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试析在台风灾害中无人机遥感技术的应用
摘要：近些年，我国沿海地区城市发展迅猛，对台风防范和安全保障的要求日益增长，以无人机遥感技术为基础，构建高精度三维地理模型，协同现有的台风监测平台，建立一个集台风实时监测、预报预警、撤离安置、灾前灾后对比和救援指导等功能的综合性平台，为更好防范台风、做好救助工作提供技术支持。
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目前台风的监测预报主要是依靠卫星影像，静止的气象卫星对台风实时定位的精度高，能精确地检测台风登陆时间地点和产生的影响。极轨气象卫星具有大气三维探测能力，为分析台云雨结构和风内部热力提供了重要支撑，是研究台风路径和做出强度预报的主要依据[1]。2016年发射的风云四号A星（静风云止卫星）所获取的高时空分辨率图像的空间分辨率为500米，观测分辨率时间为15分钟。然而卫星是位于云上获取相关台风图像数据，无法观测到发生台风灾害时，云层之下建筑物、植被、山体等具体现状，对于小区域的卫星的精度很难达到要求，运用无人机遥感技术能很好解决以上问题。
1、背景
2019年2月26日，第51次届亚太经社会/世界气象组织台风委员会召开，佩蒂瑞·塔拉斯在会议上说道：“气候变暖使台风变得越来越强，造成的经济损失不断攀升。”我国台风委员会的数据显示，西北太平洋和南海在2018年间便有29个台风扫过，台风数量高于1981至2010年的平均数量，其间，有18个台风均在夏季产生，与1994年夏季产生的台风数量相同，并列为1951年以来夏季生成台风数量最多的年份，更值得注意的是，2018年的台风中有7个达到了超强台风级别，为1977年以来最多[2]。
无人机遥感技术是指联合无人驾驶飞行器技术、通信技术、遥感遥控技术、遥感传感器技术和GPS差分定位技术，能在短时间内获取一系列精确的空间信息，如台风肆虐区域影像、自然环境状况、各类资源分布情况等信息，并用获取的空间信息处理后构建三维立体模型，并用于多种分析的应用技术。该种技术可以有效补充航空航天遥感等其他遥感技术的不足，如易受云层遮挡、获取数据过程较为复杂、影像数据分辨率较低等，具有快速反应、分辨率高、自主性强、操作简单的特点[3]。基于传统的台风监控平台，配合无人机低空实时观测，可以实现我国区域范围内台风精细化预报。
2、台风灾害区域进行无人机遥感测绘
2.1数据的获取
以轻小型无人机为搭载平台，搭载遥感硬件设备（航测模块、倾斜摄影模块、LiDAR模块等），配合地面辅助设备（地面遥控系统、影像传输系统智能飞控系统等），共同组成无人机地理信息采集系统，以此来精确的获得地表面纹理信息[4,5]。对于部分区域照片质量存在严重问题的或是缺少的，需要对该区域进行重新拍摄，对于部分视角盲区则需要人员去现场进行地面拍照获取影像数据，具体流程见图1。
图1无人机遥感摄影数据获取流程
本次航拍采用的是广州南方无人机技术有限公司生产的天行HO1300八旋翼无人机，两轴云台挂载五镜头相机对广州南沙市某片区进行多角度数据采集，具体无人机参数见表1，测区面积约为5平方千米，采用井字形的采集方法，航摄参数见表2，获得约20000张影像，影像数据大小245GB。
表1无人机参数
表2航摄参数
2.2数据的处理
采集到的纹理影像数据后，运用制图软件对其进行加工处理，主要工作内容是解决影像透视形变问题，还原为正视纹理影像数据，接着通过专业软件（如Smart3D、Pix4D、3Dmax等）构建出高质量、高精度的3D倾斜模型，该过程如图2所示。并且可以输出OSGB、OBJ或3ds等多种文件格式，以便后续导入到其他专业软件中。通过无人机遥感技术测绘出的3D倾斜模型可达到0.05的分辨率，并且通过该种方式得到的CIM（城市信息模型）三维数据更精确、直观与高效。
图2影像数据处理及建模过程
Smart3DContextCapture软件操作较为简便，生产出的模型效果更为精细准确，因此本次采用该软件制作该测区的倾斜三维模型。将获取的倾斜影像数据添加到该软件中，并导入相应的POS数据，建立测区并设置测区模型参数后，软件自动对图像进行预处理与特征提取，运用点匹配算法得到密集三维点云数据，重建表面获取表面网格模型，最后纹理贴图形成三维城市模型。由于得到的成果模型部分区域存在明显漏洞或清晰度不足，因此进行了二次影像数据采集，并再此导入软件，进行二次重建，最终得到了该测区精细的三维模型，见图3。
