旋翼無(wú)人機(jī)在建筑物抗震能力調(diào)查中的應(yīng)用

和仕芳 鄧樹(shù)榮 張方浩 杜浩國(guó) 曹彥波 余慶坤

摘要：介紹旋翼無(wú)人機(jī)的工作原理和技術(shù)流程，以無(wú)人機(jī)在2016年云南重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)建筑物抗震能力調(diào)查中的應(yīng)用為例，對(duì)其獲取的12個(gè)調(diào)查點(diǎn)的房屋影像數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)和照片拼接處理，并對(duì)產(chǎn)出的正射影像全景圖和三維點(diǎn)云模型進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，旋翼無(wú)人機(jī)在云南山區(qū)具有明顯優(yōu)勢(shì)，可作為一種快速獲取影像數(shù)據(jù)的技術(shù)手段，為區(qū)域建筑物抗震能力評(píng)估提供有效的基礎(chǔ)信息。

關(guān)鍵詞：旋翼無(wú)人機(jī)；影像獲??；地震應(yīng)急；建筑物抗震能力

中圖分類號(hào)：P315-39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2016）04-0673-07

0 引言

無(wú)人駕駛飛機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，簡(jiǎn)稱UAV），是一種有動(dòng)力、可控制、能攜帶多種設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)并能重復(fù)使用的無(wú)人駕駛航空器，簡(jiǎn)稱無(wú)人機(jī)（馬子路等，2013；熊自明，閆鶴，2013；田凱，2013）。無(wú)人機(jī)最早出現(xiàn)于1917年，早期的無(wú)人機(jī)主要用作軍事目的上的靶機(jī)以及作戰(zhàn)、偵查飛行平臺(tái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛（邵金強(qiáng)，2014；黃春雷，2015；張啟元，2015）。無(wú)人機(jī)通過(guò)搭載不同的實(shí)用載荷，可用于高空監(jiān)控、災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估、輸電線路巡檢、工程檢測(cè)、電視節(jié)目錄制、農(nóng)林植保、派送快件、地圖測(cè)繪、應(yīng)急救援等各行各業(yè)中（鄒春海等，2016）。在國(guó)外，已經(jīng)有牧民開(kāi)始利用旋翼無(wú)人機(jī)取代牧羊犬來(lái)放羊。而在2013年亞馬遜底首次公開(kāi)展示了Prime Air服務(wù)，一架8旋翼無(wú)人機(jī)，半小時(shí)內(nèi)可以將一件五磅重的快遞送到目的地。在國(guó)內(nèi)，多家電力公司利用多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行電力巡檢和放線。廣東中山、河北廊坊等地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始采用多旋翼無(wú)人機(jī)噴灑農(nóng)藥。2015年常州警方利用多旋翼無(wú)人機(jī)偵察，成功偵破了一起化工原材料盜竊大案。無(wú)人機(jī)作為一種新科技，正潛移默化地改變著人類的生活方式。在地震應(yīng)急救災(zāi)中，無(wú)人機(jī)因其機(jī)動(dòng)靈活、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)、作業(yè)成本低和高分辨率等特點(diǎn)，可以第一時(shí)間到達(dá)救援人員無(wú)法到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域，及時(shí)獲取災(zāi)區(qū)影像數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)回傳，為災(zāi)區(qū)的災(zāi)害排查、災(zāi)情評(píng)估、人員安置、救災(zāi)力量部署等應(yīng)急工作提供科學(xué)依據(jù)。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)影像獲取系統(tǒng)作為震后快速獲取災(zāi)情信息的重要手段，在2008年汶川地震（龔建華，趙忠明，2008）、2010年玉樹(shù)地震（陸博迪等，2011）、2011年盈江地震（溫奇等，2012）、2013年蘆山地震（王曉青等，2015；劉亢，尚紅，2013）、2014年魯?shù)榈卣穑ü鹦?，祝紅英，2015）、2015年滄源地震（李超等，2015）等歷次地震應(yīng)急救災(zāi)工作中發(fā)揮了巨大作用。

