无人机在应对地震灾害方面的应用及发展

王　林

无人机在应对地震灾害方面的应用及发展

王林

无人机地震救援应用发展

地震是一种十分复杂且危害性极大的自然灾害。地震引发的海啸、火灾、瘟疫和放射物扩散等灾害对于人类社会活动的威胁极大。加强地震监测预防工作，提高灾后救援的准确性和高效性，迫在眉睫。当地震发生后，运用科学合理的救援方法、先进的救援装备实施有效的救援措施，营救幸存者，降低人民群众财产损失，是地震救援的紧要任务。对于灾情严重、救援环境恶劣的情况，迅速实施救援困难极大，在某些环境中甚至会危及到救援人员的生命安全。随着多功能传感器和航空遥感技术水平的不断提高，无人机装备配置的性能大幅提高。在汶川、雅安等地震救援中，通过无人机对受灾地区进行地震数据收集、传送和分析，合理部署救援方案，优势明显。无人机在现代救援工作信息化建设广泛应用也推动了地震救援装备的智能化、规模化、产业化发展进程。

1.无人机发展概况

1.1无人机发展简介

无人驾驶飞机（即无人机，Unmanned Aerial Vehicles）是一种有动力、可控制、能携带多种设备、执行多项任务，并可以重复使用的无人驾驶航空器[1]。无人机主要由飞行器、飞行控制系统、搭载装备和摇杆传感器组成，可实现影像实时拍摄传输、侦察和监视、物资运输投放、核辐射探测等功能。

无人机根据不同的标准可以分成以下几种类型，根据外形尺寸分为：普通无人机、小型无人机、超小型无人机及微型无人机；根据飞行原理和气动布局可分为：固定翼无人机、旋翼无人机和复合翼无人机；根据飞行控制方式不同，可分为无线电摇控、飞行控制器自主飞行、混合控制飞行等三种模式；根据用途可分为军用与民用。

无人机最早源于军事。第一次世界大战期间，英国出于军事作战目的研制了第一架无人机，主要作为靶机用于军事训练。20世纪后期，无人机机动性强、战场适应能力强、以及侦查范围大等特点被广泛重视，西方国家竞相将高新技术应用到无人机上。如X-36试验型无尾无人战斗机采用单通道数字飞行控制系统使飞机飞行时保持稳定，其配备有威廉姆斯国际 F112涡扇发动机作为动力驱动。随后无人机逐渐被应用在越南战争、海湾战争和北约空袭南斯拉夫等战役中。进入21世纪，随着数字化、高精度和小型化新型传感器的出现，无人机的研制推广得到了进一步发展。在国外，美国诺斯罗普·格鲁曼公司研制的RQ-4A“全球鹰”配备有光电、红外传感系统和合成孔径雷达，是世界上最先进的无人机，“Northrop Grumman X-47B”无人机是人类历史上第一架无需人工干预、完全由电脑操纵的“无尾翼、喷气式无人驾驶飞机”，也是第一架可以从航空母舰上起飞并自行回落的隐形无人轰炸机（见图1）。美国通用原子技术公司研制生产的Predator无人机装有光电/红外侦察设备、GPS导航设备和具有全天候侦察能力的合成孔径雷达，在4000米高处分辨率为0.3米，对目标定位精度0.25米，Reaper无人机装备电子光学设备、红外系统、微光电视和合成孔径雷达，具有很强的ISR能力（见图2）。以色列“银箭”系统公司研制生产Hermes无人机在高空长航时方面优势明显。此外，欧洲各国联合研制的“神经元”、“梭鱼”、“雷神”，印度推出的“辉光”无人战斗机，也都已广泛应用于军事作战。在国内，无人机研究也取得了一定的成果。如“翔龙”无人机、“暗剑”无人机、“刀锋”、“WJ-600”、“翼龙”、“夜鹰”、“CH-3”等多种型号的无人机。近几年，无人机因其研发成本低，机动性好，安全易操作等特点，在军事作战、农业植保、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、新闻报道、电力巡检、影视拍摄等领域的也广泛应用[3]。

1.2无人机的特点

1.2.1机动性好，安全系数高

打开房门她刚要喊大狼时，她却突然发现门口多了一双女式红鞋。她知道，这双红鞋绝对不是自己的。果然，一个女人慌慌张张地从卧室里出来，又慌慌张张地从她的身边溜走了。

图1　RQ-4A “全球鹰”

