无人机遥感技术在自然灾害应急中的应用及前景

王晓刚，高飞云，杨 磊，张 舒，刘 滔

无人机遥感技术在自然灾害应急中的应用及前景

王晓刚，高飞云，杨 磊，张 舒，刘 滔

（四川省核工业地质调查院, 成都 610052）

无人机遥感技术可以快速高效获取高精度、高分辨率灾情信息，既能较好地应用于面域较广的灾后调查及灾情评估，也可以用于研究单体灾害动态演变规律的数据积累。随着应急技术的不断发展， UAVRS起飞场限越来越低、方式更加灵活，响应速度更快，成本更低，续航时间更长，获取的影像分辨率越来越高（0.02~0.1m），数据源和数据产品越来越丰富，为应急救援决策提供更加科学的技术支撑。针对海量遥感数据的特点，研究开发高性能的航空遥感数据智能处理应用系统可实现遥感数据的自动智能、高效处理与应用。

UAVRS；自然灾害；应急监测；全景真三维影像

重大自然灾害发生以后，常诱发原生灾害、次生灾害和衍生灾害形成灾害链，造成重灾区通讯信息中断，大量建（构）筑物等瞬间倒塌，也会引起山体崩塌形成滑坡造成交通中断，导致灾情传递受阻，导致抢险救灾盲目部署，继而造成更大的损失和次生灾害[1,2]。应急救灾之前必须先调查摸底灾区范围面积、灾情程度等，常规方法一般采用人工调查，效率低、局限性大，而且承受着次生灾害发生的危险。因此，快速有效获取灾情对于指挥决策、生命救援至关重要，是重大自然灾害抢险救灾的首要问题[3-6]。

20世纪80年代以来，无人机技术的快速发展为低空遥感技术提供了全新的发展平台，无人机遥感（unmanned aerial vehicle remote sensing, UAVRS）成为自然灾害应急救援的急先锋。无人机以灵活机动、操作简单、成本低、风险小等独特优势，搭载光学、激光雷达或多（高）光谱传感器，快速获取现势性强、高分辨率的遥感影像数据[7-11]，既弥补卫星因天气、时间无法实时获取目标区遥感影像的空缺，又能克服航空及航天遥感空间分辨率低、受制于长航时、大机动、恶劣气象条件、危险环境等影响，为地面灾情解译提供丰富的数据源，为指挥组织救援工作确定受灾位置范围、了解灾区实情及时提供真实可靠的图件和数据，在灾害应急、灾情评估等诸多领域得到广泛应用[12-27]。

1 UAVRS在重大自然灾害的应用

航空及航天遥感在重大自然灾害突发后开展大面积的的应急调查、快速评估、次生灾害预警等领域具有优势[28]，一般采用的是相对大型、复杂和专业的无人机遥感系统和有人机协作，需要专业的技术和相对较长的后期成果处理时间，在重大自然灾害（如汶川地震、玉树地震、芦山地震、鲁甸地震等）中已有重要应用[29-37]。

2008年，5·12汶川8.0地震发生后，极重灾区北川县城出现大范围建筑物倒塌和重大人员伤亡，通讯和交通系统遭到毁灭性破坏，传出特大灾情已是震后的第2天。5月15日上午，利用“千里眼”无人机航空遥感系统，采用低空（相对高差200ｍ左右）云下飞行方式，获取了北川县城南部地区高分辨率影像（0.1～0.2ｍ）和视频数据，航测影像立即提供给现场指挥部，并用随身携带BGAN卫星通信系统将影像发回民政部，为评价北川县城受灾情况，制订抗震救灾方案提供科学依据；之后又利用该航测系统采集了唐家山堰塞湖的航空遥感影像数据，对堰塞湖抢险和监测发挥了重要作用[38]。曾涛等[39]利用11架飞机（含无人机或飞艇）获取汶川地区的多源高分率航空遥感数据，开展了灾后地质灾害信息快速勘测中信息提取研究，可快速确定滑坡、泥石流等地质灾害体空间位置和评价的目的，对于及时快速了解震后灾区的房屋、道路等损毁程度与空间分布，以及地震次生灾害如滑坡、崩塌以及由此而形成的堰塞湖的分布状况与动态变化等，发挥了重要作用。周洁萍等[41]采用飞象1号低空无人机及直升机为平台，开展了基于无人机的地震灾区遥感影像获取与处理工作研究。以5月22日获取唐家山堰塞湖区域及灾区其它堰塞湖实时高分辨率光学影像数据，和其它同期多源空间信息数据进行集成，首次构建了汶川地震应急三维可视化遥感影像管理系统，为抗震救灾提供了直观可靠的实时灾情信息和分析手段。

