无人机在重大自然灾害中的应用与探讨

灾害学

JOURNALOFCATASTROPHOLOGY

Vol.26No.4Oct.2011

无人机在重大自然灾害中的应用与探讨

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陆博迪，孟迪文，陆

3334鸣，赵京轶，谢周敏，杨建军

*

（1.北京工业大学建筑工程学院，北京100124；2.北京科技大学机械工程学院，北京100088；3.中国地震局地壳应力研究所，北京100085；4.零度智控（北京）智能科技有限公司，北京100085）摘

要：重大自然灾害往往会造成重灾区信息通讯中断和道路交通破坏，灾情传递受阻将导致抢险救灾盲目部署，继而造成更大的损失和次生灾害。因此，获取灾情成为重大自然灾害抢险救灾的首要问题。无人驾驶飞机

（简称无人机）是一种新工具，能够越过山川河流阻隔，通过摄影、摄像或其他遥感手段获取灾情。通过在北川县曲山镇等地震灾区进行无人机获取灾害信息实验，在2010年玉树地震抢险救灾工作中实现了高原灾区无人机首次航拍，获取的高清图片为划分灾区范围提供了重要依据。鉴于上述实践和探索，介绍了无人机性能和影响无人机摄影的诸多因素，如天气条件、无人机航带航迹和高度、航片重叠率、图片拼接及校正等，对相机与地面影像分辨率的关系进行了介绍，还通过航拍图片和地面图片比对，总结出建筑物倒塌破坏识别的基本要则。关键词：无人机；航空摄影；航拍图片；灾害识别；汶川地震；玉树地震中图分类号：TP75；P315.9

文献标志码：A

文章编号：1000－811X（2011）04－0122－05

重大自然灾害如地震、水灾、冰雪等具有突发性强、灾害范围广、破坏性大特点，往往会造成重灾区信息通讯中断和道路交通破坏，灾情信息不畅将导致抢险救灾盲目部署，继而造成更大

［1－2］

。2008年汶川8.0级地震，的损失和次生灾害

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。在亲历和目睹汶川地震抢险救灾过程之后，全社会已经取得共识，通过各种手段有效获取灾情是开展重大自然灾害抢险救灾首要问题。

无人机是无人驾驶飞机的简称（UnmannedAer-ialVehicle，UAV）。一架典型的无人机由飞行器、控制站、起飞（发射）和回收装置以及检测系统等组成，是能按指令飞行的空中机器人。无人机与航空模型的差别在于无人机通常具备自动驾驶功能，能按任务要求进行自主飞行，避免人工操作造成的各项限制。小型无人机具有成本低、起飞降落方便、操作简单等特点；此外，无人机通常可超视距自主飞行，并可携带一定的有效载荷，执行侦察、航摄、监控等任务。

重大自然灾害之后，在信息中断交通受阻的情况下，使用无人机可迅速越过高山河流，深入腹地进行拍摄获取灾情，及时为抢险救灾提供准确信息。

*

2001年以来，世界各国都在大力发展各种用途的无人飞行器。目前世界上32个国家已研制出了多种无人机。美国、以色列、俄罗斯、北约等国家非常重视多用途无人机的研制、生产和应用。

汶川地震之后，在我国有一些单位应用无人机获取遥感图像，进行震害分析，做出了探索性工作

［3－9］

。本文作者无人机组（以下简称“无人机

）定位于获取高分辨率图像，进行灾害识别并组”

直接应用于抢险救灾。无人机组在北川县曲山镇等地进行了地震灾区实验，并在2010年玉树地震抢险救灾工作中成功实现了高原灾区首次航空摄影，获取的高清影像为划分灾区范围提供了重要的依据。

