无人机航摄系统及其在地质灾害应急救援中的应用

韩宇波

（中国人民公安大学，北京 100038）

我国地质灾害多发，其有着地域分布广泛、频率高、损失严重和影响范围大的特点。提升地质灾害应急救援能力，不仅能够保证快速建立紧急救援系统，同时对于减小经济损失、减少人员伤亡也有着十分重要的作用。随着科学技术的发展和进步，无人机航摄系统在应急救援领域得到了较高的普及，在遥感技术、热成像技术及无线网络技术的辅助下表现出了较高的安全性、较强的环境适应性及较为丰富的功能性特征，突破了传统救援手段受限度高、救援速度慢的劣势，能够快速完成地质灾害发生区域影像数据的获取，在三维模型成果上对变形量进行测量，通过对影像数据成果进行比对，分析地灾体的变化趋势，为防灾减灾提供技术依据。

1 无人机航摄系统概述

1.1 无人机航摄系统构成

无人机低空航摄系统通过无人驾驶技术、遥感传感技术、定位技术和凭数据的快速获取及高精准度的覆盖弥补了卫星遥感等测绘手段在精度和及时性等方面的不足，主要构成包含飞行平台、控制系统及数据处理系统。图像获取流程如图1 所示[1]。其中飞行平台是指令接收单元也是质量发射单元，能够完成控制端飞行地点及飞行高度的目标指令接收，并将相关指令通过成像传感器系统完成直接传输保证无人机航摄按照既定的航线完成飞行任务的执行。飞控系统用以辅助进行导航和定位并且及时接收相关路线质量的修改，同时也肩负着完成无人机的航行姿态及轨迹进行掌握记录的任务。而数据处理系统会结合范围内的地理地形特点，完成图像质量重叠度精度影响因素的消除，根据综合指标完成航线参数的计算，利用实时动态（Real time kinematic，RTK）完成坐标系信息获取，能够完成各类信息的接收，同时能够给予相关飞行参数及导航轨迹等直接地显示。

图1 无人机图像获取流程

1.2 地质灾害应急救援中的关键技术

1.2.1 定位导航

定位系统是无人机航摄系统的核心构成，通过卫星信号的描述来完成用户接收机位置的确定，可以提供精确的三维位置、速度及时间信息，具备连续的全球覆盖能力[2]。定位过程当中通过卫星系统完成信号发送工作任务，由用户接收机完成信号接收任务，接收和发射的时间差就是卫星信号的传播时间，根据欧式空间定理可以计算出卫星系统同用户接收机之间的距离。例如在泥石流、山体滑坡等自然灾害发生的过程中，单纯依靠人力救援工作难以展开，地毯式的搜索需要投入大量人力。无人机进入受灾区域后可以利用导航系统保证应急救援过程中完成精准定位识别，提高搜救效率。

1.2.2 空间信息直播

灾情信息获取之后通过高效数据传输实现空间信息直播，完成数据转化将其发布以便进行应急服务。机载测量平台通过控制主板I/O 设备完成数据的读取，使用数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）模块将数据压缩后传输，再利用地面无线数据传输的中继方法转发至地面接收系统。此时，地面接收系统便会将无人驾驶飞行器上所收集的数据进行即时解压，从而实现了计算机端的直接显示。例如，地震灾害发生以后破坏性较强，采用空间信息直播技术可以完成震区位置、范围及强度的确认，精确提取地震属性信息，提高应急调查效率。

1.2.3 遥感技术

遥感传感器能够获取含有丰富信息的影像，通过计算机的辅助处理，完成对图像的恢复、增强及分类工作，从而真正发挥出信息的参考作用。遥感技术在电磁辐射的基本原理上构建，利用遥感器通过不同物体对电磁波反射的不同特性来实现感知识别[3]，利用不同波段的穿透性最大限度地获取物体的内部数据信息，在计算机辅助处理之下，发挥出信息的参考作用。当今的遥感技术完成了与光学、电学、计算机学等全新科学领域的结合，在基础信息及动态数据的提取上表现十分出色。例如冰冻、雨雪等重大气象灾害发生波及范围较大，无人机航摄充分利用遥感技术在不断地升级完善之下可以完成动态监测，并以识别结果完成规律判定，进而辅助完成应急救援任务的执行。

