孫玉超，曾紀(jì)勝，楊帆，王銀霞，魏征

(國家海洋局南海規(guī)劃與環(huán)境研究院 廣州 510300)

?

無人機遙感系統(tǒng)在風(fēng)暴潮災(zāi)害損失評估中的應(yīng)用初探

孫玉超，曾紀(jì)勝，楊帆，王銀霞，魏征

(國家海洋局南海規(guī)劃與環(huán)境研究院 廣州 510300)

無人機遙感系統(tǒng)由于具有響應(yīng)迅速、起降方便、可低空作業(yè)、分辨率高等優(yōu)點，在自然災(zāi)害調(diào)查及應(yīng)急救援中有廣泛的應(yīng)用。文章在臺風(fēng)“蘇力”登陸后，利用無人機遙感系統(tǒng)及時獲取臺風(fēng)登陸點附近25 km2范圍的高分辨遙感影像，通過對遙感影像進行分析處理，提取研究區(qū)域典型風(fēng)暴潮承災(zāi)體的災(zāi)害損失信息并對其進行統(tǒng)計分析，為風(fēng)暴潮災(zāi)害損失評估提供數(shù)據(jù)支持；對無人機低空遙感系統(tǒng)在風(fēng)暴潮災(zāi)害調(diào)查及災(zāi)害損失評估中的應(yīng)用作初步探索。結(jié)果表明，無人機低空遙感系統(tǒng)在風(fēng)暴潮災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用具有一定的可行性且取得一定成果，但受制約的方面也較多，今后還需結(jié)合風(fēng)暴潮災(zāi)害特點作進一步的應(yīng)用探索。

無人機；遙感；風(fēng)暴潮；臺風(fēng)災(zāi)害；災(zāi)害損失評估

風(fēng)暴潮是由于劇烈的大氣擾動，如強風(fēng)和氣壓驟變(通常指臺風(fēng)和溫帶氣旋等災(zāi)害性天氣系統(tǒng))導(dǎo)致海水異常升降，使受其影響的海區(qū)潮位大大地超過平常潮位的現(xiàn)象[1]。登陸我國的臺風(fēng)和溫帶風(fēng)暴潮往往會造成風(fēng)暴潮災(zāi)害[2]，風(fēng)暴潮災(zāi)害會導(dǎo)致海水漫堤，造成海水倒灌，魚塘、油井、工廠等被淹，對沿海城市基礎(chǔ)設(shè)施和人民生命財產(chǎn)安全造成巨大損失[3]。2013年第7號超強臺風(fēng)“蘇力”于7月8日8時在西北太平洋上生成，13日3時在我國臺灣登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力達(dá)14級；13日16時在福建省連江縣黃岐半島登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力為12級[4]。臺風(fēng)“蘇力”過境引起的風(fēng)暴潮給我國臺灣和大陸沿海的水產(chǎn)養(yǎng)殖、漁業(yè)設(shè)施、居民生命財產(chǎn)安全等造成嚴(yán)重影響[5]。本研究采用無人機遙感系統(tǒng)獲取臺風(fēng)“蘇力”登陸后登陸點附近受災(zāi)嚴(yán)重區(qū)域的高分辨率遙感影像，以遙感影像為底圖，利用GIS技術(shù)提取影像中各類承災(zāi)體受損信息，并對承災(zāi)體受損情況進行分類統(tǒng)計，為災(zāi)害損失評估提供數(shù)據(jù)支持，從而探索無人機遙感技術(shù)在風(fēng)暴潮災(zāi)害調(diào)查及災(zāi)害損失評估中的應(yīng)用。

1 無人機低空遙感系統(tǒng)的組成

無人機系統(tǒng)主要由飛行器、飛行控制系統(tǒng)、穩(wěn)定云臺、任務(wù)傳感器、無線通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用分析系統(tǒng)以及地面控制系統(tǒng)等幾部分組成[6]。其以無人機為飛行平臺，以高分辨率數(shù)碼相機為傳感器，按照設(shè)定飛行航線和拍攝間隔，獲取測量區(qū)域高分辨率數(shù)字影像，獲取的影像經(jīng)一系列數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程后最終可生成數(shù)字正射影像(DOM)，可滿足不同的應(yīng)用需求。

