无人驾驶飞机(Unmanned Aerial Vehicle,简称UAV),是一种有动力、可控制、能携带多种设备、执行多种任务并能重复使用的无人驾驶航空器,简称无人机(马子路等,2013; 熊自明,闫鹤,2013; 田凯,2013)。无人机最早出现于1917年,早期的无人机主要用作军事目的上的靶机以及作战、侦查飞行平台,随着无人机技术的不断成熟,应用领域也越来越广泛(邵金强,2014; 黄春雷,2015; 张启元,2015)。无人机通过搭载不同的实用载荷,可用于高空监控、灾害监测评估、输电线路巡检、工程检测、电视节目录制、农林植保、派送快件、地图测绘、应急救援等各行各业中(邹春海等,2016)。在国外,已经有牧民开始利用旋翼无人机取代牧羊犬来放羊。而在2013年亚马逊底首次公开展示了Prime Air服务,一架8旋翼无人机,半小时内可以将一件五磅重的快递送到目的地。在国内,多家电力公司利用多旋翼无人机进行电力巡检和放线。广东中山、河北廊坊等地区已经开始采用多旋翼无人机喷洒农药。2015年常州警方利用多旋翼无人机侦察,成功侦破了一起化工原材料盗窃大案。无人机作为一种新科技,正潜移默化地改变着人类的生活方式。在地震应急救灾中,无人机因其机动灵活、现势性强、作业成本低和高分辨率等特点,可以第一时间到达救援人员无法到达的危险区域,及时获取灾区影像数据并实时回传,为灾区的灾害排查、灾情评估、人员安置、救灾力量部署等应急工作提供科学依据。近年来,无人机影像获取系统作为震后快速获取灾情信息的重要手段,在2008年汶川地震(龚建华,赵忠明,2008)、2010年玉树地震(陆博迪等,2011)、2011年盈江地震(温奇等,2012)、2013年芦山地震(王晓青等,2015; 刘亢,尚红,2013)、2014年鲁甸地震(桂新,祝红英,2015)、2015年沧源地震(李超等,2015)等历次地震应急救灾工作中发挥了巨大作用。

目前无人机类型达数百种之多,其分类方法也多种多样,按照机翼形式可分为固定翼无人机和多旋翼无人机(刘昌军等,2014)。固定翼无人机具有飞行速度快、动力效率高、飞行高度高、续航远等优点,但是存在起飞和降落场地要求较高、受低空紊流响应较大、无法在指定位置悬停、航线规划设计和数据处理耗时较长影响时效性、受航空飞行管制难以经常性展开等问题。旋翼无人机的体积和作业半径小、可垂直起降、可在空中悬停,相比固定翼无人机,对场地及气象条件要求较低,在获取小区域高分辨率遥感影像方面具有更强的时效性(李超等,2015; 李翔,2016)。云南地形复杂、西北高东南低、海拔高差悬殊、高山峡谷相间、交通等基础设施落后,加之,云南地区地震发生频率高、灾害重,应急救援难度大,因此基于旋翼无人机的影像获取系统更适用于云南地震应急工作。

本文介绍了旋翼无人机的影像获取系统组成、特点和基于旋翼无人机的建筑物抗震能力调查技术,并以旋翼无人机在2016年云南重点监视防御区建筑物抗震能力调查中的应用为例,初步探讨了旋翼无人机在云南地震应急准备工作中的应用。

旋翼无人机的机械结构简单,具有小巧轻便、操作简单、环境适应性较强等优点。云南高原山区海拔高、气流变化快、作业面积较平原地区小。旋翼无人机以智能电池为动力,采用垂直起降方式,对场地条件要求低,满足高原山区野外作业要求。在飞控方面,旋翼无人机地面飞行控制灵活,可在空中自由悬停,对飞控手的要求也较低。常见的旋翼无人机包括四旋翼无人机、六旋翼无人机、八旋翼无人机、Y型无人机、H型无人机、单旋翼直升机等多种类型。不同类型的旋翼无人机在实用载荷、抗风能力等方面的性能有所差别,在实际应用中要根据任务要求和飞行环境来选择合适的机型。

旋翼无人机影像获取系统以旋翼无人机为飞行平台,搭载数码相机或数码摄录机获取地面影像信息,飞行过程中可同步传输影像并实时处理,产出正射影像地图等数据成果。无人机影像获取系统由无人机航摄平台、地面控制系统、数据处理系统组成,如图1所示。