本文通过实践和探索，介绍了无人机性能和影响无人机摄影的诸多因素，相机与地面影像分辨率的关系，总结出建筑物倒塌破坏识别的基本要则。

1无人机的性能

无人机组配备三种机型，分别是雨燕Ⅲ型电

动无人机、橙色之鹰油动无人机和白鹭油动无人

收稿日期：2011－03－20

基金项目：公益性行业科研专项（200708－47）；中国地震局地壳应力研究所基本科研业务专项基金（2DJ2009－03）；中国地震局玉

树地震科学考察项目（2010）mail：blazevotex@yahoo.com.cn作者简介：陆博迪（1989－），女，辽宁大连人，大学本科，主要从事土木工程专业学习．E-

4期陆博迪，等：无人机在重大自然灾害中的应用与探讨

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机，其性能和特点分别如表1、表2和表3所示。

表1雨燕Ⅲ电动无人机

机型

性能参数

优点

缺点

震后两个月时间无人机组三次奔赴玉树，在机型、发动机、气候条件和起飞场地等方面反复进行改进和探索，最终完成了航拍任务。

电动无人机

皮筋弹射起飞，开伞降落翼展1.66m，机长1m，高0.45m

起飞重量：4.5kg有效任务载荷：400g

雨燕Ⅲ

活动半径：5～30km飞行相对高度：50～3000m

最大平飞速度：100km/h巡航速度：50～80km/h留空时间：45min

玻璃钢材料，抗摔能力强；携带方便；安

续航时间与

装快捷；无空

飞行距离

中停车危险；

短，有效载

起飞安全性

重小

高；携带小型相机；适合高原地区航拍

表2

机型

橙色之鹰油动无人机

优点

缺点

性能参数

油动无人机

滑跑起降或开伞降落

翼展2.70m，机长1.97m起飞重量18kg

橙色有效载荷3.0kg之鹰活动半径100km

升限3000m（建议海拔高度）最大平飞速度120km/h巡航速度80～120km/h留空时间2h

飞行姿态稳定；搭载单反相机；载重量大；续航时间较长

在高原地区原发动机功率不足；起飞时偏右

图1橙色之鹰油动无人机无人机在北川（2009年11月10日）

表3

机型

性能参数

油动无人机

白鹭油动无人机

优点飞行姿态稳定；载重量大；续航时间

很长；可携带重量大，需单反相机、摄动用车辆运像机以及数传输；机动性遥测控设备等能低；系统多台设备；抗展开时间长风5～7级；抗中雨；可在高原地区飞行

缺点

滑跑起降或开伞降落

翼展3.20m，机长1.80m起飞重量50kg

有效载荷20～30kg活动半径30～100km

升限3000m（建议海拔高度）最大平飞速度120km/h巡航速度80－120km/h留空时间4h

白鹭

图2橙色之鹰油动无人机在玉树（2010年5月）

2影响无人机摄影的主要因素

无人机组2009年11月在四川省北川县完成航拍任务（图1）；2010年4月至6月在青海玉树参加震后飞行任务，难度超出想象，损失多架电动和油动无人机（图2）。

飞机升空主要依赖两个因素，一是机翼与空气相对运动产生足够的升力，二是飞机发动机提供充足的动力。空气稀薄导致升力下降，氧气不足导致油动发动机最大功率不能充分发挥，因此海拔高度在3500m以上高原地区一直是无人机的禁飞区。玉树灾区海拔高度为3700m～3800m，在平原使用良好的机型到了这里，设计上未觉察出的缺陷就能显现出来，因此无人机组屡屡受挫。