图3三维模型成果图
2.3三维模型的应用
通过无人机遥感技技术，制作得到测区的实景三维模型，再以该模型为载体，立体展示城市现状，将中国气象部门天气雷达、气象卫星、站点实况和数值预报等基本信息加载于模型上，设置相关功能模块，构建现代化人机交互台风专用智能平台，其功能模块如表3所示。
表3台风专用智能平台功能模块
3、台风专用智能平台协同无人机的运用
3.1在台风预报中的运用
在台风预报工作中，以卫星为主，协同无人机，在平台中进行三维台风模拟，动态模拟台风过境的全过程，可视化地反映台风逼近时间、强度变化、行走路径和影响范围等信息，有利于相关部门更好地了解台风实际情况，更好地拟定台风灾害应对策划，把灾害损失降到最小。如高新兴科技集团的构建的立体防控云防系统在此方面具有突出优势，通过高点增强摄像机的鸟瞰视角观察、调度低点监控的资源，实现立体监控，在统一门户下完成多个网格、重点区的防控指挥作战任务[6]。制作相应片区三维台风信息网页，方便市民了解台风动向，提前制定出行方案，做好防范措施，有效避免事故的发生。
3.2在撤离安置工作中的运用
对于一些人口密集且经济发达的沿海地区，台风侵袭前，各级防汛部门需要对海塘外作业施工人员和危旧房屋、工地临房、田间窝棚内等各类人员安排有秩序的区域性撤离安置工作，以确保市民人身安全。结合平台，根据台风等级、行进路线等，各部门有效快速做出分析，制定出人员疏散撤离方案，在平台上用不同颜色标记出紧急避难和安置场所，并在平台上加载各场所负责人、联系方式、避难人数，物资数量等信息，方便各区域了解附近避难场所相关信息，尽快取得联系，并事先在平台上模拟撤离过程，提前规划好撤离路线，及时发现问题，做好相关防范措施。平台按就近、方便的原则拟定初步安置方案，防汛部门人工调整并通过平台联系相关人员，落实疏散安置的住所，保证物资的充足[7]。
3.3在台风监控管理中的运用
台风横扫时，往往伴随有乌云、强风等恶劣天气，卫星测量和高空航空摄影测量往往容易被云层遮挡，导致采集到的影像的资料分辨率较低。目前为弥补高空影像分辨率较低的情况，有效的观测地面状况，多采用固定摄像头来监测，将这些摄像头的事实录像连接到平台上，实时观测特定区域是否因台风遭到影响，该种方式缺乏灵活机动性。利用无人机在低空中进行航拍监控，不仅不受云层遮挡，还可根据实际情况调整位置进行监控，弥补上述两类摄影测量方法的不足，根据获取到的影像数据，并关联实时摄像头，打造高分辨率实时三维实况观测台风，及时了解台风的最新情况，密切关注台风动向[8]。
3.4在灾后救助工作中的运用
对台风过境后的区域再次用无人机进行航拍，快速查灾核灾[9]。根据无人机得到的结果，确定需要救助的地点，及时安排救援队前去支援，协助各部门重点做好受难群众的营救、道路的清理、积水的疏通等工作，实时巡查救助现况，及时上报出现的问题。例如浙江大华技术股份的可视化应急指挥调度系统功能，将语音调度、视频监控、视频会商、预案管理以及安防业务应用到该智能平台上，利用无人机迅速核查房屋、粮食作物受灾、经济作物受灾的具体情况，快速掌握受灾资料，并在平台上存档备案，为下一步开展救助工作奠定基础[10,11]。
3.5在灾后重建工作中的运用
被台风肆虐后的区域往往会遭到严重破坏，灾后重建的工作较为繁重。目前天地伟业技术有限公司的水利影像监测仪主要利用AI人工智能影像识别技术，实现智能控制闸门启闭、监控水位、识别漂浮物、水岸垃圾等，运用无人机对整个城市进行航拍排查，得到的数据作为AI识别的基础资料，二次建模存档于平台中，形成在前灾后三维可视化对比[12,13]。对于出现电力基础设施受损的地区，用搭载LiDAR的无人机排查现场状况，准确找到坍塌的电力设施，迅速安排专业人员到达现场抢修，通过这种方式可以省去大量人力资源，大幅度缩短救援时间，给灾后重建工作带来极大便利。根据现场状况，针对需要重建的建筑物或构筑物，将其拟建的单体化模型放到平台相应的位置，可三维旋转查看其拟建效果，与建后实景效果相同，有利于相关单位对重建建筑做出相关决策与合理安排。
4、结语
