蔡英琪，胡鵬，伍光勝

（1.廣州市突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，廣東廣州 511430；廣州市防雷減災管理辦公室，廣東廣州 511430）

城市熱島效應是一種由于人為因素如人工構(gòu)筑物、人工發(fā)熱等改變了城市地表的局部溫度、空氣對流、濕度等相關(guān)要素，進而引起熱量在一定空間范圍內(nèi)聚集的現(xiàn)象，是城市氣候最典型的特征之一［1］。全球氣候變暖和大規(guī)模高速城市化是21世紀2個重要的環(huán)境現(xiàn)象，二者的聯(lián)系也日趨緊密。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第5次報告中明確提出了氣候系統(tǒng)變暖毋庸置疑。由于城市化是一種最強烈的土地利用變化之一，在下墊面變化、人為熱釋放和大氣污染物增加等因素的疊加作用下，對地表能量的平衡和近地面氣溫可以造成顯著影響，進而影響區(qū)域和城市局部氣候，特別是城市熱環(huán)境。因此，在全球氣候變暖和大規(guī)模高速城市化的雙重影響下，城市的熱環(huán)境日益惡化已成為當前大城市氣候的顯著特征之一［2］，其可對公共戶外空間的安全性、舒適性產(chǎn)生直接影響，同時會對城市公共健康、綜合能耗產(chǎn)生間接影響。有研究數(shù)據(jù)顯示因高溫熱浪引發(fā)的死亡率就在各類自然氣象災害中位居前列［3］。

廣州市作為中國人口密度大、經(jīng)濟集中度高的特大型城市之一，由于城市地表熱環(huán)境惡化，進而引發(fā)公眾生活舒適度降低、各種能耗持續(xù)增長、空氣污染加劇等一系列社會問題。而另一方面，隨著人類文明的進步，人類對生存環(huán)境的要求也是有增無減，這兩者的矛盾使得城市熱環(huán)境成為一個亟待解決的問題。由于城市熱環(huán)境的成因及時空演變非常復雜，因此出現(xiàn)了多種不同的研究方法［4］，從數(shù)據(jù)來源看，主要包括基于地面觀測站研究、基于遙感技術(shù)研究、基于模型的模擬研究，其中，傳統(tǒng)的遙感技術(shù)一般基于衛(wèi)星遙感，其覆蓋范圍廣，時間同步性好，更新較快，但也有精度不高、費用昂貴、受天氣因素影響等不足。如能采用在石油石化、公共安全、森林防火等行業(yè)廣泛應用的小型無人機平臺搭載紅外熱成像設備用于城市熱環(huán)境研究，利用其精度高、操控靈活、成本低等優(yōu)點，則可有效彌補傳統(tǒng)遙感技術(shù)手段的不足。

本研究主要研發(fā)了基于微型四旋翼無人機平臺的地表溫度場反演系統(tǒng)和地表網(wǎng)格化溫度場生成軟件，并對系統(tǒng)和軟件進行了應用測試，以檢驗系統(tǒng)應用的可行性和精度，為城市熱環(huán)境研究提供一種新的技術(shù)方法。

1 地表溫度場反演系統(tǒng)和生成軟件

基于微型四旋翼無人機具備機動靈活、垂直飛行、航拍分辨率高、操作簡單等特點，系統(tǒng)以微型四旋翼無人機作為載機平臺，通過機載紅外相機作為任務設備，并自主開發(fā)了地表溫度場反演軟件。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于本系統(tǒng)以微小型旋翼無人機開發(fā)，采用了GIS技術(shù)、紅外成像技術(shù)、無人機技術(shù)、圖像處理技術(shù)、5G通信技術(shù)等，與其它類型的無人機系統(tǒng)相比，其外觀結(jié)構(gòu)、性能指標、應用領域均有所不同，但從系統(tǒng)原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上講，它同時也是一個常見的無人機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［5-6］，全系統(tǒng)包括了無人機平臺、無線通信鏈路、控制端、任務設備和軟件等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為提高飛行穩(wěn)定性和操作靈活性，滿足城市熱島觀測的實際使用需求，載機采用了重量輕、強度高的碳纖維材料機身四旋翼無人機［7］。高靈敏度紅外相機作為任務設備掛載于增穩(wěn)云臺。該相機采用非制冷型氧化釩陣列成像［8］，體積較小，可在較寬溫度范圍內(nèi)進行高精度紅外拍攝，同時具有非常好的均勻性和動態(tài)范圍，能較好滿足城市熱環(huán)境觀測任務需求。飛控和圖傳信道上所采用的工作頻率分別為5.725～5.825 GHz和2.400～2.483 GHz，可實現(xiàn)3 000～5 000m的通信距離，由于通信時使用了動態(tài)自適應技術(shù)，收發(fā)端能自動選擇最佳信道，通過切換不同的信道和調(diào)整帶寬，確保通信穩(wěn)定。

1.2 地表網(wǎng)格化溫度場生成軟件

為實現(xiàn)地表溫度場實時自動生成，開發(fā)了地表網(wǎng)格化溫度場生成軟件。軟件可以實現(xiàn)實時接收航拍照片、拼接、生成網(wǎng)格溫度場、疊加衛(wèi)星地圖顯示、任意點取值、數(shù)據(jù)查詢和導出等功能。

