无人机红外热成像技术在城市环境研究中的应用

蔡英琪，胡鹏，伍光胜

（1.广州市突发事件预警信息发布中心，广东广州 511430；广州市防雷减灾管理办公室，广东广州 511430）

城市热岛效应是一种由于人为因素如人工构筑物、人工发热等改变了城市地表的局部温度、空气对流、湿度等相关要素，进而引起热量在一定空间范围内聚集的现象，是城市气候最典型的特征之一［1］。全球气候变暖和大规模高速城市化是21世纪2个重要的环境现象，二者的联系也日趋紧密。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第5次报告中明确提出了气候系统变暖毋庸置疑。由于城市化是一种最强烈的土地利用变化之一，在下垫面变化、人为热释放和大气污染物增加等因素的叠加作用下，对地表能量的平衡和近地面气温可以造成显著影响，进而影响区域和城市局部气候，特别是城市热环境。因此，在全球气候变暖和大规模高速城市化的双重影响下，城市的热环境日益恶化已成为当前大城市气候的显著特征之一［2］，其可对公共户外空间的安全性、舒适性产生直接影响，同时会对城市公共健康、综合能耗产生间接影响。有研究数据显示因高温热浪引发的死亡率就在各类自然气象灾害中位居前列［3］。

广州市作为中国人口密度大、经济集中度高的特大型城市之一，由于城市地表热环境恶化，进而引发公众生活舒适度降低、各种能耗持续增长、空气污染加剧等一系列社会问题。而另一方面，随着人类文明的进步，人类对生存环境的要求也是有增无减，这两者的矛盾使得城市热环境成为一个亟待解决的问题。由于城市热环境的成因及时空演变非常复杂，因此出现了多种不同的研究方法［4］，从数据来源看，主要包括基于地面观测站研究、基于遥感技术研究、基于模型的模拟研究，其中，传统的遥感技术一般基于卫星遥感，其覆盖范围广，时间同步性好，更新较快，但也有精度不高、费用昂贵、受天气因素影响等不足。如能采用在石油石化、公共安全、森林防火等行业广泛应用的小型无人机平台搭载红外热成像设备用于城市热环境研究，利用其精度高、操控灵活、成本低等优点，则可有效弥补传统遥感技术手段的不足。

本研究主要研发了基于微型四旋翼无人机平台的地表温度场反演系统和地表网格化温度场生成软件，并对系统和软件进行了应用测试，以检验系统应用的可行性和精度，为城市热环境研究提供一种新的技术方法。

1 地表温度场反演系统和生成软件

基于微型四旋翼无人机具备机动灵活、垂直飞行、航拍分辨率高、操作简单等特点，系统以微型四旋翼无人机作为载机平台，通过机载红外相机作为任务设备，并自主开发了地表温度场反演软件。

1.1 系统结构

由于本系统以微小型旋翼无人机开发，采用了GIS技术、红外成像技术、无人机技术、图像处理技术、5G通信技术等，与其它类型的无人机系统相比，其外观结构、性能指标、应用领域均有所不同，但从系统原理和系统结构上讲，它同时也是一个常见的无人机系统结构［5-6］，全系统包括了无人机平台、无线通信链路、控制端、任务设备和软件等，其系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意图

为提高飞行稳定性和操作灵活性，满足城市热岛观测的实际使用需求，载机采用了重量轻、强度高的碳纤维材料机身四旋翼无人机［7］。高灵敏度红外相机作为任务设备挂载于增稳云台。该相机采用非制冷型氧化钒阵列成像［8］，体积较小，可在较宽温度范围内进行高精度红外拍摄，同时具有非常好的均匀性和动态范围，能较好满足城市热环境观测任务需求。飞控和图传信道上所采用的工作频率分别为5.725～5.825 GHz和2.400～2.483 GHz，可实现3 000～5 000m的通信距离，由于通信时使用了动态自适应技术，收发端能自动选择最佳信道，通过切换不同的信道和调整带宽，确保通信稳定。

1.2 地表网格化温度场生成软件

为实现地表温度场实时自动生成，开发了地表网格化温度场生成软件。软件可以实现实时接收航拍照片、拼接、生成网格温度场、叠加卫星地图显示、任意点取值、数据查询和导出等功能。