运用无人机对台风灾害城市多方位多角度拍摄测量，获取城市地表数据并构建出城市三维模型，对于需要特别监控的建筑，可结合激光扫描技术，完成室内环境三维建模，不仅能反映建筑外表情况，还可反映建筑内部构造，做到部分建筑室内外超精细化的监控与管理。以此为基底制作出台风灾害系统的承载平台，后续在此平台上加载多项拓展功能，如加入AR技术、VR技术，进一步挖掘潜在功能，望有关学者在此上方面进行进一步探索研究，帮助相关部门更好更快地做好台风来临前的预控预警工作，以及台风横扫后的灾后求助重建工作，从而有效减少因台风灾害带来的伤亡人数和经济损失[14,15]。
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基金:基于BIM+GIS的城市空间大数据集成平台研究与开发(2019K-156),住房与城乡建设部科学计划项目.
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夏季灾害性天气发生较为频繁，也是自然灾害中对群众影响最大、造成财产损失最为严重的季节。本文通过分析夏季灾害性天气的特点，对阶段灾害性天气预报预警系统的发展中存在的问题，以及其未来的发展方向和应当采取的措施进行讨论，为减少夏季灾害性天气带来的生命、财产损失，做出一定贡献。
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水土流失不仅影响人类赖以生存的土地资源,还会淤积河道造成严重的洪涝灾害,目前已经成为影响生态安全的重要问题。而水力侵蚀引起的水土流失在所有土壤侵蚀方式中危害最大,目前全球受水力侵蚀困扰的面积达1100万km2,对人类发展及气候变化有重要影响。贵州省黔南地区水热资源充沛、地形起伏,十分有利于水土流失的发生和发展,喀斯特地貌在该地区分布广泛,严重的水土流失势必会加剧石漠化现象。
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细沟侵蚀是坡面侵蚀的主要方式之一,其侵蚀泥沙量可达到坡面总侵蚀量的70%以上,是导致土地退化、面源污染等环境问题的重要原因[1,2,3]。研究细沟演化的过程与机理对保护土地资源、维持生态环境高质量发展具有重要意义。细沟侵蚀受降雨、地形、土壤质地与地表状况等因素的综合影响,这些因素均是通过增强或削弱降雨径流侵蚀能力和土壤抗侵蚀能力来影响细沟发育[4,5,6,7]。
2020-11-25
贵州省黔东南是典型的春雹发生区，春季冰雹日数占全年冰雹日数的62.7%[1]。冰雹的发生具有突发性强，来时猛，破坏力大等特点，给农业生产造成极大经济损失。2020年3月22日，全州10县（市）26乡镇出现冰雹，最大直径约40mm，造成受灾24726人，农作物受灾面积454公顷，房屋一般损坏4689户9772间，直接经济损失3155.85万元。
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社会经济的快速发展以及城市化过程的加速，使得发生洪水灾害时带来的损失巨大，已经成为我们自然灾害中损失最严重的灾害,据有关部门统计，我国每年因洪涝灾害造成的经济损失多于100亿元[1]。为了保障居民生命财产安全，尽量减少洪水损失，就需要提前制定防洪策略，优化应急转移管理方案。
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针对民乐县严重的山洪灾害问题，当地政府加快落实山洪灾害防治规划，提高当地山洪灾害防御能力。利用非工程措施防治规划山洪灾害，及时规避山洪灾害，避免山洪灾害引发人员伤亡和财产损失。建设监测站网可以及时掌握山洪灾害的水文资料，在防治区域中设置自动雨量站和自动水位雨量站，完善山洪灾害监测站网。
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2020-09-15我要评论
期刊名称：气象科学
期刊人气：1603
主管单位：江苏省气象局
主办单位：江苏省气象学会
出版地方：江苏
专业分类：科学
国际刊号：1009-0827
国内刊号：32-1243/P
创刊时间：1980年
发行周期：双月刊
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2020-06-11
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