2010年，4·14玉树7.1地震发生。陆博迪等[41]利用雨燕III型电动无人机和白鹭油动无人机参加玉树震后航测任务，在两个月时间三进玉树，损失多架电动和油动无人机，最终实现了高原灾区无人机首次航拍，获取的高分辨率遥感影像（0.15~0.20m）为划分灾区范围提供了重要依据。王福涛等[42]利用震前与震后高分辨率多光谱遥感数据（0.6m分辨率的Quick Bird，2m分辨率的Formosat-2和2.5m分辨率的SPOT-5等），结合震后0.2m分辨率遥感影像，针对玉树地震极重灾区（结古镇）、重灾区（仲达乡、巴塘乡大部、隆宝镇和安冲乡局部）和一般灾区，开展了玉树地震灾区的遥感监测与评估工作，成为监测区详细评估的重要依据。杨思全等[43]利用结古镇及周边地区496景高分辨率卫星遥感数据为主，结合无人机数据开展灾情精细评估，包括平房与楼房建筑面积监测、居民户数监测、帐篷安置进度监测、灾民紧急转移安置区规划等，为开展灾害损失全面评估和灾后恢复重建工作提供了重要依据，尤其对灾区帐篷合理安置决策起到关键作用。

2011年，3·10云南盈江发生5.8地震。温奇等[44]利用LTBT“测绘鹰”系列150型无人机，11日10时获取了盈江县城14km2、0.1m空间分辨率遥感影像，并选用2011年2月8日获取的Worldview-II全色和多光谱融合0.5m空间分辨率遥感影像作为灾前的本底影像，并对灾前卫星影像和灾后无人机影像进行配准，对震后房屋损毁、安置点救灾帐篷、道路损毁与交通拥堵进行监测与评估。该评估数据与地方政府上报数据存在较大的不一致，除去地方政府灾情统计过程中可能存在不规范操作带来的影响，主要原因在于正射影像只能提供楼顶、屋顶的损毁情况，而房屋侧面、内部的损伤无法通过二维数据观察，迫切需要无人机搭载激光雷达、倾斜摄影等提供三维立体信息的传感器，同时配合现场抽样入户调查，从而得到更为真实可靠的评估结果。

2013年，4·20雅安市芦山发生7.0强烈地震。四川省应急测绘保障中心在震后7h内成功获取地震灾区0.05~0.3m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。在抢险生命干道210省道芦山至宝兴段、百丈湖水库排险、冷木沟和教场沟泥石流、天全县老场乡大庙村干沟头泥石流隐患排查等工作中，无人机高分辨率遥感影像发挥了重要作用，为次生地质灾害排查、评估、监测、预警和治理，快速开展沿线次生地质灾害排查提供了强有力的技术支撑[45]。王晓青等[46]采用芦山灾区无人机遥感影像（0.2m分辨率为主）和有人机遥感影像（0.6m分辨率为主、部分0.4m），对覆盖范围内约126个主要居民点的建筑物单体和群体震害程度进行了快速定量解译，基于提取的建筑物震害等级计算确定了每个居民点的遥感震害指数或倒塌率，通过建立震害遥感定量评估模型，快速高效的完成了地震烈度分布遥感评估图的绘制。

2013年，7·22甘肃岷县和漳县交界处发生6.6地震。61243部队受命前去救援，利用无人机低空航测技术在2h内完成2km2里区域、分辨率优于0.5m的正射影像，第一时间提供抗震救灾指挥部门使用[47]。