本研究采用的無人機系統(tǒng)是北京天下圖公司LT-150中型固定翼無人機(圖1)。該無人機長2.2 m，翼展2.5 m，巡航速度為110 km/h，采用汽油發(fā)動機，續(xù)航時間約3 h；搭載傳感器為Canon 5D Mark II單反相機，經(jīng)Version2.2 檢校(像幅為5 616像素×3 744像素，像素大小為6.41 μm)(表1)。

圖1 LT-150型無人機系統(tǒng)

序號檢校內(nèi)容檢校值1主點x02832.57122主點y01860.92103焦距f5541.35744徑向畸變系數(shù)k10.0000000029163326565徑向畸變系數(shù)k2-0.0000000000000001246偏心畸變系數(shù)p10.0000000069762555627偏心畸變系數(shù)p20.0000001471022761078CCD非正方形比例系數(shù)α-0.0003146790279CCD非正交性畸變系數(shù)β0.000048002602

注：坐標(biāo)原點在影像左下角。

2 災(zāi)害損失區(qū)域高分辨率影像獲取

2.1 研究區(qū)域選取及航線設(shè)計

根據(jù)臺風(fēng)“蘇力”登陸的情況，本研究選取登陸點附近的連江縣可門港附近區(qū)域作為航拍區(qū)域，該區(qū)域涵蓋填海區(qū)、臨港工業(yè)區(qū)、居住區(qū)、漁港、漁排養(yǎng)殖、吊養(yǎng)、圍塘養(yǎng)殖等多種風(fēng)暴潮承災(zāi)體類型(圖2)。為保證航拍區(qū)域承災(zāi)體災(zāi)害損失情況清晰易讀，本次航拍地面分辨率應(yīng)優(yōu)于0.1 m，因此設(shè)定飛行航高為600 m，設(shè)定航向重疊為75%、旁向重疊為60%。

圖2 研究區(qū)域無人機航拍航線設(shè)計

2.2 飛行數(shù)據(jù)獲取

臺風(fēng)“蘇力”在福建省連江縣登陸時間為7月13日，臺風(fēng)過境后多伴有雷雨天氣且風(fēng)力較大，天氣環(huán)境不利于無人機作業(yè)。經(jīng)過1 d的等待，無人機飛行組于7月15日上午對研究區(qū)域進行1個架次的航拍作業(yè)，飛行時間約1 h，共飛行14條航帶，獲取航拍影像935張，飛行覆蓋面積約25 km2(表2)。

表2 無人機遙感系統(tǒng)獲取的研究區(qū)域POS數(shù)據(jù)(部分)

2.3 飛行數(shù)據(jù)檢查

無人機飛行數(shù)據(jù)獲取后首先要對其進行質(zhì)量檢查，即檢查是否滿足影像拼接要求，包括POS數(shù)據(jù)檢查和飛行影像檢查[7]。POS數(shù)據(jù)檢查時，不滿足影像傾角、航高差以及重疊度要求的數(shù)據(jù)需刪除，航帶拐彎處拍攝的數(shù)據(jù)也應(yīng)刪除。飛行影像檢查時，由于此次航拍的影像數(shù)據(jù)包括部分海上范圍，像主點落水的影像需剔除；由于天氣原因，部分區(qū)域云層較低，飛行影像受云層影響較嚴(yán)重，這部分影像也需剔除。經(jīng)質(zhì)量檢查，滿足拼接要求的影像還有786張。

3 影像數(shù)據(jù)處理及正射影像生成

影像數(shù)據(jù)處理主要包括畸變校正、空三加密、數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像(DOM)生產(chǎn)4部分，最后進行產(chǎn)品質(zhì)量檢查[8]。本次數(shù)據(jù)處理采用中國測繪科學(xué)研究院的Pixel Grid軟件，詳細(xì)數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 Pixel Grid軟件DOM數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

影像數(shù)據(jù)經(jīng)過以上數(shù)據(jù)處理流程并加入地面實測像控點數(shù)據(jù)后，生成的正射影像如圖4所示。

圖4 影像處理后生成的航拍區(qū)域數(shù)字正射影像(DOM)