图2　Predator无人机

无人机作为一种新型的航空技术，与传统的有人驾驶飞机存在比较大的差异，无人机有体积比较小、操作灵活性比较好、携带方便、适用范围比较广、能够在恶劣环境下工作等特点，能够很好地适应灾后破乱不堪的环境，具有较强的环境生存能力，工作过程中可以进入救援人员无法达到的地方，很大程度上避免有人驾驶飞机直接侦查过程中对飞行员可能造成的危害。

1.2.2获取灾区现场信息快速

无人机与遥感技术的结合称为无人机遥感系统（UAV Remote Sensing System，UAVRSS)，即一种以无人机为平台，以各种成像与非成像传感器为主要载荷，获取遥感影像、视频等数据的无人航空遥感与摄影测量系统。当无人机通过战场环境或灾害救援现场进行侦查，可以实时向指挥中心提供全面详细的影像数据，有利于合理部署作战任务和减小救援人员遭受伤害。

1.2.3结构调整方便，应用范围广

无人机上可以随时装卸各种功能的传感器，实现相应领域的应用。无人机可以根据救援需要配备CCD 数码相机、轻型光学相机、多光谱成像仪、红外扫描仪、激光扫描仪(Lidar)、磁测仪、合成孔径雷达(InSAR)、高清摄像等设备，通过简单机械固定就可实现，缩短研制周期，降低生产成本。

综上所述，无人机技术可以广泛应用于军事作战、城市管理、农业生产、地质勘探、气象预报、抢险救灾、视频拍摄等行业。本文主要探究无人机在抗震救灾中的使用。

2.无人机在地震救援中的应用

2.1无人机应用概述

无人机与遥感技术的结合, 即无人机遥感, 是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS 差分定位技术和遥感应用技术，快速获取国土、资源、环境等的空间遥感信息，完成遥感数据处理、建模和应用分析能力的应用技术。基于无人机遥感系统的无人机救援已广泛应用于山洪、泥石流、火灾、地震等自然灾害，其中在地震救援中的应用是较为典型[4]。地震救援进行过程中，时间紧迫，救援环境恶劣，危险性高，救援人员必须把握好黄金72h救援时间，实施快速有效的救援行动。无人机在震灾救援过程中，可以及时为救援指挥中心动态提供房屋损毁倒塌信息、道路桥梁通畅信息、搜救人员地面线路信息、灾区排查辅助评估信息、救援人员现场作业信息，协助完成危楼建筑排查工作。具有良好的机动性，适应性，灵活性，在震前监测，震后救援都发挥着重要作用[5]。

2.2无人机在地震灾害中的应用

2.2.1地震灾害监测预防

无人机技术的应用可以为地震灾害预测工作提供大量的数据资料，为地震灾害监测预防创造了良好的条件，对于地震灾害的监测预防的准确性、可靠性提供了坚实的保障。无人机可以进行无人低空航摄，对于地震频发的地带，通过无人机进行地势地貌勘察、开展危险区域建筑物基础资料调查，然后通过专业人员研究分析，建立系统完善的地理信息系统，为地震灾害监测预防提供可靠、准确的数据支持，其工作效率和实施工作的可能性是人工技术无法比及的，对于震后救援工作顺利开展意义重大。

2.2.2灾区数据的实时监测

灾后救援的首要工作就是实时收集灾区的监测数据，制定合理的救援方案。地震发生以后，受灾地区的地貌发生巨大变化，余震频繁发生。山体滑坡、泥石流和河流堵塞等造成的建筑、公路、桥梁等的变化，普通救援方式对灾情的实时监测十分困难。无人机能够不受地面状况的限制迅速到达恶劣的环境和地区，利用搭载高分辨率面阵CCD 数码相机与GPS 定位、辅助导航定位、无人机飞行姿态、成像传感器等，记录下现场受灾状况和图像信息。应用抗干扰编码技术，通过宽带无线通信网络，将无人机采集的数据信息实时下传至救援指挥中心。无人机的遥感影像能客观直白地记录灾情状况，有利于快速制定科学合理的救灾计划。另外还能实时监督救灾进程，监视突发状况。2015年4月30日，尼泊尔一带发生8.1级强烈地震，由于尼泊尔直升机数量较少，无人机能够比较好地完成数据收集的任务，很大程度地弥补没有直升机的缺陷。在这场抗震救灾中，无人机在视频拍摄、物资运输、架设电线以及数据采集等领域发挥了重要作用。

