溪共計74個地災點航攝，并確保在航攝當日夜間向指揮部提交快速監(jiān)測DOM。對重要的大型災害點后期進行了精細化處理，配合相關部門開展災情評估、災體量算等工作，較好地完成了應急監(jiān)測任務，有力支持了應急搶險工作。

2015年4月，王帥永[54]采用六軸旋翼無人機對位于映秀至汶川路段老虎嘴滑坡至都汶高速銀杏鄉(xiāng)入口約5km2區(qū)域開展航測，影像分辨率0.2m。老虎嘴三維真實場景分析所得結果與野外現(xiàn)場調查結果一致，表明無人機低空航測可以滿足強震區(qū)地質災害精細調查研究及建立地質災害空間屬性數(shù)據(jù)庫的精度要求。

李楊等[55]應用多旋翼無人機獲取高分辨率遙感影像，在官地電站大橋溝泥石流溝口區(qū)域地質災害調查進行初步調查試驗。利用遙感成果初步建立地質三維模型，獲取工程地質分析和地災評估需要的平面、剖面圖，遙感影像解譯結果與實地調查結果吻合程度較高，驗證了無人機在水電工程地質調查的可行性和有效性。

王東甫等[56]以廣東茂名市某鎮(zhèn)山洪災害調查項目為實驗區(qū)，采用旋翼機搭載傾斜云臺獲取地面分辨率0.07m、面積約3km2的傾斜數(shù)據(jù)，構建出實驗區(qū)三維模型數(shù)據(jù)，輔助開展山洪災害調查，進行淹沒分析、山洪預警的延續(xù)應用，從而評估受威脅的居民區(qū)人口、住房位置、高程和數(shù)量等信息，其成果精度滿足項目要求，有效地提高了調查效率。

2016年9月28日，浙江省麗水市遂昌縣北界鎮(zhèn)蘇村發(fā)生一起山體滑坡災害，滑坡塌方量40余萬m3，約20幢居民樓被泥石流沖毀，死亡和失聯(lián)人員達到27人。浙江測繪大隊楊燕等[57]立即啟動無人機航測應急預案，采用智能鳥KC1600（電動固定翼無人機）采集滑坡區(qū)域正射影像、采用多旋翼無人機單鏡頭刷面方式對頂部地區(qū)重點采集了傾斜數(shù)據(jù)并采集滑坡區(qū)頂部的高清視頻，用以測量災害點面積和估算土石方量，獲取的遙感影像分辨率高、覆蓋范圍全、信息量大、方便實用，向現(xiàn)場救災指揮部和當?shù)卣块T快速提供了準確、可靠的地理信息數(shù)據(jù)。

2017年6月24日凌晨5時45分，四川茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村新村組富貴山突發(fā)高位垮塌，滑坡體最大落差約1 250m，最大水平滑動距離約2 800m，堆積體體積達1 637×104m3，災害共造成約2km河道被堵塞，62戶83人死亡或失蹤。災情發(fā)生后，當?shù)鼐o急啟動Ⅰ級特大型地質災害險情和災情應急響應。四川省核工業(yè)地質調查院作為國土資源部地質災害應急技術指導中心航測應急支撐單位，緊急趕赴災區(qū)。6月25日上午采用八旋翼機無人機開展高精度傾斜航攝作業(yè)，因災區(qū)坡源頂部距底部高差達1 118m，遠遠超出了旋翼機的飛行高度，為獲取滑坡區(qū)域高精度遙感影像，無人機組采用兩級梯度航測方式，完成了地面分辨率5cm的傾斜攝影數(shù)據(jù)采集。利用高性能便攜式工作站，當天晚上完成了災區(qū)高精度的DOM制作。通過影像發(fā)現(xiàn)，在坡源頂部西北角位置（海拔高度3 065m處）有一條明顯的滑坡裂縫條帶，長度近600m，最大裂縫寬度達26m，該地段推測為一滑坡隱患，同時滑坡體中部右側發(fā)現(xiàn)一處不斷擴大的滲水區(qū)，可能誘發(fā)次生災害，災情形勢嚴重，技術人員急忙將影像判評結果、預測危險區(qū)和應急建議匯報給現(xiàn)場指揮部國土應急辦，領導小組認為此發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)場搶險工作提供了重要決策依據(jù)害。6月27日11時02分，該滑坡隱患體部分發(fā)生二次滑塌，由于人員及時撤離，成功避免了人員生命財產(chǎn)的損失。

綜上可以看出，針對面域較小的單體災害，采用旋翼機搭載不同傳感器可以更加高效獲取多源遙感數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)地面分辨率越高，對科學決策的支撐作用越大；利用傾斜攝影技術構建全景真三維影像在單體災害監(jiān)測、災害評估、應急救援決策中優(yōu)勢明顯。