目前無(wú)人機(jī)類型達(dá)數(shù)百種之多，其分類方法也多種多樣，按照機(jī)翼形式可分為固定翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)（劉昌軍等，2014）。固定翼無(wú)人機(jī)具有飛行速度快、動(dòng)力效率高、飛行高度高、續(xù)航遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但是存在起飛和降落場(chǎng)地要求較高、受低空紊流響應(yīng)較大、無(wú)法在指定位置懸停、航線規(guī)劃設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理耗時(shí)較長(zhǎng)影響時(shí)效性、受航空飛行管制難以經(jīng)常性展開(kāi)等問(wèn)題。旋翼無(wú)人機(jī)的體積和作業(yè)半徑小、可垂直起降、可在空中懸停，相比固定翼無(wú)人機(jī)，對(duì)場(chǎng)地及氣象條件要求較低，在獲取小區(qū)域高分辨率遙感影像方面具有更強(qiáng)的時(shí)效性（李超等，2015；李翔，2016）。云南地形復(fù)雜、西北高東南低、海拔高差懸殊、高山峽谷相間、交通等基礎(chǔ)設(shè)施落后，加之，云南地區(qū)地震發(fā)生頻率高、災(zāi)害重，應(yīng)急救援難度大，因此基于旋翼無(wú)人機(jī)的影像獲取系統(tǒng)更適用于云南地震應(yīng)急工作。

本文介紹了旋翼無(wú)人機(jī)的影像獲取系統(tǒng)組成、特點(diǎn)和基于旋翼無(wú)人機(jī)的建筑物抗震能力調(diào)查技術(shù)，并以旋翼無(wú)人機(jī)在2016年云南重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)建筑物抗震能力調(diào)查中的應(yīng)用為例，初步探討了旋翼無(wú)人機(jī)在云南地震應(yīng)急準(zhǔn)備工作中的應(yīng)用。

1 旋翼無(wú)人機(jī)工作原理

旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有小巧輕便、操作簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。云南高原山區(qū)海拔高、氣流變化快、作業(yè)面積較平原地區(qū)小。旋翼無(wú)人機(jī)以智能電池為動(dòng)力，采用垂直起降方式，對(duì)場(chǎng)地條件要求低，滿足高原山區(qū)野外作業(yè)要求。在飛控方面，旋翼無(wú)人機(jī)地面飛行控制靈活，可在空中自由懸停，對(duì)飛控手的要求也較低。常見(jiàn)的旋翼無(wú)人機(jī)包括四旋翼無(wú)人機(jī)、六旋翼無(wú)人機(jī)、八旋翼無(wú)人機(jī)、Y型無(wú)人機(jī)、H型無(wú)人機(jī)、單旋翼直升機(jī)等多種類型。不同類型的旋翼無(wú)人機(jī)在實(shí)用載荷、抗風(fēng)能力等方面的性能有所差別，在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)任務(wù)要求和飛行環(huán)境來(lái)選擇合適的機(jī)型。

旋翼無(wú)人機(jī)影像獲取系統(tǒng)以旋翼無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)，搭載數(shù)碼相機(jī)或數(shù)碼攝錄機(jī)獲取地面影像信息，飛行過(guò)程中可同步傳輸影像并實(shí)時(shí)處理，產(chǎn)出正射影像地圖等數(shù)據(jù)成果。無(wú)人機(jī)影像獲取系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)航攝平臺(tái)、地面控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，如圖1所示。

2 基于旋翼無(wú)人機(jī)的建筑物抗震能力調(diào)查技術(shù)路線

基于旋翼無(wú)人機(jī)影像獲取系統(tǒng)的建筑物抗震能力調(diào)查主要由前期準(zhǔn)備、航拍和數(shù)據(jù)處理3個(gè)階段組成。前期準(zhǔn)備階段主要包括圖上作業(yè)、定點(diǎn)勘察、飛行條件測(cè)試、航線設(shè)計(jì)和飛行指令傳輸?shù)?。在云南高原山區(qū)特別要注意風(fēng)力、天氣以及高山峽谷的精確海拔數(shù)據(jù)。航拍階段實(shí)時(shí)監(jiān)視無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)，保證無(wú)人機(jī)按照預(yù)設(shè)航線和高度飛行。

