微型无人机遥感系统在汶川地震中的应用.pdf

第 19卷 第 3期2010年 6月 自 然 灾 害 学 报JOURNAL OF NATURAL DISASTERSVo.l 19 No.3Jun.2010 收稿日期:2008-10-16;修订日期:2009-10-15 作者简介:臧 克(1982-),男,助理研究员,主要从事灾害评估与应急管理研究 1 通讯作者:孙永华,博士研究生 1E-mai:l syhua1982 文章编号:1004-4574(2010)03-0162-05微型无人机遥感系统在汶川地震中的应用臧 克1,2,3,孙永华1,2,李 京3,4,闫志壮3,宫辉力1,2,李小娟1,2,赵文吉1,2(1.三维信息获取与应用教育部重点实验室,北京 100048;2.空间信息技术教育部工程中心,北京 100048;3.民政部 国家减灾中心,北京 100053;4.北京师范大学 资源学院,北京 100875)摘 要:微型无人机遥感系统具有运行成本低、执行任务灵活性高等优点,是遥感数据获取的重要工具之一。首先介绍了微型无人机遥感系统的组成,并设计了微型无人机遥感监测的技术流程,最后应用微型无人机遥感系统对/5.12汶川大地震0的重灾区北川县城进行了航拍,获得了 107张高清晰的航空照片。通过图像拼接和几何校正,对比震前的卫星影像,对灾区的受灾情况进行了初步评价,取得了较好的效果。关键词:微型无人机、遥感系统、汶川地震、灾情评估中图分类号:P31519 文献标识码:AApplication ofm iniature unmanned aerial vehiclere mote sensing system toW enchuan earthquakeZANG Ke1,2,3,SUN Yong-hua1,2,LI Jing3,4,YAN Zh-i zhuang3,GONG Hui-li1,2,L IXiao-juan1,2,ZHAO Wen-ji1,2(1.Key Lab of 3D Infor mation Acquisition andApplication,M inistry of Education,Beijing 100048,China;2.Engineering Center forSpatialInfor mation Techno logy,M inistry of Education,Beijing 100048,China;3.National D isasterReduction Center of China,M inistry of Civ ilAffairs,Be ijing 100053,China;4.College ofResourcs Science&Technology,Beijing Nor malUniversity,Beijing 100875,China)Abstract:M iniature unmanned aerial vehicle remote sensing system(MUAVRSS)plays an i mportant role in re motesensing data acquisition.It hasm any advantages,such as low operation cos,t good running flexibility,and so on.F irs,tthis article introduces the system composition ofMUAVRSS.Then it designs a technical process ofmonitoringserious natural disaster using MUAVRSS.F inally,we utilizedMUAVRSS for taking photos of the town of BeichuanCounty,which is a heavy disaster area ofW enchuan earthquake.Hundred and seven clear aerial photoswere ac-quired.According to i magemosaic and geometry correction,we preli m inarily evaluated the suffering condition bycomparing to the spaceborne i mages before the strong earthquake.Better effortswere realized.Key words:m iniature un m anned aerial vehicle;remote sensing system;W enchuan earthquake;disaster evaluation 微型无人机低空遥感系统是 20世纪 90年代发展起来的一种遥感技术,它主要以无人双翼飞机、无人直升机等作为遥感平台,获取高分辨率遥感影像数据 1-4。其作为一项空间数据获取的重要手段,具有成本低、机动灵活、影像实时传输、高危地区探测等特点,是遥感数据获得的重要工具之一,也是卫星遥感与载人飞机航空遥感的有力补充,在国外已得到广泛应用。