2.2.3灾后的初步搜索救援

震后救援的主要任务就是迅速获取灾区的灾情信息，妥善部署救援方案，有序组织救援行动。震后，灾区房屋倒塌、道路损毁、通讯中断，救援人员进入重灾区十分困难，无人机对灾后地区进行初步搜索，如对无人机搭载通讯中继设备，快速为灾区构建局部通讯网络，以满足灾区临时应急任务；搭载照明设备，可用于夜间废墟搜索营救照明；搭载小型医疗急救包、应急救援设备、小量食品进行定点投掷，为医疗小分队和被困灾民投送急需物品；搭载消毒试剂对灾区空气和地表进行快速高效杀菌为灾区防疫防病服务等，最大程度地减小人民群众的生命财产损失。2016年2月发生在台湾高雄的6.7级地震，由于地震发生在地形复杂的城市市区，搜救人员借助无人低空机航拍视频更清晰地了解到灾难现场，并投掷大量食品和简单的医护物品，整个搜救行动有条不紊，效率明显提升。无人机还可以进入一些救援人员无法进入的地区实施探察救援，如核辐射、火山灾害和泥石流的区域。2011年日本9.0大地震，地震引发核泄漏事故，灾区核辐射极大，救援人员根本无法进入反应堆内查看，美国军方迅速派出全球鹰无人侦察机对核电站进行近距离侦查，了解核反应堆的受损情况，并派出搭载测辐传感器的微型无人机，监测和检查福岛核电站核燃料池附近的辐射水平，为救援抢救人员进入灾难现场做好充分的准备。

2.2.4震后灾情的评估

无人机最大的优势就是可以在恶劣的自然条件下，利用简单条件就可以进行低空航拍，获取真实影像数据。在灾后恢复重建应急测绘保障中，无人机持续开展影像获取，为灾后恢复重建顺利开展提供了基础性、先行性数据保障，可快速提供资源环境承载力评价专用图、灾后损失评估专题图和灾后重建规划专用地形图等。无人机摄影图和航拍绘制的地形图像可以使得国家职能部门更直观、更快速地进行灾后灾害评估，获得及时准确的灾区情况，为相关部门提供决策参考依据，便于灾后地区的重建规划和建设。同时无人机技术应用为减灾预警工作提供了大量可靠全面数据，健全了我国灾害监测系统，对日后灾情的预防提供真实可靠的借鉴。2010年4月，青海玉树7.1级地震，青海省第二测绘院采用LT150-M 无人机对玉树地区进行震后测绘，并为灾后重建后的地形地貌和建设项目进行了低空航摄工作。

3.无人机地震救援案例

3.1汶川地震救援

2008 年5月12日，四川省汶川发生8.0 级大地震，地震造成69195人遇难，374177人受伤，失踪18392人，地震造成大量房屋倒塌、道路桥梁严重损坏、通讯系统瘫痪。余震不断，同时伴随着山体滑坡、泥石流、以及地面塌陷等次生地质灾害，救援行动异常艰难。国家减灾中心及时派出多型无人机进入灾区进行灾情调查、滑坡动态监测、房屋和道路损害情况评估、救灾效果评价等。“千里眼”无人机对受灾最为严重的北川地区进行实时监测，对县城的整体状况实施航拍，相关的图像数据经过卫星传输到救援管理中心，对于救援工作的顺利开展做出了重要的贡献，同时这些数据也被传送到各大媒体，使普通的群众及时地了解灾区的状况，使整个社会都团结在一起，共同应对灾难。此外，我国的国家武器工业集团研发的“华鹰”无人机、西安大地测绘工程公司的微型无人机等也在这次的救援工作中做出了重大的贡献，成为我国地震救援无人机使用技术的真实战例。此外，MRS-D14与MRS-016微型无人机、“飞象一号”小型低空遥感无人机、TF-7测绘无人机等在地震救援过程中也有应用[6]。汶川地震时，参与救援的无人机多是从遥感遥测、搜毒等其他用途临时转到救援工作上，作为卫星、航拍的补充。