整個軟件的工作流程為：

采用FTP方式實時將無人機所拍攝紅外照片推送到軟件服務器，傳輸完成的同時觸發(fā)服務器監(jiān)聽程序進行該紅外圖像的溫度數(shù)據(jù)計算，并進行格點化，產(chǎn)生該次飛行過程的地面溫度場的合并文件。這個自定義的合并文件里含有填色后的紅外圖片和對應的JSon格式地表溫度場數(shù)據(jù)文件，最終通過瀏覽器訪問疊加衛(wèi)星地圖的溫度場數(shù)據(jù)。當瀏覽器打開頁面時，Web頁面通過JavaScript腳本函數(shù)定時檢查服務器圖片接收文件夾的文件更新情況，一旦發(fā)現(xiàn)有新的更新文件接收完成，就讀取最新的紅外填色圖片和溫度場數(shù)據(jù)文件。最后，使用ArcGIS API for JavaScript技術(shù)，在谷歌衛(wèi)星地圖上疊加顯示出紅外填色圖片和溫度場網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

軟件開發(fā)中，有兩個關(guān)鍵技術(shù)，一是根據(jù)紅外照片生成對應經(jīng)緯度的溫度值；二是一次飛行過程中的多張連續(xù)紅外照片拼接［9-10］。具體的實現(xiàn)方案為：

1）服務器每接收到一張回傳的紅外照片，都利用廠家SDK庫進行轉(zhuǎn)化，用照片的全部像素點計算每個點對應的溫度值（精度0.001℃），形成一個二維的溫度數(shù)組，每張照片共640×512個像素點可轉(zhuǎn)化為對應的溫度值。

2）由于原始紅外照片帶有XMP信息，讀出該XMP信息，可獲得本張照片拍攝時的中心坐標、高度、GPS信息、無人機角度狀態(tài)等信息。

3）將步驟1）獲得的640×540個溫度值數(shù)組，利用步驟2）讀出的坐標信息和高度信息，通過三角函數(shù)數(shù)學計算，求出該張照片4個頂點對應的真實坐標后（圖2），再計算出照片上每個溫度點（共640×540個）對應的經(jīng)緯度坐標，生成單個照片的溫度場網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

圖2 水平（a）和翻轉(zhuǎn)（b）飛行時的坐標計算示意圖

4）多張照片的拼接。每當有新的照片推送回服務器接收文件目錄時，就重復前3步驟，同樣求出新拍攝照片的4個頂點坐標和溫度數(shù)組后，與之前已反演生成的溫度場對應坐標范圍進行匹配合并，將全部圖片的溫度值合并進溫度二維數(shù)組中，其中如果有坐標點上出現(xiàn)重疊，則該坐標點的溫度值取各次平均值，最后生成合并后的整個拍攝范圍的經(jīng)緯度范圍和溫度數(shù)組，從而完成網(wǎng)格化溫度場反演。

2 地表熱環(huán)境飛行觀測

為測試本系統(tǒng)方案設計可靠性和反演溫度數(shù)據(jù)的準確性，進行了多次空中飛行試驗。圖3為2017年7月27日在廣州市海珠區(qū)海珠湖公園進行飛行試驗的區(qū)域圖。距離試驗區(qū)域最近的是海珠區(qū)華洲街龍?zhí)洞宓膬蓚€區(qū)域氣象站（G3101、G3339），試驗時氣溫在34.3～35.3℃，相對濕度在48%～57%，最大風速在1.5～3.6m／s。

圖3 試驗區(qū)域

熱紅外遙感反演結(jié)果（圖4）顯示，地表面溫度分布有很大的差異，北邊的建筑群、公園外的新滘西路、廣場，水泥路面以及橋梁等溫度大致在45～65℃，有植被覆蓋的區(qū)域溫度較低，灌木在40～43℃，草地則在44～46℃，水體表面的溫度最低，大致在32～35℃。

圖4 反演生成的地表溫度場

另外還可以看出，熱紅外反演溫度具有很高的空間分辨率，甚至能夠較精細的刻畫出北廣場中各顆灌木。靶標點的地面實測與熱紅外反演溫度對照顯示（表1），水泥地、灌木、草面和水面4個點差值分別是0.2、0.1、0.7和0.9℃，較接近，可見反演結(jié)果比較準確。

表1 靶標點實測溫度和熱紅外反演溫度 ℃

3 結(jié)論

基于微型四旋翼無人機平臺的新型城市地表溫度場反演系統(tǒng)和地表網(wǎng)格化溫度場生成軟件具有分辨率高，使用維護成本低，操作靈活、可靠性高、受天氣因素影響小等優(yōu)點，其空間分辨率可達到0.5m，反演精度可達到0.1℃，可實現(xiàn)對城市熱環(huán)境街區(qū)級小尺度精細化觀測，研究城市冠層精細化三維熱環(huán)境特征，評估不同建筑布局和下墊面對熱環(huán)境的可能影響，彌補傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感和其它觀測手段的不足，觀測數(shù)據(jù)有助于加深對城市邊界層三維結(jié)構(gòu)認識，滿足城市精細化氣象服務的需求，同時為合理規(guī)劃城市、改善大城市熱環(huán)境提供科學的參考。此外，還可廣泛應用于消防、救災、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等其它領域［11］。