1.2.4 数据压缩编码

数据压缩编码技术是保证无人机航摄系统在地质灾害应急救援中完成数据实时传输的前提，在无人机航摄系统通过传感器完成数据获取的过程中会利用数据链将其实时传输至接收系统。但地质灾害发生的过程中数据传输量较大，因此整个通信宽带面对着巨大的传输压力，而此时利用压缩算法来完成获取数据的压缩，能够保证信息容量的扩充，且能够通过高分率的运动补偿算法保证高质量影像的压缩和传输。例如洪涝灾害发生后，传统监测不仅信息获取速度慢且缺乏客观性，数据压缩编码技术的应用能够保证动态监测的及时传输，结合地形数据完成灾害分析。

2 无人机航摄系统在地质灾害应急救援中的优势

2.1 应急测绘，科学保障救援

自然灾害有着发展迅速、波及范围广和影响程度深的特点，因此应急救援过程中以了解灾情实际情况为首要任务，继而可有针对性地制订后续的救援计划。应急测绘是实现科学及时救援、自然灾害的监测预警和风险评估等工作的保障[4]。无人机摄影系统能够完成数据的采集工作，通过快速地处理实现灾区三维模型的绘制，三维建模技术可以全方位地呈现自然灾害爆发后受灾的实际状况，并利用空间信息和数据可视化切实地为受灾的调查研究和地貌的勘测工作提供帮助。除此以外，高精度三维模型的建立能够辅助完成塌方量测算、滑坡量数据测算和灾害及范围评估，能够最大限度地降低灾害的影响范围。

2.2 灵活响应，突破地形限制

地震、泥石流等大型自然灾害的发生，对于交通、通信等方面都会造成严重的影响。且大多自然灾害的发生地均处于复杂的山区，如此一来给应急救援造成了较大的阻碍。无人机航摄系统作为一种智能装备，在应急救援领域能够展现出较快的救援速度和较为灵活的工作性能，在灾害发生后的第一时间，便能够突破地理环境的限制，深入地势恶劣的灾区现场。

预计11月底，尿素市场将进入销售的小旺季，但是复合肥情况则不太乐观。唐小琳说，由于目前氮磷钾等原料市场价格上涨，复合肥出厂价格走到了历史最高点。所以，今年的冬储估计要用“平淡”两个字来总结。但是化肥对农民来说属于刚性需求，唐小琳表示，预计经销商完成备货以后，尿素是市场价格或将回归“理性”。

另外，在诸多先进科学技术的辅助之下，救援无人机除了可以完成基本的测绘摄影工作外，通过功能模块的搭载为整体救援提供了极大的方便性。例如通过喊话器的搭载，能够保证无人机摄影系统在高空巡逻的过程中完成喊话宣传和深度交流；通过照明设备的搭载，能够保证在深夜巡逻或者天气恶劣情况下提供紧急照明，辅助救援工作的展开；通过红外热成像仪的搭载，辅助夜晚环境下的侦查顺利进行。

2.3 紧急搜索，降低安全风险

自然灾害发生时，人员被困的现象非常常见，但恶劣的自然环境加大了搜救难度。为此，必须在最短的时间内快速地进行目标搜索，提供救援服务，降低遇险人员生命安全威胁。通过无人机航摄系统进行搜救，结合多种电子信息技术及无线通信技术，能够快速地发现失踪人员，同时提供准确的地理位置信息和图像信息，保证搜索范围和救援规模的缩小[5]。在高频采集设备的辅助之下完成灾情的侦查，减少了无效救援的浪费，降低了救援人员深入险恶环境的风险率，同时有效地提升了救援速度。

3 无人机航摄系统及其在地质灾害应急救援中的应用

我国西南地区地质灾害频发，2017 年6 月某村庄发生了严重的山体滑坡事件，整个村庄几乎被完全淹没，造成了巨大的生命财产损失。灾害发生后交通被切断、河道被堵塞，且因为该村庄本身处于山谷高坡，周边植被较为茂盛，为保证救援顺利开展，必须在最短的时间内将相关的信息进行采集反馈，保证应急处置的及时。但若采用传统的救援手段，不仅工作强度大、效率低，且很多核心区域无法到达，一旦在救援过程中发生二次灾害，产生的风险是难以估量的。灾害发生以后，救灾指挥部门应立即采取紧急应急救援措施，选用无人机航摄系统完成应急测绘，结合地面调查及监测资料完成灾后高分辨率正射影像及三维实景模型的获取，保证指挥部掌握一手全面数据，强化监测预警，将二次灾害发生损失减至最低[6]。