數(shù)據(jù)處理階段主要包括照片拼接、三維建模、建筑物信息識(shí)別和抗震能力評(píng)估4個(gè)方面。旋翼無(wú)人機(jī)獲取影像受無(wú)人機(jī)飛行高度和相機(jī)焦距的限制，很難用一張照片來(lái)拍下整個(gè)目標(biāo)區(qū)域。照片拼接就是將有一定重合區(qū)域的大數(shù)量航拍影像，進(jìn)行空間配準(zhǔn)、圖像融合后，形成視野范圍較大的地面全景圖像（DOM），以達(dá)到擴(kuò)展調(diào)查范圍的目的（吳榮華等，2012；溫奇等，2012）。

無(wú)人機(jī)獲取影像分為正射影像和傾斜攝影影像兩大類。正射影像是指垂直于地面拍攝獲取的影像，影像范圍較廣，可拼接得到全景圖，宏觀把握區(qū)域房屋面積和房屋類型。但是正射影像存在只能垂直拍攝建筑物屋頂?shù)木窒扌?，不能表達(dá)建筑物側(cè)面墻體信息。傾斜攝影是指從多個(gè)角度完整獲取建筑物表面紋理信息，無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的影像一方面可用來(lái)獲取重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域信息，例如房屋墻體、層高、建筑物材料等，另一方面，利用影像處理軟件生成三維點(diǎn)云模型，可更直觀地表現(xiàn)某個(gè)建筑物的結(jié)構(gòu)，并基于三維立體模型進(jìn)行建筑物測(cè)量。因此，基于旋翼無(wú)人機(jī)影像獲取系統(tǒng)的建筑物抗震能力調(diào)查中，利用正射影像拼接獲得目標(biāo)區(qū)域全景圖，可以反映區(qū)域建筑物面積、數(shù)量、類型等基本情況，傾斜攝影影像反映局部關(guān)注信息，可以了解房屋高度、墻體、建筑物用材等信息，并建立單體建筑物三維點(diǎn)云模型?；谛頍o(wú)人機(jī)影像獲取系統(tǒng)的建筑物抗震能力調(diào)查技術(shù)流程如圖2所示。

3 應(yīng)用實(shí)踐

3.1 航攝區(qū)域

2016年1月19～25日，地震系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)調(diào)研工作組利用四旋翼無(wú)人機(jī)獲取云南重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的建筑物基礎(chǔ)信息，用于建筑物抗震能力評(píng)估。航攝區(qū)域位于云南西北部橫斷山區(qū)，地形復(fù)雜、海拔高差大、天氣多變。選取的航拍調(diào)查點(diǎn)共12個(gè)，無(wú)人機(jī)飛行環(huán)境包括高山峽谷、高原盆地、高原山地等云南典型地形地貌，最高海拔2 500 m，最低海拔1 460 m，最大海拔差1 040 m。航攝對(duì)象包括農(nóng)村居民點(diǎn)、城鎮(zhèn)居民點(diǎn)，涉及大理州、麗江市、保山市、楚雄州、玉溪市5個(gè)州（市），航拍總面積3.38 km2。圖3為無(wú)人機(jī)航拍調(diào)查點(diǎn)示意圖。

3.2 數(shù)據(jù)處理

旋翼無(wú)人機(jī)獲取照片共1 292張，包括正射影像676張和傾斜攝影影像616 張，數(shù)據(jù)總大小約7G。航攝平均海拔1 797 m，航拍高度47～160 m。根據(jù)目視觀察和計(jì)算機(jī)自動(dòng)快速檢查產(chǎn)出的精度報(bào)告，圖像清晰度和重疊度滿足建筑物信息識(shí)別及照片拼接要求。通過(guò)對(duì)比分析，航拍高度越高，獲取的影像面積越大，在建筑物抗震能力調(diào)查中，為獲取更大范圍的建筑物影像，正射航拍的高度較高，而較低飛行高度獲得的傾斜攝影影像更便于觀察建筑物結(jié)構(gòu)。