整个软件的工作流程为：

采用FTP方式实时将无人机所拍摄红外照片推送到软件服务器，传输完成的同时触发服务器监听程序进行该红外图像的温度数据计算，并进行格点化，产生该次飞行过程的地面温度场的合并文件。这个自定义的合并文件里含有填色后的红外图片和对应的JSon格式地表温度场数据文件，最终通过浏览器访问叠加卫星地图的温度场数据。当浏览器打开页面时，Web页面通过JavaScript脚本函数定时检查服务器图片接收文件夹的文件更新情况，一旦发现有新的更新文件接收完成，就读取最新的红外填色图片和温度场数据文件。最后，使用ArcGIS API for JavaScript技术，在谷歌卫星地图上叠加显示出红外填色图片和温度场网格数据。

软件开发中，有两个关键技术，一是根据红外照片生成对应经纬度的温度值；二是一次飞行过程中的多张连续红外照片拼接［9-10］。具体的实现方案为：

1）服务器每接收到一张回传的红外照片，都利用厂家SDK库进行转化，用照片的全部像素点计算每个点对应的温度值（精度0.001℃），形成一个二维的温度数组，每张照片共640×512个像素点可转化为对应的温度值。

2）由于原始红外照片带有XMP信息，读出该XMP信息，可获得本张照片拍摄时的中心坐标、高度、GPS信息、无人机角度状态等信息。

3）将步骤1）获得的640×540个温度值数组，利用步骤2）读出的坐标信息和高度信息，通过三角函数数学计算，求出该张照片4个顶点对应的真实坐标后（图2），再计算出照片上每个温度点（共640×540个）对应的经纬度坐标，生成单个照片的温度场网格数据。

图2 水平（a）和翻转（b）飞行时的坐标计算示意图

4）多张照片的拼接。每当有新的照片推送回服务器接收文件目录时，就重复前3步骤，同样求出新拍摄照片的4个顶点坐标和温度数组后，与之前已反演生成的温度场对应坐标范围进行匹配合并，将全部图片的温度值合并进温度二维数组中，其中如果有坐标点上出现重叠，则该坐标点的温度值取各次平均值，最后生成合并后的整个拍摄范围的经纬度范围和温度数组，从而完成网格化温度场反演。

2 地表热环境飞行观测

为测试本系统方案设计可靠性和反演温度数据的准确性，进行了多次空中飞行试验。图3为2017年7月27日在广州市海珠区海珠湖公园进行飞行试验的区域图。距离试验区域最近的是海珠区华洲街龙潭村的两个区域气象站（G3101、G3339），试验时气温在34.3～35.3℃，相对湿度在48%～57%，最大风速在1.5～3.6m／s。

图3 试验区域

热红外遥感反演结果（图4）显示，地表面温度分布有很大的差异，北边的建筑群、公园外的新滘西路、广场，水泥路面以及桥梁等温度大致在45～65℃，有植被覆盖的区域温度较低，灌木在40～43℃，草地则在44～46℃，水体表面的温度最低，大致在32～35℃。

图4 反演生成的地表温度场

另外还可以看出，热红外反演温度具有很高的空间分辨率，甚至能够较精细的刻画出北广场中各颗灌木。靶标点的地面实测与热红外反演温度对照显示（表1），水泥地、灌木、草面和水面4个点差值分别是0.2、0.1、0.7和0.9℃，较接近，可见反演结果比较准确。

表1 靶标点实测温度和热红外反演温度 ℃

3 结论

基于微型四旋翼无人机平台的新型城市地表温度场反演系统和地表网格化温度场生成软件具有分辨率高，使用维护成本低，操作灵活、可靠性高、受天气因素影响小等优点，其空间分辨率可达到0.5m，反演精度可达到0.1℃，可实现对城市热环境街区级小尺度精细化观测，研究城市冠层精细化三维热环境特征，评估不同建筑布局和下垫面对热环境的可能影响，弥补传统卫星遥感和其它观测手段的不足，观测数据有助于加深对城市边界层三维结构认识，满足城市精细化气象服务的需求，同时为合理规划城市、改善大城市热环境提供科学的参考。此外，还可广泛应用于消防、救灾、农业生产等其它领域［11］。