基于以上特点和优势,无人机可提供直观、准确的图像和数据信息,特别适合特殊地理环境下救灾人员无法到达地区的数据采集,可为突发灾害提供应急救助和灾后评估服务。2008年 5月 12日 14时 28分四川省汶川县境内发生 8.0级地震。在/5#120汶川地震后,作者所在的技术工作组应用微型无人机遥感系统,对重灾县北川县进行了航拍,共获取北川县城南部地区 107张高清晰航拍照片和 8m in的视频影像。经过图像拼接和判读,初步评价了北川县城的受灾情况,为制定抗震救灾方案提供科学依据。本文结合此次北川航拍的实例,介绍了微型无人机遥感系统的组成及其影像处理方法,并探讨了应用微型无人机遥感监测灾情的技术流程,最后分析了该系统在灾害监测中的应用前景和存在的问题。1 微型无人机遥感系统的组成微型无人机遥感系统基于低成本,小巧、便携,使用维护简单的思想设计,使用高性能的平衡仪保证飞机有可靠的稳定性,提高了飞控对各种飞机的适应能力,具有调试简单,性能可靠等优点。该系统使用普通数码相机,成本低,可替代性强。同时该系统使用 GPS导航,具有较高的精度。1.1 微型无人机平台微型无人机主要采用玻瑞钢和碳纤维复合材料加工而成,重量轻、强度大。机身有一定的容积范围,便于遥感设备的正常使用。无人机的后端安装有性能稳定的航空发动机和推力螺旋桨为动力装置。无人机采用手掷遥控起飞和遥控降落。下表是微型无人机平台的主要性能指标。表 1 微型无人机遥感平台主要性能指标表Table 1 M ain features and indices ofminiature unmannedaerial vehicle re mote sensing platfor m飞行高度1000m续航时间30min(由电池容量决定)有效载荷2kg最大抗风4级地面分辨率0.1 1m巡航速度50km/h起降方式投掷起飞,滑行降落1.2 飞行控制系统微型无人机遥感系统采用 GPS自主导航和气压定高,可按设定的航线全自主飞行,飞行中可随时切换遥控飞行状态或自主飞行状态。整个飞控系统主要由遥控接收机,GPS接收板,GPS天线,自动平衡仪,自主飞行控制系统组成。自动平衡仪通过 4个红外感应头感知飞行姿态,自动保持飞机平稳飞行。自主飞行控制系统根据GPS的实时导航信息控制飞机按预设的航线和高度自主飞行。飞控系统由两个微型计算机组成,一个计算机用于导航控制,另外一个用于高度和空速的控制,舵机控制的固持频率为 20m s。图 1是微型无人机飞控系统的组成图。图 1 微型无人机飞控系统组成图Fig 11 Co mposition diagra m of flying control syste m ofm iniature unmanned aerialvehicle1.3 遥感设备微型无人机遥感系统选用高分辨率数码相机作为主要遥感设备。数码相机体积小、重量轻、成本低,可替代性强,且可以直接存入到计算机中进行处理,适合微型无人机遥感系统实时、快速的技术特点。更为重要的是,数码相机可以实现定时曝光,满足航空遥感连续拍摄的要求。1.4 无线电遥控系统无线电遥测系统用于传送微型无人机和遥感设备的状态参数,可实现飞机姿态、高度、速度、航向、方位、#163#第 3期 臧 克,等:微型无人机遥感系统在汶川地震中的应用距离及机上电源的测量和实时显示。供地面人员掌握微型无人机和遥感设备的有关信息。同时无线电遥控系统可以传输地面操纵人员的指令,引导无人机按地面人员的旨意飞行。2 微型无人机遥感监测的技术流程微型无人机遥感监测主要由前期准备、航拍、后期处理与分析 3个阶段组成。在前期准备阶段,主要包括图上作业、定点勘查、飞行条件测试、航线设计和飞行指令传输等 5。在后期处理与分析阶段,主要包括数据下载、图像处理(图像匀色、拼接、几何校正等)、信息提取分析和信息应用等。图 2是微型无人机遥感监测技术流程图。图 2 微型无人机遥感监测技术流程图F ig12 Technical flowchart ofm iniature unmanned aerialvehicle remote sensing monitoring3 微型无人机遥感系统在汶川地震中的应用3.1 航拍区域的选择在/5#120汶川大地震中,北川羌族自治县受到了毁灭性的破坏,全县交通瘫痪、通讯中断、电力停止,县城及 80%以上的乡镇被夷为平地。2008年 5月 15日上午,作者所在的技术工作组应用微型无人机遥感系统对北川县城进行了航拍。图 3是该区域地震前的影像图。图 3 微型无人机航拍区域震前影像图Fig13 Aerophotographic i mages fro m m iniature unmanned aerialvehicle before earthquake#164#自 然 灾 害 学 报 第 19卷3.2 主要工作流程图 4 北川县县城震后航空遥感图F ig14 Aeronautical remote sensing chartofBeichuancs county to wn after earthquake 技术工作组使用 1B10000地形图,确定了航拍区域的准确位置,拟定了微型无人机的飞行高度、航点和航迹。根据当天风力、海拔高度和能见度等技术条件要求,技术工作组确定航拍当天风力小于 3级,适合微型无人机飞行。