2014年，8·3云南昭通市鲁甸县发生6.5地震。云南测绘局信息中心于8月4日利用固定翼无人机，获取主要震区30km2、0.2m分辨率遥感影像；利用四旋翼无人机获取鲁甸牛栏江堰塞湖局部地区影像和高清视频数据，采用连续几天的无人机航测数据对比分析监测堰塞湖水位变化及局部居民点及道路的淹没情况；其后，先后完成了龙头山镇、李家山镇等灾区高分辨率航测数据采集。相关单位立即组织开展了数据处理和灾区（部分地区）房屋震害、地震滑坡、堰塞湖等灾害、道路损毁等情况进行了快速评估，为应急指挥决策、抢险救援、震害与地震烈度调查评定等提供参考依据。

李金香等[48,49]结合现场震害调查和高分辨率无人机正射影像对2015年新疆皮山地震的建筑物震害信息进行了快速解译，为及时了解灾区灾害信息提供了支持。由于无人机正射影像只能获取建筑物顶部信息，难以进行全方位信息的获取，特别是在灾害检测及评估方面容易产生错误分类，这就促进了能够获取建（构）筑物等侧面信息的倾斜摄影技术的发展。

李玮玮等[50]利用多旋翼无人机搭载五拼倾斜云台获取了鲁甸地震受灾严重地区的遥感数据，开展了基于倾斜摄影遥感影像提取建筑物震害特征的新方法研究。通过研究建筑物外墙及其结构破坏，提高建筑物震害等级判定精度，对地震烈度评定、灾害评估、应急、救灾以及灾害、伤亡、经济损失评估起到极大帮助。

2017年，8·8四川九寨沟发生7.0地震。四川测绘地理信息局测绘应急保障中心无人机分队紧急赶赴灾区，于9日晚成功获取漳扎镇附近包括九寨沟沟口至五彩池、彭丰村、永竹村、达基寺等区域0.2m高分辨率影像70km2，及九寨沟县城0.16m高分辨率影像30km2，为相关部门开展应急救灾、灾情研判、次生灾害排查等提供了第一手地理信息资料。11日凌晨6时制作完成包括九寨沟景区内五花海、熊猫海和九寨沟县城等区域的应急测绘三维模型，第一时间提供给省国土厅研判地质灾害隐患使用，同时在三维环境下开展了灾情解译，分析滑坡体边界范围、分布高程、面积等信息，以及房屋、道路、桥梁等基础设施受损情况，为有关部门提供了更直观、精确、科学的测绘技术支持。许建华等[51]8月10日-11日利用无人机完成了对漳扎镇九道拐附近公路、红岩林场管理处附近单体建筑物、如意坝附近的山体滑坡、海子口村附近道路进行了低空倾斜航测，分辨率0.02~0.1m，完成了九寨沟7.0级地震烈度评估工作，在当天抗震救灾现场指挥部召开会议前提交，为烈度图绘制等提供了及时有力的信息。

综上可以看出，在面域较广的重大自然灾害应急中，灾情获取一般多采用固定翼和有人机为主，重点区域和困难地区以旋翼机辅助，快速获取高分辨率遥感影像，结合灾前高分卫星影像，快速评估灾情。灾情信息获取时间从汶川地震的4天提高到芦山地震7h；固定翼续航能力已提高到30h、旋翼机提高至4h。在地震灾害应急评估和灾情评判中逐渐凸显出二维影像的不足，自2014年开始助推了倾斜摄影技术的快速发展，在地震应急及烈度评估等方面也发挥着越来越重要的作用。

2 UAVRS在单体灾害中的应用

实际上，绝大多数自然灾害都属于中小型单体灾害，单体灾害一般规模较小（小于5km2），常位于地形高差较大的山谷斜坡，人眼可视范围有限，很多灾害体无法涉足，且局部气象条件常变化迅速（如风力风向不定），该类型灾害的应急处置通常要求在数天甚至数小时内完成[39,52]，对应急调查的要求更快、更高效。鉴于此，采用更为简单灵活的小型无人机遥感航测系统，将大大提高单体灾害应急处置效率，实现在数小时内根据应急调查结果确定应急处置方案。