無(wú)人機(jī)獲取的原始影像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢查，剔除重疊度低、圖像質(zhì)量不好的影像之后，利用影像處理軟件進(jìn)行照片拼接和三維建模。拼接照片數(shù)最多為107張，最少為21 張，拼接照片最大高差是13.6 m，照片重疊度越高，照片拼接效果越好。利用高性能移動(dòng)圖形工作站，以高精度處理模式處理100 M數(shù)據(jù)，照片拼接平均耗時(shí)約12 min，照片拼接能夠多任務(wù)并行處理，具有拼接速度快、處理數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)。具體拼接影像信息如表1所示。調(diào)查點(diǎn)地點(diǎn)時(shí)間年-月-日海拔/m天氣航拍面積/km2平均航高/m航高差值/m拼接幅數(shù)/張拼接數(shù)據(jù)大小/M拼接耗時(shí)/min

1大理州祥云縣下莊鎮(zhèn)老張營(yíng)村2016-01-191 900晴0.461580.82515518

2麗江市寧蒗縣紅喬鄉(xiāng)2016-01-202 500晴0.321001.56942245

3麗江市永勝縣永北鎮(zhèn)興營(yíng)村委會(huì)方家村2016-01-202 200陰0.261006.66943050

4麗江市永勝縣三川鎮(zhèn)2016-01-211 700晴0.071600.93019321

5麗江市永勝縣程海鎮(zhèn)興義村2016-01-211 500陰0.11106.16641243

6大理州賓川縣大營(yíng)鎮(zhèn)上地苴村2016-01-211 600陰0.071000.77448453

7保山市施甸縣仁和鎮(zhèn)2016-01-221 460晴0.23150110767668

8楚雄州城區(qū)2016-01-231 780小雨0.05470.82113013

9楚雄州雙柏縣妥甸鎮(zhèn)灑利黑村2016-01-241 970雨夾雪0.0410012717121

10玉溪市易門(mén)縣六街鎮(zhèn)茶樹(shù)村2016-01-241 690小雨0.671003.410449861

11玉溪市紅塔區(qū)大營(yíng)街鎮(zhèn)大營(yíng)街村2016-01-251 620陰0.9911013.68640543

12玉溪市江川縣九溪鎮(zhèn)河口村2016-01-251 650陰0.121502.59745049

3.3 數(shù)據(jù)成果分析

3.3.1 正射影像全景圖

正射影像圖通過(guò)拼接產(chǎn)出DOM（正射影像圖）、DSM（數(shù)字表面模型）、KML瓦片數(shù)據(jù)、高程Shap格式文件等數(shù)據(jù)成果。其中應(yīng)用最多的是正射影像全景圖，根據(jù)全景圖可全面、直觀地了解調(diào)查點(diǎn)建筑物類型、數(shù)量、面積等基本信息。無(wú)人機(jī)獲取影像拼接的全景圖分辨率和清晰度滿足建筑物識(shí)別的一般需求。以玉溪市易門(mén)縣六街鎮(zhèn)茶樹(shù)村全景圖（圖5）為例，結(jié)合傾斜攝影影像可看出該村以土木結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)房屋為主，建筑物總面積0.31 km2，土木結(jié)構(gòu)房屋占84%，磚混結(jié)構(gòu)房屋占10%，還有極少數(shù)的磚木結(jié)構(gòu)房屋，92%的房屋為二層建筑，其他為平房和三層建筑。通過(guò)正射影像全景圖能夠較為全面、準(zhǔn)確地把握當(dāng)?shù)胤课萁ㄖ闆r，為評(píng)估當(dāng)?shù)亟ㄖ锟傮w抗震水平提供數(shù)據(jù)支撐，不僅節(jié)省人力、物力，而且信息獲取方便、準(zhǔn)確度高。

3.3.2 三維點(diǎn)云模型

利用33張傾斜攝影照片嘗試構(gòu)建大理州賓川縣大營(yíng)鎮(zhèn)上地苴村某四合院建筑的傾斜攝影三維點(diǎn)云模型（圖6），由圖6可知，該村房屋以磚木結(jié)構(gòu)為主，是滇西北地區(qū)典型的“三坊一照壁”民居型式。構(gòu)建的三維點(diǎn)云模型總體能夠呈現(xiàn)該建筑物立體視覺(jué)效果，直觀了解建筑物結(jié)構(gòu)、墻體等詳細(xì)信息，不足之處是，由于傾斜攝影角度和照片數(shù)量不夠多，造成三維點(diǎn)云模型有“黑洞”現(xiàn)象。利用傾斜攝影影像構(gòu)建三維點(diǎn)云模型對(duì)照片重疊度的要求高，需要360°無(wú)死角拍攝，專業(yè)性強(qiáng)，拍攝照片數(shù)量大，在地震應(yīng)急工作中，尤其是地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急特定周期內(nèi)涉及的不多。