4 承災(zāi)體受損信息提取及統(tǒng)計分析

航拍覆蓋區(qū)域主要包含填海區(qū)、臨港工業(yè)區(qū)、居住區(qū)、漁港、漁排養(yǎng)殖、吊養(yǎng)、圍塘養(yǎng)殖等多種風(fēng)暴潮承災(zāi)體類型。數(shù)據(jù)處理后生成的正射影像分辨率為0.1 m，可以較清晰地判別承災(zāi)體的分布及災(zāi)害損失情況(圖5)。

圖5 影像上研究區(qū)域幾類承災(zāi)體受損情況

通過研究區(qū)域影像分析可以發(fā)現(xiàn)，陸域部分承災(zāi)體受損情況不明顯，漁船由于停靠在避風(fēng)的漁港里，受損情況也不明顯，受影響最嚴(yán)重的是漁排養(yǎng)殖和海上吊養(yǎng)。漁排養(yǎng)殖和海上吊養(yǎng)本身抗災(zāi)性相對較弱，而且承受風(fēng)浪侵襲強度比陸域承災(zāi)體大，因此災(zāi)害損失情況在影像上表現(xiàn)較為明顯。海上吊養(yǎng)的水上浮子部分受風(fēng)暴潮影響后，其移位情況可以從影像上判斷，但其吊養(yǎng)的主體部分在水面以下，無法單獨從影像上判斷其損失情況，因此不作研究分析。本研究主要通過提取研究區(qū)域海上漁排養(yǎng)殖災(zāi)害損失信息，統(tǒng)計受損漁排個數(shù)、受損面積以及受損面積比例，為災(zāi)害損失評估提供數(shù)據(jù)支持(圖6)。

圖6 根據(jù)無人機影像提取的漁排受損情況 注：受損漁排為漁排有變形但結(jié)構(gòu)完整， 嚴(yán)重受損漁排為漁排結(jié)構(gòu)已被毀壞。

對影像中提取的漁排受損信息進行統(tǒng)計，獲得漁排養(yǎng)殖受損數(shù)量、受損面積和受損面積比例(表3)。

表3 漁排養(yǎng)殖受損數(shù)量、面積及比例

類型數(shù)量/個面積/m2占總面積比例/%正常漁排14216711297.22受損漁排725581.49嚴(yán)重受損822211.29所有漁排157171891100

以上統(tǒng)計結(jié)果對風(fēng)暴潮災(zāi)害損失情況的快速初步統(tǒng)計提供重要的數(shù)據(jù)參考，但具體災(zāi)害損失情況還需結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及對比本底數(shù)據(jù)予以確定。

5 無人機遙感在風(fēng)暴潮災(zāi)害調(diào)查中的可行性分析

本研究在臺風(fēng)“蘇力”登陸后利用無人機遙感系統(tǒng)快速響應(yīng)，及時獲取受災(zāi)嚴(yán)重區(qū)域的高分辨率遙感影像，驗證無人機遙感系統(tǒng)在風(fēng)暴潮災(zāi)害調(diào)查中的可行性，但在工作中也發(fā)現(xiàn)幾方面問題。 (1)臺風(fēng)過境伴隨的大風(fēng)及雨水天氣給無人機影像數(shù)據(jù)獲取造成很大不便，而基于無人機遙感影像的風(fēng)暴潮災(zāi)害信息獲取往往需及時有效地獲取數(shù)據(jù)，無人機遙感數(shù)據(jù)的獲取存在一定的困難。(2)研究區(qū)域的選取既要有利于無人機飛行作業(yè)，又要包含多種典型風(fēng)暴潮承災(zāi)體類型，還要是受災(zāi)較為嚴(yán)重區(qū)域，從而保證獲取比較典型的受災(zāi)影像數(shù)據(jù)；而臺風(fēng)登陸前登陸點位置往往存在不確定性，因此，研究區(qū)域的選取存在較大難度。(3)基于無人機遙感影像的災(zāi)害損失信息提取結(jié)果存在不確定性，部分災(zāi)害損失情況還需進行現(xiàn)場確認(rèn)；此外，無人機遙感影像覆蓋范圍有限，無法對受災(zāi)區(qū)域開展全覆蓋調(diào)查，只能作為風(fēng)暴潮災(zāi)害調(diào)查的補充手段。