2014年8月31日至9月2日，三峡库区重庆段普降大到暴雨，造成大量道路损毁，房屋倒塌，山体滑坡、泥石流、堰塞湖等灾害，其中奉节、巫山、巫溪、云阳、开县等地受灾严重。重庆市国土房管局组织多支无人机组第一时间进入灾区，对体量100×104m3以上地质灾害点进行应急航测。杨娟[53]采用多轴旋翼无人机和Photo Scan Pro相结合，克服了群发地质灾害点多面散、地形与气象条件复杂的困难，4个工作组同时作业，在1周内完成了奉节、巫山、巫溪共计74个地灾点航摄，并确保在航摄当日夜间向指挥部提交快速监测DOM。对重要的大型灾害点后期进行了精细化处理，配合相关部门开展灾情评估、灾体量算等工作，较好地完成了应急监测任务，有力支持了应急抢险工作。

2015年4月，王帅永[54]采用六轴旋翼无人机对位于映秀至汶川路段老虎嘴滑坡至都汶高速银杏乡入口约5km2区域开展航测，影像分辨率0.2m。老虎嘴三维真实场景分析所得结果与野外现场调查结果一致，表明无人机低空航测可以满足强震区地质灾害精细调查研究及建立地质灾害空间属性数据库的精度要求。

李杨等[55]应用多旋翼无人机获取高分辨率遥感影像，在官地电站大桥沟泥石流沟口区域地质灾害调查进行初步调查试验。利用遥感成果初步建立地质三维模型，获取工程地质分析和地灾评估需要的平面、剖面图，遥感影像解译结果与实地调查结果吻合程度较高，验证了无人机在水电工程地质调查的可行性和有效性。

王东甫等[56]以广东茂名市某镇山洪灾害调查项目为实验区，采用旋翼机搭载倾斜云台获取地面分辨率0.07m、面积约3km2的倾斜数据，构建出实验区三维模型数据，辅助开展山洪灾害调查，进行淹没分析、山洪预警的延续应用，从而评估受威胁的居民区人口、住房位置、高程和数量等信息，其成果精度满足项目要求，有效地提高了调查效率。

2016年9月28日，浙江省丽水市遂昌县北界镇苏村发生一起山体滑坡灾害，滑坡塌方量40余万m3，约20幢居民楼被泥石流冲毁，死亡和失联人员达到27人。浙江测绘大队杨燕等[57]立即启动无人机航测应急预案，采用智能鸟KC1600（电动固定翼无人机）采集滑坡区域正射影像、采用多旋翼无人机单镜头刷面方式对顶部地区重点采集了倾斜数据并采集滑坡区顶部的高清视频，用以测量灾害点面积和估算土石方量，获取的遥感影像分辨率高、覆盖范围全、信息量大、方便实用，向现场救灾指挥部和当地政府部门快速提供了准确、可靠的地理信息数据。

2017年6月24日凌晨5时45分，四川茂县叠溪镇新磨村新村组富贵山突发高位垮塌，滑坡体最大落差约1 250m，最大水平滑动距离约2 800m，堆积体体积达1 637×104m3，灾害共造成约2km河道被堵塞，62户83人死亡或失踪。灾情发生后，当地紧急启动Ⅰ级特大型地质灾害险情和灾情应急响应。四川省核工业地质调查院作为国土资源部地质灾害应急技术指导中心航测应急支撑单位，紧急赶赴灾区。6月25日上午采用八旋翼机无人机开展高精度倾斜航摄作业，因灾区坡源顶部距底部高差达1 118m，远远超出了旋翼机的飞行高度，为获取滑坡区域高精度遥感影像，无人机组采用两级梯度航测方式，完成了地面分辨率5cm的倾斜摄影数据采集。利用高性能便携式工作站，当天晚上完成了灾区高精度的DOM制作。通过影像发现，在坡源顶部西北角位置（海拔高度3 065m处）有一条明显的滑坡裂缝条带，长度近600m，最大裂缝宽度达26m，该地段推测为一滑坡隐患，同时滑坡体中部右侧发现一处不断扩大的渗水区，可能诱发次生灾害，灾情形势严重，技术人员急忙将影像判评结果、预测危险区和应急建议汇报给现场指挥部国土应急办，领导小组认为此发现为现场抢险工作提供了重要决策依据害。6月27日11时02分，该滑坡隐患体部分发生二次滑塌，由于人员及时撤离，成功避免了人员生命财产的损失。