3.1 技术路线

3.1.1 航线规划

本次救援过程中应用大疆无人机（Phantom4 RTK）进行航测（主要参数指标见表1）。该款无人机作为一款小型高精度航测无人机内置导航定位模块，测量精度可达厘米级。航摄任务完成过程中根据滑坡影响范围、相对高差和实际的救援需求制定相应的航线及航摄分区，要保证安全距离及安全高度，充分考虑高程分辨率和重叠度需求。另外，灾害发生之后，航摄任务很容易受到地形和障碍物的影响，且相机的参数及地面低分辨率是人工无法干预的，为此本次任务考虑在测区范围内通过若干条与测图航线垂直航线的加飞，来完成航线的控制以保证区域模型之间的连续性及加密平差精度的提高。航高作为航带线路设置的重要参数由相机传感器电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）尺寸、相机主距及影像地面分辨率（Ground Sampling Distanc，GSD）等决定。航高与地面分辨率及相机焦距关系示意图如图2 所示。

图2 航高与地面分辨率及相机焦距关系示意图

表1 大疆无人机（Phantom4 RTK）主要参数指标

航摄高度计算关系如下

式中：H 为航摄高度，m；a 为传感器CCD 像元尺寸，μm；f为无人机镜头焦距，mm；GSD 为地面影像分辨率，m。

最终，本次救援任务设置25 条航线，航拍高度确认为300～450 m，航向重叠度为75%，航带间重叠度为70%。

3.1.2 像控点布设

控点布设是无人机完成航测任务的关键步骤，其作为空三加密及测图的基础，保证合理的像控点布设能够保证成图的精度。像控点布设的基本原则为按航线实现全区统一布设，借鉴几何强度的构成保证在测区内形成均匀分布的像控点[7]。若测区为大面积规整区域，以品字形像控点布设为主；若为带状区域则以S 或Z 形路线完成布点。在进行像控点密度设置的过程中，通常要考虑地形和精度的需求，其中地形复杂、起伏较大的区域可以适当地增加像控点的布设量（像控点布设参考见表2）。本次救援过程中应用的大疆无人机（Phantom4 RTK）精度较高，无需另设像控点。

表2 像控点布设参考

3.1.3 三维建模

三维模型制作过程当中的主要方法包括利用现有的模型制作软件或者是数字摄影测量技术来完成，也可以通过GIS 二维数据在高度属性的辅助之下完成三维建模。利用专业的软件完成建模是目前最为直接有效的方式，本次应急救援任务选用Bentley 公司的ContextCapture Center Master 软件。该软件不仅提供了丰富的软件接口，能够完成多种平台的有效融合，更有着简单的操作流程，同时也可以实现同地理信息软件的结合。本次航摄任务完成后获得高分辨率数字地表模型（DSM）和数字正射影像图（DOM），在ContextCapture Center Master 软件的辅助之下通过联机计算完成三维实景模型的建立[6]。

3.2 应用效果

在本次山体滑坡事件中大疆无人机（Phantom4 RTK）在应急救援过程中共完成了785 张航拍照片的拍摄，灾害发生的4 h 之内就完成了三维实景模型的构建。清晰的三维模型明确了变形体的存在位置，该变形体的存在很有可能引发二次灾害而造成二次风险，所以应急救援部门针对该现象给予一定程度的重视，救援开展过程中及时避免危险区域。在救援组的综合判定之下，制定了综合性的紧急救援程序，争取了救援时间，将损失减至最低。可以说，无人机航摄系统积极地推动了灾害现场救援科学、合理、有序和及时地开展。

4 结束语

在地质灾害应急救援中，无人机航摄系统能够完成立体监控体系的快速构建，保证深入灾区核心，获取一手信息并直接传递至指挥中心，帮助救援人员对灾害的影响情况作出及时准确的判定，并完成针对性救援方案的制订。随着使用需求的提升，无人机测量测绘系统正向着自动化、智能化、全面化和高效化的方向快速发展，通过不同功能模块的搭载实现不同的功能。而在未来，随着集成化及专业化功能的深度打造，无人机航摄系统及其在地质灾害应急救援中的应用效果也会更加显著。