6 結(jié)論

無人機遙感系統(tǒng)作為衛(wèi)星遙感和有人機航空遙感的補充手段，具有實時性強、起降方便、分辨率高、可低空作業(yè)的優(yōu)點，且能夠在高危地區(qū)作業(yè)，在自然災(zāi)害應(yīng)急救援中有廣泛的應(yīng)用[9]。本研究結(jié)合臺風(fēng)“蘇力”登陸后無人機遙感應(yīng)用實例，探索無人機遙感系統(tǒng)在風(fēng)暴潮災(zāi)害調(diào)查及災(zāi)害損失評估中應(yīng)用的可行性，也為基于無人機遙感影像的災(zāi)害損失信息提取提供參考。結(jié)果表明，無人機遙感系統(tǒng)在風(fēng)暴潮災(zāi)害調(diào)查及災(zāi)害損失評估中具有一定的實用性，且取得初步應(yīng)用成果，但受制約的方面也較多，今后還需結(jié)合風(fēng)暴潮災(zāi)害特點作進一步的應(yīng)用探索。

[1] 孫湘平.中國近海區(qū)域海洋[M].北京：海洋出版社，2008：157-158.

[2] 石先武，譚駿，國志興，等.風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險評估研究綜述[J].地球科學(xué)進展，2013(8):866-872.

[3] 王國棟，康建成，閆國東.沿海城市風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險評估研究述評[J].災(zāi)害學(xué)，2010，25(3):114-118.

[4] 楊林，曹春榮，林秋，等.臺風(fēng)“蘇力”災(zāi)害風(fēng)險與防御行為效益評估[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2015，31(1)：106-111.

[5] 鄭崇偉，周林，宋帥，等.1307號臺風(fēng)“蘇力”臺風(fēng)浪數(shù)值模擬[J].廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，53(2)：257-262.

[6] 王芳，宋士林，葛清忠.無人機在海洋調(diào)查中的應(yīng)用前景展望[J].海洋開發(fā)與管理，2013，30(2)：44-45.

[7] 國家測繪局.低空數(shù)字航空攝影規(guī)范：CH/Z 3005-2010[S].2010：5-6.

[8] 國家測繪局.低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范：C H/Z 3003-2010[S].2010：7-8.

[9] 李珊珊，苑文穎，宮輝力，等.無人機遙感系統(tǒng)在災(zāi)害損失實物量評估中的應(yīng)用[J].測繪科學(xué)，2013，38(6)：76-80.

Preliminary Application of UAV Remote Sensing System in Storm Surge Disaster Loss Assessment

SUN Yuchao，ZENG Jisheng，YANG Fan，WANG Yinxia，WEI Zheng

(South China Sea Institute of Planning and Environmental Reaserch,SOA,Guangzhou 510300，China)

UAV remote sensing system has the advantages of rapid response，easy takeoff and landing，low operation，high resolution，and has been widely used in natural disaster investigation and emergency rescue.After the typhoon “Su Li” landed，UAV remote sensing system was used to obtain high resolution remote sensing images in the range of 25 km2near the typhoon landing point in time.The disaster loss information of typical storm surge disaster bearing body in the study area was extracted and analyzed statistically，which provided data support for storm surge disaster assessment，through the analysis and processing of remote sensing images.The preliminary application of low altitude UAV remote sensing system in storm surge disaster investigation and disaster loss assessment was explored.The results showed that the application of low altitude UAV remote sensing system in the storm surge disaster investigation has certain feasibility and could achieve certain results，while with a lot of constraints.Further application and exploration are needed to be performed combining with the characteristics of storm surge disaster.

UAV，Remote sensing，Storm surge，Typhoon disaster，Disaster loss assessment

2016-08-20；

2017-03-05

國家海洋局南海分局海洋科學(xué)技術(shù)局長基金項目(1506)；海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201305020-7)；國家自然科學(xué)基金項目(61527810).

孫玉超，工程師，碩士，研究方向為海洋測繪、無人機低空遙感及GIS開發(fā)，電子信箱：503598481@qq.com

魏征，工程師，博士，研究方向為海岸帶遙感、無人機/航攝儀攝影測量，電子信箱：weizheng0628@foxmail.com

P7

A

1005-9857(2017)04-0056-05