3 結論與展望

UAVRS在自然災害應急救援中的作用越來越大，不僅降低了現(xiàn)場調查人員的勞動強度和作業(yè)風險，提高了災害調查和災情評估的工作效率，還提高了災害調查基礎數(shù)據(jù)的時效性及可靠性。既能較好地應用于面域較廣的災后調查及災情評估，也可以用于研究單體災害動態(tài)演變規(guī)律的數(shù)據(jù)積累。

1）重大自然災害或單體災害多發(fā)生在地形陡峭，地勢高差較大的山區(qū)，常伴有雨或山間低云、霧等不良天氣，固定翼無人機航測常受限于起飛降落凈空、航線敷設、飛行控制等特殊要求，影響了無人機數(shù)據(jù)獲取時效性的發(fā)揮，難以兼顧航攝的精度和效率要求；而多軸旋翼機機動、更加靈活，可根據(jù)單體災害的形狀、地形、云霧等環(huán)境要求逐航點編輯航線，搭載不同傳感器高效率獲取災害體及影響區(qū)的多源數(shù)據(jù)，為搶險救援提供決策性的數(shù)據(jù)支撐。對于面域較廣的重大自然災害應急，優(yōu)先采用具有垂直起降功能的固定翼無人機開展地面分辨率0.1~0.2m的正射影像，對重大危險的單體災害優(yōu)先采用多軸旋翼機搭載傾斜云臺獲取地面分辨率0.02~0.07cm的DOM和全景真三維影像。

2）UAVRS搭載傾斜云臺構建高分辨率全景真三維影像，突破了DOM二維解譯局限性，極大提高了單體災害解譯的精度及準確度，極大程度的地降低了區(qū)域性多期數(shù)據(jù)獲取的難度和成本，為應急救援決策提供更加科學的技術支撐，在崩塌土石方量計算、災害評估、震級烈度評估中起到關鍵作用。

隨著現(xiàn)代技術的不斷發(fā)展，為更加高效解決重大災害應急的需要，應著重解決以下問題：

1）UAV朝小型化、自動化、自主化、智能化、模塊化、集成化方向深度發(fā)展；研發(fā)UAVRS搭載的各種數(shù)字化、重量輕、體積小、探測精度高的新型傳感器，諸如小型多光譜/超光譜成像、超高頻/甚高頻探測、合成孔徑雷達、激光LiDAR等。

2）隨著UAV飛行速度、遙感影像分辨率、數(shù)據(jù)采樣頻率和通訊頻帶寬度的不斷提高，海量遙感圖像數(shù)據(jù)自動、高速、高質量的實時處理將成為UAVRS應用的新瓶頸，因此，研究開發(fā)高性能的航空遙感數(shù)據(jù)智能處理應用系統(tǒng)是發(fā)揮UAVRS獨有優(yōu)勢和廣泛應用的基礎，應針對數(shù)據(jù)的特點，在影像校正、拼接、融合、分析等處理中研究新的算法和技術，實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的自動智能、高效處理與應用。

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The Application of Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing Technology to Natural Disaster Emergency

WANG Xiao-gang GAO Fei-yun YANG Lei ZHANG Shu LIU Tao

(Sichuan Institute of Uranium Geological Survey, Chengdu 610052)

Unmanned aerial vehicle remote sensing (UAVRS) technology can quickly and efficiently obtain high-precision, high-resolution disaster information. It can be applied to a wide range of post-disaster survey and disaster assessments, and can be also used for studying the accumulation of data on the dynamic evolution of individual disasters. UAVRS is characterized by lower and lower field of take-off, more flexible modes, faster response, lower cost, longer battery life, and higher and higher image resolution (0.02 to 0.1m), more and more abundant data sources and data products with the continuous development of emergency technology. Oblique Photography technology to build Three-dimensional real space scene greatly enhances the precision and accuracy of individual disasters interpretation, reduces the difficulty and cost of regional multi-period data acquisition, and provides more scientific technical support for emergency rescue decision-making. For the characteristics of massive remote sensing data, the research and development of high-performance aviation remote sensing data intelligent processing application system can realize automatic intelligent and efficient processing and application of remote sensing data.

unmanned aerial vehicle remote sensing(UAVRS); natural disaster; emergency monitoring; oblique photography; three-dimensional real space scene

2018-06-01

四川省財政專項“多旋翼機地質災害應急調查監(jiān)測關鍵技術研究”

王曉剛（1979-），男，河南省許昌縣人，碩士，高級工程師，主要從事無人機航測遙感及地理信息系統(tǒng)研究

P627

A

1006-0995（2019）01-0158-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.036