若将无人机拍摄的数百上千张图片拼接成大幅影像图，其质量取决于多方面因素。2.1

天气条件

在高原地区，影响无人机起降的天气条件作用非常突出，因此应当避免出现以下问题。

（1）雾气过重、阴天、云雾流动过快天气

容易降低航拍图片清晰度；多云天气的云雾流动会造成图像不连续，致使后期无法合成图像。

（2）空中风速或气流变化过大

容易导致飞机姿态不稳定、每张图片之间镜角偏差过大和影像不重叠。

（3）掌控风向不到位

可能导致飞机起降失败。玉树地区地处青藏

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灾害学26卷

高原，天气无常，好天气稍纵即逝。经观察发现，玉树春季11时至15时是天气变化的最小时段。2.2无人机航带、航迹和高度

根据被摄对象的区域范围、影像分辨率等要求，确定无人机的航带、航迹和飞行高度。

北川县城海拔高度低，气流变化不大。无人机组预先设定直线型飞行航带，使用橙色之鹰无人机，飞行相对高度设定500m，获取北川县城曲山镇震害影像如图1（b）所示。

图3所示为雨燕Ⅲ型电动无人机在玉树飞行预设的航带和航迹，留空时间约25min。

（2）对排序后的图片进行重叠率和变形大小分析，删除冗余图片和质量差的图片，使得上下左右图片重叠率恰到好处，变形最小。

（3）重复（1）步骤，对筛选后的图片再次编号，再建立一个新文件夹，存入筛选后的新编图片。

（4）可以对筛选后的新编图片用批处理方式进行适当裁剪，去掉四个边，减小镜头畸变影响，以提高拼接效率和图片质量。

（5）使用专用软件进行大批量图片拼接，对拼接后的整体进行检查，对拼接不到位的地方进行人工干预或改换软件进行拼接。

（6）对拼接后的影像进行经纬度校准，使用经过GPS定位的地标。

图6是无人机组拼接的震后玉树县城影像图。

图3雨燕III型电动无人机航迹（玉树县城结古镇）

图4所示为白鹭油动无人机在玉树飞行预设的航带和航迹，留空时间约130min。玉树县城坐落在大山之间，城区呈T形，海拔高度3700m，城区边山峰海拔高度4200m。实际飞行确定海拔高度为4500m，相对山峰高度300m，相对城区高度700m。

图5航片重叠与编序号排列

图6

图4

白鹭油动无人机航迹（玉树县城结古镇）

7.1级地震震后玉树县城结古镇无人机影像合成图（白鹭无人机，相对高度700m，佳能550D相机，2010年6月21日）

2.3

航片重叠率

按照航空摄影要求，航片航向重叠率为60%，旁向重叠率为30%。

在北川和玉树地区，无人机组遵照上述航片重叠率的要求，按直线型设定航带和航迹，整个航区没有出现漏拍现象。2.4图片拼接及校正

获取航片图像后，按照下述步骤对一个航带的所有图片进行整理，可提高拼接效率和影像质量。

（1）按图5显示方式对原图进行排序和重新编号，建立一个新文件夹，存入新编图片。

3相机与地面影像分辨率

在天气条件良好、无人机状态正常、飞行规划合理、相机设置准确的前提下，专业小数字相机和普通数字单反相机获取的地面影像的分辨率和清晰度可以满足灾害识别的一般需求。

以佳能单镜头反光相机550D为例，若相对地面高度600m，使用35mm定焦镜头，相机与地面影像分辨率按下式计算：

CMOS单像元大小=22.3mm/5184=4.3μm，

－6

地面分辨率=4.3×10×600/0.035=0.074m。

4期陆博迪，等：无人机在重大自然灾害中的应用与探讨

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7.4cm为计算分辨率，本文认为实际分辨率

“民政要乘2，约为15cm，如图7中可辩帐篷顶部

救灾”四字。

图9为玉树县结古寺空中和地面震害照片。图

9（a）中相对高度600m（结古寺坐落在半山上），可见大型圆形建筑物下方有毁坏建筑物；图9（b）中地面照片显示确有一片建筑物倒塌。

图7“民政救灾”单反相机分别率可辩四字（图9放大）2010年6月21日）（白鹭无人机，相对高度600m，

图8所示为玉树结古镇一角。由佳能G11相

机拍摄，相对地面高度400m，影像实际分辨率约为20cm，可辨白头盔消防员、绿装军人和紫袍僧人。

图9玉树县结古寺空中、地面震害影像比对

图10所示为玉树县城建筑物空中和地面震害照片，其中图10（a）中相对高度400m，道路右侧两座紧靠建筑中的一座轮廓不清、边缘线出现异常，疑似该建筑物倒塌或局部倒塌；（b）中可明辨这两座建筑状态。