综上可以看出，针对面域较小的单体灾害，采用旋翼机搭载不同传感器可以更加高效获取多源遥感数据，遥感数据地面分辨率越高，对科学决策的支撑作用越大；利用倾斜摄影技术构建全景真三维影像在单体灾害监测、灾害评估、应急救援决策中优势明显。

3 结论与展望

UAVRS在自然灾害应急救援中的作用越来越大，不仅降低了现场调查人员的劳动强度和作业风险，提高了灾害调查和灾情评估的工作效率，还提高了灾害调查基础数据的时效性及可靠性。既能较好地应用于面域较广的灾后调查及灾情评估，也可以用于研究单体灾害动态演变规律的数据积累。

1）重大自然灾害或单体灾害多发生在地形陡峭，地势高差较大的山区，常伴有雨或山间低云、雾等不良天气，固定翼无人机航测常受限于起飞降落净空、航线敷设、飞行控制等特殊要求，影响了无人机数据获取时效性的发挥，难以兼顾航摄的精度和效率要求；而多轴旋翼机机动、更加灵活，可根据单体灾害的形状、地形、云雾等环境要求逐航点编辑航线，搭载不同传感器高效率获取灾害体及影响区的多源数据，为抢险救援提供决策性的数据支撑。对于面域较广的重大自然灾害应急，优先采用具有垂直起降功能的固定翼无人机开展地面分辨率0.1~0.2m的正射影像，对重大危险的单体灾害优先采用多轴旋翼机搭载倾斜云台获取地面分辨率0.02~0.07cm的DOM和全景真三维影像。

2）UAVRS搭载倾斜云台构建高分辨率全景真三维影像，突破了DOM二维解译局限性，极大提高了单体灾害解译的精度及准确度，极大程度的地降低了区域性多期数据获取的难度和成本，为应急救援决策提供更加科学的技术支撑，在崩塌土石方量计算、灾害评估、震级烈度评估中起到关键作用。

随着现代技术的不断发展，为更加高效解决重大灾害应急的需要，应着重解决以下问题：

1）UAV朝小型化、自动化、自主化、智能化、模块化、集成化方向深度发展；研发UAVRS搭载的各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器，诸如小型多光谱/超光谱成像、超高频/甚高频探测、合成孔径雷达、激光LiDAR等。

2）随着UAV飞行速度、遥感影像分辨率、数据采样频率和通讯频带宽度的不断提高，海量遥感图像数据自动、高速、高质量的实时处理将成为UAVRS应用的新瓶颈，因此，研究开发高性能的航空遥感数据智能处理应用系统是发挥UAVRS独有优势和广泛应用的基础，应针对数据的特点，在影像校正、拼接、融合、分析等处理中研究新的算法和技术，实现遥感数据的自动智能、高效处理与应用。

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The Application of Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing Technology to Natural Disaster Emergency

WANG Xiao-gang GAO Fei-yun YANG Lei ZHANG Shu LIU Tao

(Sichuan Institute of Uranium Geological Survey, Chengdu 610052)

Unmanned aerial vehicle remote sensing (UAVRS) technology can quickly and efficiently obtain high-precision, high-resolution disaster information. It can be applied to a wide range of post-disaster survey and disaster assessments, and can be also used for studying the accumulation of data on the dynamic evolution of individual disasters. UAVRS is characterized by lower and lower field of take-off, more flexible modes, faster response, lower cost, longer battery life, and higher and higher image resolution (0.02 to 0.1m), more and more abundant data sources and data products with the continuous development of emergency technology. Oblique Photography technology to build Three-dimensional real space scene greatly enhances the precision and accuracy of individual disasters interpretation, reduces the difficulty and cost of regional multi-period data acquisition, and provides more scientific technical support for emergency rescue decision-making. For the characteristics of massive remote sensing data, the research and development of high-performance aviation remote sensing data intelligent processing application system can realize automatic intelligent and efficient processing and application of remote sensing data.

unmanned aerial vehicle remote sensing(UAVRS); natural disaster; emergency monitoring; oblique photography; three-dimensional real space scene

2018-06-01

四川省财政专项“多旋翼机地质灾害应急调查监测关键技术研究”

王晓刚（1979-），男，河南省许昌县人，硕士，高级工程师，主要从事无人机航测遥感及地理信息系统研究

P627

A

1006-0995（2019）01-0158-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.036