无人机地震灾情监测系统在四川高原山区的应用研究

2014-11-27柏江玲

华北地震科学 2014年2期

程奕，柏江玲

（四川省地震局，成都 610041）

0 引言

四川是中国地震多发省区之一。根据对全国M≥6级地震次数的统计，四川的地震活动仅次于台湾、西藏、新疆和云南，居全国第5位［1］。在地域上，这些地震主要发生在甘孜藏族自治州、凉山彝族自治州和阿坝藏族羌族自治州（以下简称“三州”）；在地质构造上，主要发生在北西向鲜水河断裂带、南北向安宁河—则木河断裂带和北东向龙门山断裂带，其他在巴塘断裂、理塘—德巫断裂、甘孜—玉树断裂、松平断裂和虎牙断裂等也有分布［2］。

“三州”地区位于四川省西部，青藏高原东南缘，处于高原、高山及峡谷地区，地形条件复杂，海拔高差大，气候条件差，因此获取该地区优质的高时间、空间分辨率的卫星遥感数据十分困难。

无人机地震灾情监测系统作为空间数据获取的一项重要手段，具有成本低、机动灵活、可探测高危地区等特点，是获取高分辨率遥感数据的重要工具之一。近年来，已先后应用在汶川地震、舟曲泥石流、盈江地震和芦山地震等重大突发事件中，向各级指挥部门提供实时、准确的现场实况，为领导正确决策和指挥一线工作提供直观、可靠的第一手资料，体现出“技术先进、灵活机动、快速高效、信息全面”的特点。

1 无人机地震灾情监测系统的组成

无人机地震灾情监测系统主要由无人机飞行平台、飞行控制系统、遥感系统、软件系统和无线电遥控系统等几部分组成。

无人机机身主要采用玻璃钢和碳纤维等重量轻、强度大的复合材料加工而成。机身有一定的容积范围，便于放置遥感设备。无人机前端安装性能稳定的航空发动机和推力螺旋桨作为动力装置。为适应高原山区环境野外作业要求，起落装置的设计应充分考虑重量、强度、减震等因素，并可根据需要实行弹射起飞和伞降。

飞行控制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。可根据GPS的实时导航信息控制飞机按照预设的航线和高度自主飞行［3］。

遥感系统主要指无人机搭载的各种遥感设备。根据任务，可集成CCD 数码相机、红外扫描仪、磁测仪、合成孔径雷达等，以获取不同类型的遥感影像［4］。地震灾情监测主要采用色彩深度和感光度好、载片量大、可定时曝光的CCD 数码相机，而镜头采用可对焦至无穷远处的大视场、大孔径广角镜头，以获取高分辨率的全色影像。

软件系统主要包括监控无人机飞行状态的地面监控软件，规划飞行区域、航线、拍摄点等的航迹规划软件，以及对影像数据进行加工处理的影像处理软件。

无线电遥控系统用于传送无人机和遥感设备的状态参数，供地面人员实时掌握无人机的飞行姿态、速度、航向、高度、方位、距离等信息，以及遥感设备的有关信息。同时，还可以发送地面人员的指令，引导无人机按照指令飞行。

2 无人机地震灾情监测系统技术流程

无人机地震灾情监测系统主要由前期准备、航拍、后期处理与分析3个阶段组成。前期准备阶段主要包括图上作业、定点勘察、飞行条件测试、航线设计和飞行指令传输等［5］。在高原山区尤其要注意获取当地的风力、能见度、有无雨雪等气象资料，对于高山峡谷还要精确大地经纬度和高程数据。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）、信息提取分析和应用等［3］。图1为无人机地震灾情监测系统技术流程图。

图1 无人机地震灾情监测系统技术流程图

3 无人机地震灾情监测系统在高原山区的应用研究

3.1 应用实例

国道213线途经阿坝州境内松潘、茂县、汶川、映秀镇，止于都江堰的路段，基本沿岷江展布，两岸地势高耸，地质结构复杂、生态环境脆弱，常有滑坡、泥石流、飞石等地质灾害发生。2008年5月12日的四川汶川8.0级特大地震发生后，该“震中生命线”更是数度中断，中国在这次地震中第一次将无人机应用于抗震救灾。如图2所示为汶川地震期间使用无人机拍摄到的国道213线映秀到汶川段航空影像图，图3为图2标示部分的放大影像。

图2 国道213线航空影像图

图3 图2标示部分的放大影像图

由以上2图可以发现，该路段存在严重的山体破碎和滑坡现象，且道路已被完全堵塞。该影像图为抢险救援力量的调配提供了重要的依据。

2013年4月20日的四川芦山7.0级强烈地震发生后，无人机不仅用于灾情监测，为指挥决策提供了大量直观的第一手数据，同时还在震后科学考察（如寻找断裂带等方面）进行了有益探索。图4为无人机在雅安市名山县建山乡附近拍摄到的航空影像图。

图4 建山乡附近航空影像图

3.2 应用中存在的问题及解决方法

通过几次在四川不同地点的飞行，对无人机地震灾情监测系统在四川应用中存在的问题进行了总结：

（1）无人机受天气等因素的影响是不可避免的。高原山区海拔高，天气变化快，雷暴、冰雹等强对流天气较多，风向突变或风速突变现象明显，风的阵性及扰动气流很强［6］。因此，航拍的影像数据受飞机载荷量以及抗风能力的影响较大，应尽可能地改进飞机硬件平台，增强稳定性，提高有效载荷、续航和抗风抗雨雪能力。

（2）高原山区地理地形特征复杂，起伏较大，需要设计不同高度的航线轨迹，同时进行不同高度的多尺度航拍任务。

（3）无人机航拍影像受气流影响几何变形大，同时因为影像像幅较小、数量较多，获取的影像资料拼接成完整图幅在现有技术条件下，花费时间较长。由于救灾应急工作的特殊情况，对图像的完整性和规范性要求不高，只需满足目标地物的判读即可。因此，可根据应急灾情监测实际出发开发影像快速处理软件，进行航拍影像的快速自动识别和拼接。

（4）航空飞行管制，尤其是大地震发生后早期抢险救援阶段，十分严格，申请飞行空域时间较长，工作人员应提前对航拍区域提出飞行区域申请。