图8玉树结古镇一角（雨燕Ⅲ型电动无人机，佳能G11相机，相对高度400m，2010年4月19日）

4建筑物倒塌破坏识别的基本要则

无人机组在北川县城曲山镇使用橙色之鹰油动无人机和佳能单反相机50D，在相对高度500m处获得影像如图1（b）所示。图中北川中学新校区被大滑坡掩埋，滑坡下方边缘处仅露教学楼一角；

，“5.12”图片右边倒塌房屋成为一片瓦砾草坪下

掩埋7000余名殉难者。

图10玉树县城建筑物震害比对

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灾害学26卷

建筑物倒塌破坏识别的基本要则可总结如下：①识别建筑物倒塌应重点观察建筑周边直线和直角部位，若出现不连续、不规则现象，可先作为疑似对象；②一般情况下无人机获取的图片数量很多，且图中建筑物难以计数，因此需要研发和运用自动判别软件，提高建筑物倒塌破坏的识别效率；③针对疑似对象，可做疑似度判断或人工判别；④多视角图像更有助于建筑物破坏识别，无人机可同时装载两台或多台相机，增加有倾角的俯拍。

（4）建筑物倒塌破坏识别的基本要则为：①识别建筑物倒塌应重点观察建筑周边直线和直角部位，出现不连续或不规则现象，可先作为疑似对象；②应研发和运用自动识别软件，提高建筑物倒塌破坏的识别效率；③针对疑似对象，可做疑似度判断或人工判别；④增加有倾角俯拍，多视角图像更有助于建筑物破坏识别。

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5结论

通过北川和玉树地震现场无人机航拍探索和

实践，得到以下认识和结论：

（1）挖掘无人机性能、期盼新机型。经深度挖掘现有无人机性能可以有较大提升。期盼适用于高原地区的载重量大、航时长的电动和油动无人机出现。

（2）影响航拍质量的主要因素。天气条件、无人机航带航迹、高度以及航片重叠率等对无人机起飞和图像质量影像很大，应予以注意。

（3）地面影像分辨率可以通过计算得到，而实际影像分辨率要打折扣，应当加倍乘2。

ApplicationandExplorationofUnmannedAerialVehicle

inMajorNaturalDisasters

LuBodi1，MengDiwen2，LuMing3，ZhaoJinyi3，XieZhoumin3andYangJianjun4

（1．CollegeofArchitectureandCivilEngineering，BeijingUniversityofTechnology，Beijing100022，China；2．SchoolofMechanicalEngineering，UniversityofScience＆TechnologyBeijing，Beijing100088，China；3．InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China；

4．LinduzhikongScience＆TechnologyCo.，Ltd，Beijing100085，China）Abstract：Majornaturaldisastersoftencausetheinterruptionofcommunicationandthedamageofroadsandtransportationinthedisaster-strickenarea．Theinterruptionofdisasterinformationtransmissionmayleadtoblind-nessoftheemergencyrescuemeasures，andevencausemoredamageandsecondarydisasters．Therefore，itistheprimaryproblemtoacquiretheinformationofnaturaldisasterarea．Unmannedaerialvehicle（UAV）isakindofnewinstrument，whichcanflyovertheobstaclesofriversandmountains，andgetdisasterinformationbyshootingandfilming．Theauthors'UAVgroupcarriedoutthepracticeactivityofflyingandshootingintheBeichuanCoun-ty，Wenchuanearthquakeintensityepicenterarea．AftertheYushuM7.1earthquake，theUAVgroupgainedtheplateauflightandphotographyfirstinthedisasterarea．Throughaseriesoftheexplorationandpractice，theau-thorsintroducetheinfluencefactorsofUAVflightandphotography，suchasweathercondition，flightpath，airstrips，altitude，airphotos，overlappingcoefficient，photossplitjoint，andshowtheresolutionsrelationshipbe-tweenairandlandphotos．Inaddition，thispapersummariesthebasicidentificationmethodologyofcollapsedbuilding．

Keywords：unmannedaerialvehicle（UAV）；airphotographs；airphoto；disasteridentification；Wenchuanearthquake；Yushuearthquake