在地面控制站人员输入飞行指令后,通过人工短距离抛射的方式,微型无人机顺利起飞,并通过遥控器引导其进入预定航线之后,地面控制人员切换指令,微型无人机进入自动飞行状态(完全脱离视线范围),并按照预先输入的飞行指令,自动执行飞行航拍任务(每 4s拍摄一次)。飞行过程中,地面飞行监控平台可实时跟踪和获取微型无人机飞行状态和航拍图像,也可随时根据实际需要更改飞行指令。在微型无人机完成预定飞行指令,沿航线返回抛射点上空时,地面控制人员再次通过遥控器,引导飞机滑行并降落地面,滑行距离不超过 3m。整个航拍历时 25 m in,共获得 107张高清晰航拍照片和 8m in的视频影像。航拍结 束后,技术工作 组将获 得的照 片进行 内业处理 6-9。首先,使用全景制作软件 PTGui对全部 107幅照片进行一次性整体拼接。拼接工作全自动化进行,无需人工干预,效率较高。运行在 CPU 2.0GH z,内存 2.00GB的 PC电脑上,用时不到 10m in。然后使用 ERDAS I MAGI NE 9.1,以 1B10000 地形图为参考影像,对拼接后的影像进行几何校正。由于地震后建筑物损毁严重,所以控制点多选用道路(未明显破坏)的交叉点。3.3 灾情分析和评价利用震后的微型无人机航拍图和震前 2006年 5月中获取的美国 IKONOS光学遥感卫星的 1m 影像,对/5#120汶川大地震北川县城的受灾状况进行了快速评估,初步分析结果如下:图 5 北川县城地震灾害航空影像图F ig15 Aeronautical i mages of earthquake disaster in Beichuancs county town#165#第 3期 臧 克,等:微型无人机遥感系统在汶川地震中的应用 (1)地震导致该区域房屋损毁严重,绝大部分房屋倒塌,倒塌率(倒塌房屋数量/全部房屋数量*100%)在 75%以上。(见图 4、图 5(a)(2)发生在北川县城西南的滑坡对老县城造成了严重性破坏,部分道路及倒塌房屋被掩埋在滑坡体之下,阻挡了省级公路 S302的通行。(见图 4、图 5(b)(3)滑坡造成的崩塌、倒塌房屋碎屑物堵住河流,形成堰塞湖。(见图 4、图 5(c)(4)北川县城东部曲山小学附近倒塌后的房屋被滑坡体掩埋。(见图 4、图 5(d)3.4 讨论通过对影像的判读和分析,可以清晰地判断受灾程度,并且对于地震带来的次生灾害,如滑坡、泥石流、堰塞湖等,进行预警。该系统具有机动快速的响应能力,可以在灾害发生之后迅速地开展航拍任务,提取倒房、道路损毁等信息,为抗震救灾提供决策支持。因此,该系统是灾害应急监测的有效工具。同时,该系统还可以进行实地灾情抽样调查,以全面评价灾区的损失情况。通过对高分辨图像判读,结合抽样调查法,得到整个区域的受灾情况。所以,该系统也是评估灾情信息的有效手段。4 结论通过在汶川地震中的应用,我们认为微型无人机遥感系统在救灾工作中可以发挥以下几个方面的作用:(1)变革了灾害现场勘查的方式。微型无人机可以丰富灾害现场勘查方式,尤其是在特定的灾害环境和地理条件下(例如地震、雪灾、山洪等),工作人员无法抵达预定勘查地点时,我们可以借助微型无人机快速飞抵灾区现场,迅速获取灾情,为救助决策提供支持。(2)提升了灾害现场勘查能力。微型无人机极大地提升了灾害现场的勘查能力,尤其是在受灾地域广、交通不便的情况下,我们可以借助微型无人机在较大区域内快速勘查受灾情况,救灾工作的时效性大大提高。(3)提供了更加客观的灾情信息。微型无人机可以在救灾工作中提供最客观的灾情信息。通过航拍照片和视频影像,在灾区现场我们可以看得更高、更远、更宽,排除了现场勘查灾情信息表述不清、意见相左、他人质疑等各种主观判断情况发生。如要将微型无人机在救灾工作中进行广泛应用,还需在飞行平台设计、数据采集器和图像处理等方面加以改进和提高 10-11:(1)飞行平台方面。可以进一步完善飞行平台设计,提高有效载荷、续航和抗风抗雨雪能力,扩大飞行范围,延长飞行时间。(2)数据采集器方面。可以进一步提高机载相机和摄像机的分辨率和拍摄频率,将滤光、改变视角和扩大取景范围等技术运用到采集器中,进一步增加航拍图片的清晰度。(3)图像处理方面。可以运用图像锐化、色彩还原、拼接镶嵌等图像处理技术,有效提取航拍图片信息,准确拼接大范围航拍图片,并叠加地理信息数据和其他背景数据进行分析,提高图像信息的潜在价值。参考文献:1 崔红霞,林宗坚,孙杰.无人机遥感监测系统研究 J,测绘通报,2005,5:11-141 2 孙杰,林宗坚,崔红霞.无人机低空遥感监测系统 J,遥感信息,2003:27,49-501 3 晏磊,吕书强,赵红颖,等.无人机航空遥感系统关键技术研究 J,武汉大学学报(工学版),2004,37(6):67-701 4 马轮基,马瑞升,林宗桂,等.微型无人机遥感应用初探 J,广西气象,2005,26(增):180-1811 5 吕书强,晏磊,张兵,等.无人机遥感系统的集成与飞行试验研究,测绘科学,2007,32(1):84-861 6 吴阳.全景图拼接技术研究 D,南京:南京理工大学,20051 7 王聪华.无人飞行器低空遥感影像数据处理方法 D,山东科技大学,博士,20061 8 N 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