3.2雅安地震救援

2013年4月20日，四川省雅安市芦山县发生7.0级强烈地震。四川测绘地理信息局利用无人机测绘技术，为各级抗震救灾指挥部，参与抗震救灾的武警、解放军及专业救援队伍等提供了测绘应急保障服务和技术支撑。在抗震救灾期间，开展无人机航飞12架次，获取地震灾区0.05～0.3 m分辨率无人机影像222.5km2，第一时间实现了地震灾区高分辨率影像全覆盖。测绘保障工作贯穿抢险救援、过渡安置、损失评估、灾后重建各个阶段，发挥了不可替代的先行保障作用。抗震救灾应急救援阶段，四川省应急测绘保障中心震后半小时集结应急测绘保障队伍，派出无人机和移动测量应急分队前往灾区一线，震后7 h 成功获取地震灾区第一批无人机影像并制作影像图，为抗震救灾研判灾情、决策部署、指挥救援提供了及时可靠的测绘地理信息保障。中国地震应急搜救中心派出自行研发的救援无人机，配合国家地震救援队开展了现场救援行动，实时为国家地震紧急救援队提供房屋倒塌、道路桥梁畅通、危险废墟搜索的影像信息等决策依据，使救援队有针对性地调度和部署救援力量，提高了工作效率。这些信息也同时提供给了当地政府，为地方政府的抗震救灾指挥决策提供了科学依据[7]。参加救援的还有，中国人保四川分公司的中国人保号航拍无人机，成都市民彭希果的无人机，易瓦特公司的八旋翼无人机和螺旋翼无人直升机，中国国家测绘地理信息局5架无人机，厦门美亚柏科公司的固定翼无人机和六旋翼无人机，武汉智能鸟无人机，国家地震灾害紧急救援队的旋翼无人机等对灾区地形地貌、受损情况进行空中排查。十三集团军某特种作战旅侦察分队携带无人机，搭乘直升机直抵灾区震中太平镇救援。中国航天科工三院研制的海鹰HW-200B无人机在震后急赴震区航拍。海军某飞行团使用遥感飞机参与救援[8,9,10]。

4.展望

目前，无人机技术已初步实现了对灾区进行实时图像拍摄、地形地势勘探、关键物资运输等基本功能。但在实际应用过程中，无人机还需要在以下几方面进行探索、优化：（1）无人机的续航能力是判断其稳定性的重要指标，目前，无人机大部分采用锂蓄电池，其续航能力有所限制，未来应该寻求更清洁、高能的动力源，例如氢燃料电池、太阳能电池等；（2）遥感技术的广泛应用为精确获得灾区灾情提供了有力支持。无人机遥感图像数据处理的准确性至关重要，未来应深入研究优化遥感系统的后处理方法，采用合理的方式纠正主要处理数码相机镜头非线性畸变与飞行器姿态变化引起的图像旋转和投影变形，准确获得灾情信息；（3）加强无人机集群化协作平台建设，构建完备的救援系统平台，使单体无人机在配备装备方面能够与群体配备装备相互协同，使救援工作高效进展；（4）救灾过程中，无人机搭载的救援设备功能不够全面，功能单一。未来应着重研发小型化传感器、救援装备和遥感系统等，实现无人机多功能集成救援，例如可以进行超低空飞行，空、陆双栖模式，进行生命体检测识别和简易医疗救援等功能。

5.结论

自然灾害随时随刻都可能发生。当灾害发生以后，救援部门准确掌握灾情状况，采取合理的救援方式、正确的救援方案非常重要，无人机具有的快速机动性、自身重量小、飞行面积广、飞行时间长、耗资低、无人员危险、可在恶劣条件下工作等特点，满足了各类应急测绘和精准测绘需求，促进了救援工作高效展开，减少人民财产损失，保证了受灾地区的灾后重建工作顺利进行。

作者单位：新疆消防总队乌鲁木齐支队

[1]金伟，葛宏立，杜华强等.无人机遥感发展与应用概况[J].遥感信息，2009（1）：88-92.

[2]赵莹，王小平.无人机遥感在抗震救灾中的应用[J].西部探矿工程，2014（12）：113-115.

[3]张浩然.基于LabVIEW的小型无人机地面站系统研究与设计[D].长春理工大学，2014.

[4]李德仁，李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报(信息科学版)，2014（05）:505-513，540.

[5]黄春雷.无人机航摄技术现状及应用分析[A].中共沈阳市委、沈阳市人民政府.第十二届沈阳科学学术年会论文集（理工农医）[C].中共沈阳市委、沈阳市人民政府，2015（5）.

[6]刘战合，田秋丽.飞行器在地震防灾救灾中的应用探析[J].成都航空职业技术学院学报，2009（01）：42-44，61.

[7]尚红.灾难救援新技术装备发展研究[J].中国地震应急搜救中心十周年，2014（04）：248-257.

[8]薛阿亮.无人机航测技术的应用与实践[J].陕西煤炭，2013（06）：70-72.

[9]张峰，佟巍，周立冬等.无人机在救援方面的应用及发展[J].中华灾害救援医学,2015（11）：641-645.

[10]龚真春. GPS在微型无人机导航定位中的研究与应用[D].杭州：浙江大学硕士学位论文，2005.