图1 旋翼无人机影像获取系统组成
Fig.1 Structure of image-acquisition system of the rotor UAV

基于旋翼无人机影像获取系统的建筑物抗震能力调查主要由前期准备、航拍和数据处理3个阶段组成。前期准备阶段主要包括图上作业、定点勘察、飞行条件测试、航线设计和飞行指令传输等。在云南高原山区特别要注意风力、天气以及高山峡谷的精确海拔数据。航拍阶段实时监视无人机飞行状态,保证无人机按照预设航线和高度飞行。

数据处理阶段主要包括照片拼接、三维建模、建筑物信息识别和抗震能力评估4个方面。旋翼无人机获取影像受无人机飞行高度和相机焦距的限制,很难用一张照片来拍下整个目标区域。照片拼接就是将有一定重合区域的大数量航拍影像,进行空间配准、图像融合后,形成视野范围较大的地面全景图像(DOM),以达到扩展调查范围的目的(吴荣华等,2012; 温奇等,2012)。

无人机获取影像分为正射影像和倾斜摄影影像两大类。正射影像是指垂直于地面拍摄获取的影像,影像范围较广,可拼接得到全景图,宏观把握区域房屋面积和房屋类型。但是正射影像存在只能垂直拍摄建筑物屋顶的局限性,不能表达建筑物侧面墙体信息。倾斜摄影是指从多个角度完整获取建筑物表面纹理信息,无人机倾斜摄影获取的影像一方面可用来获取重点关注区域信息,例如房屋墙体、层高、建筑物材料等,另一方面,利用影像处理软件生成三维点云模型,可更直观地表现某个建筑物的结构,并基于三维立体模型进行建筑物测量。因此,基于旋翼无人机影像获取系统的建筑物抗震能力调查中,利用正射影像拼接获得目标区域全景图,可以反映区域建筑物面积、数量、类型等基本情况,倾斜摄影影像反映局部关注信息,可以了解房屋高度、墙体、建筑物用材等信息,并建立单体建筑物三维点云模型。基于旋翼无人机影像获取系统的建筑物抗震能力调查技术流程如图2所示。

由于旋翼无人机具有机动灵活、对场地要求低、不用申请空域等特点,其在高原山区的优势更加明显。云南地形复杂,山区占全省国土总面积94%,居民点多数分布在高山峡谷区,利用旋翼无人机可以快速获得人工难以得到的大范围房屋影像数据。无人机获取的影像数据通过软件拼接能够快速产出目标区域的建筑物正射全景图和三维模型,为建筑物抗震能力调查评估提供数据支撑,有效提高工作效率。通过旋翼无人机在云南重点监视防御区建筑物抗震能力调查中的实践,获得以下几点认识和结论:

(1)天气对旋翼无人机的飞行安全影响很大,大风、下雨、温度过低等特殊天气状况下旋翼无人机不能正常飞行,工作人员应提前做好无人机飞行条件评估工作。

(2)旋翼无人机的飞行距离不长,续航时间较短,在云南复杂的作业环境手动控制方式比自动程控方式更具有操作性。云南高原山区气流变化快,无人机飞行过程应尽量采取手动控制,遇到风向、风力突变等突发情况能够及时应变,保证飞行安全。旋翼无人机拍照方式有定距拍摄、定时拍摄、手动拍摄3种,其中定距拍摄的照片容易有偏移,定时拍摄的照片容易出现照片数量较少或过多的问题,手动拍照方式获取的照片重叠度和覆盖度更高。

(3)无人机正射摄影和倾斜摄影相结合可以获得更全面、准确的房屋基础信息。无人机正射影像拼接的全景图能够反映区域建筑物宏观基本信息,倾斜摄影获取的影像能够反映房屋墙体、结构等重点局部信息,实现建筑物的三维可视化。

(4)无人机获取影像配合人工调查可以提高建筑物抗震能力评估结果的准确性。旋翼无人机获取的影像不能透视房屋内部结构情况,例如承重构件等信息需要人工入户调查。旋翼无人机作为一种快速获取影像数据的技术手段,在建筑物抗震能力调查评估中发挥重要作用,但不能完全替代人工调查。

目前旋翼无人机技术处于快速发展期,随着旋翼无人机续航时间、飞行器性能的不断提高,旋翼无人机技术在地震预评估、地震地质勘查等地震应急准备工作中的应用将越来越广泛。然而旋翼无人机影像获取系统也存在不足的地方,如没有专门的基于无人机获取影像的建筑物抗震能力评估信息识别软件,需要通过目视判断、图上测量和计算来提取建筑物类型、各类房屋所占比例等信息。另外旋翼无人机在地震应急工作中的应用还未成熟,也没有相应的工作机制。在今后的研究中,还需要对这些方面做深入的探索。