4 結(jié)論與討論

由于旋翼無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、對(duì)場(chǎng)地要求低、不用申請(qǐng)空域等特點(diǎn)，其在高原山區(qū)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。云南地形復(fù)雜，山區(qū)占全省國(guó)土總面積94%，居民點(diǎn)多數(shù)分布在高山峽谷區(qū)，利用旋翼無(wú)人機(jī)可以快速獲得人工難以得到的大范圍房屋影像數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)通過(guò)軟件拼接能夠快速產(chǎn)出目標(biāo)區(qū)域的建筑物正射全景圖和三維模型，為建筑物抗震能力調(diào)查評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐，有效提高工作效率。通過(guò)旋翼無(wú)人機(jī)在云南重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)建筑物抗震能力調(diào)查中的實(shí)踐，獲得以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和結(jié)論：

（1）天氣對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)的飛行安全影響很大，大風(fēng)、下雨、溫度過(guò)低等特殊天氣狀況下旋翼無(wú)人機(jī)不能正常飛行，工作人員應(yīng)提前做好無(wú)人機(jī)飛行條件評(píng)估工作。

（2）旋翼無(wú)人機(jī)的飛行距離不長(zhǎng)，續(xù)航時(shí)間較短，在云南復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境手動(dòng)控制方式比自動(dòng)程控方式更具有操作性。云南高原山區(qū)氣流變化快，無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程應(yīng)盡量采取手動(dòng)控制，遇到風(fēng)向、風(fēng)力突變等突發(fā)情況能夠及時(shí)應(yīng)變，保證飛行安全。旋翼無(wú)人機(jī)拍照方式有定距拍攝、定時(shí)拍攝、手動(dòng)拍攝3種，其中定距拍攝的照片容易有偏移，定時(shí)拍攝的照片容易出現(xiàn)照片數(shù)量較少或過(guò)多的問(wèn)題，手動(dòng)拍照方式獲取的照片重疊度和覆蓋度更高。

（3）無(wú)人機(jī)正射攝影和傾斜攝影相結(jié)合可以獲得更全面、準(zhǔn)確的房屋基礎(chǔ)信息。無(wú)人機(jī)正射影像拼接的全景圖能夠反映區(qū)域建筑物宏觀基本信息，傾斜攝影獲取的影像能夠反映房屋墻體、結(jié)構(gòu)等重點(diǎn)局部信息，實(shí)現(xiàn)建筑物的三維可視化。

（4）無(wú)人機(jī)獲取影像配合人工調(diào)查可以提高建筑物抗震能力評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。旋翼無(wú)人機(jī)獲取的影像不能透視房屋內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況，例如承重構(gòu)件等信息需要人工入戶調(diào)查。旋翼無(wú)人機(jī)作為一種快速獲取影像數(shù)據(jù)的技術(shù)手段，在建筑物抗震能力調(diào)查評(píng)估中發(fā)揮重要作用，但不能完全替代人工調(diào)查。

目前旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)處于快速發(fā)展期，隨著旋翼無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間、飛行器性能的不斷提高，旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)在地震預(yù)評(píng)估、地震地質(zhì)勘查等地震應(yīng)急準(zhǔn)備工作中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。然而旋翼無(wú)人機(jī)影像獲取系統(tǒng)也存在不足的地方，如沒(méi)有專門(mén)的基于無(wú)人機(jī)獲取影像的建筑物抗震能力評(píng)估信息識(shí)別軟件，需要通過(guò)目視判斷、圖上測(cè)量和計(jì)算來(lái)提取建筑物類型、各類房屋所占比例等信息。另外旋翼無(wú)人機(jī)在地震應(yīng)急工作中的應(yīng)用還未成熟，也沒(méi)有相應(yīng)的工作機(jī)制。在今后的研究中，還需要對(duì)這些方面做深入的探索。

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