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【干货放送第七篇】无人机应急救援

2017-01-16 09:57:19 编辑 删除

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自然灾害具有突发性特点,灾害应急救援的关键是灾害发生后的快速反应。及时快捷的灾情信息对于及时制定救援策略,提高救援效率和质量起着至关重要的作用。目前,由于卫星遥感和载人航空遥感在获取灾害信息时受时空分辨率、外界环境和使用成本的影响,其在灾害应急救援过程中的作用受到限制。无人机航空遥感系统具有实时性强、机动灵活、影像分辨率高、成本低的特点,且能够在高危地区作业。

中文名:无人机应急救援

外文名:uav emergency rescue

目录

背景介绍

无人机概况

无人机航空遥感系统介绍

无人机航空遥感系统在灾害应急救援中的应用

•洪涝灾害监测评估

•气象灾害监测

•地质灾害巡查与防护

•地震灾害救援与灾情评估

无人机参与应急救援的具体表现

无人机应急救援优势

现存缺陷及相应解决办法

意义

背景介绍

我国地域广博,地质、自然条件复杂,是自然灾害频发的国家。灾害发生后,为了提高救援效率和质量,降低灾害损失程度,必须实施统一、高效、快速的应急救援。提高灾害应急救援效率的关键因素是迅速准确获取灾害发生后的灾情信息。无人机航空遥感系统具有实时性强、机动快速、影像分辨率高、经济便捷的特点,且能够在高危地区作业,非常适合于各种自然灾害的应急救援。

近年来,突发灾难性事件频繁发生,严重威胁人民的生命和财产安全,同时,也对社会稳定造成了较大影响。因此,加强对突发事件的应急管理,是关系到国家经济和社会发展全局以及人民群众生命财产安全的大事。但是,我国应急管理机制尚不完善,预防和处置突发性公共事件的能力也很有限。除了在应急管理机制、体制和法制方面需要加大力度进行完善之外,在国家应急管理体系中引进和装各一批先进的技术和设各,对提高各级政府的应急管理能力是大有帮助的。其中无人机就是一种不可多得的重要工具。

无人机经过了几十年的发展历程,从技术角度看已经比较成熟。其优点是成本低,易操纵,具有高度灵活性,能够携带一些重要的设备从空中完成特殊任务,比如空中监测,空中监视,空中转信,空中喊话,紧急救援等。在执行特殊任务时,一般不会造成人员伤亡,生存能力强,机动性能好,使用方便,在处理自然灾害、事故灾难以及社会安全事件等方面能发挥出重要作用。

无人机概况

无人机(unmanned aerial vehicle,简称UAV)是一种由无线遥控设备或由程序控制操纵的无人驾驶飞行器。它不需要飞行员在机舱内进行驾驶,飞行过程由电子设备控制自动进行。飞机上不用安装任何与飞行员有关的设备,这样就可以有效地节省和利用空间装载应用设备以完成赋予它的各种任务。无人机与有人驾驶飞机的最大区别是,单纯依靠无人机本身是不能完成任何任务的,它需要一套严密的控制系统和根据任务需要搭载的应用设各,所以无人机也称为无人机系统。

无人机最早诞生于1917年,由英国人制造出第一架无人机,至今已有近百年的历史了。但是无人机的应用则始于20世纪50年代。早期的角色是作为靶机使用,后来逐步用于空中侦察、电子对抗、目标指示等领域。在60年代的越南战争和70年代的中东战争中,无人机都有重要表现。在海湾战争以及北约空袭南斯拉夫的过程中,无人机都曾被频繁地用于执行军事任务。

无人机的快速发展和广泛运用是在海湾战争以后。以美国为首的西方国家充分认识到无人机在战争中的作用,竞相把高新技术应用到无人机的研制与发展上。轻型材料的使用和新的设计大大增加了无人机的续航时间;先进的信号处理与通信技术提高了无人机的图像传递速度;自动驾驶仪能使无人机自动改变高度和航向飞往目标,地面操纵员可以通过计算机根据需要改变无人机的飞行数据。在阿富汗战争中,无人机已经能够攻击地面目标,其在军事领域的重要价值越来越清晰地展现在世人面前。

无人机经过了近百年的发展,其产品种类繁多,外形千奇百怪,很难用简单的语言将其一下子介绍清楚。如果以飞行距离的长短进行分类,有短程无人机、近程无人机、中程无人机和长航时无人机如果以飞机的外形分类,有微型无人机、小型无人机、中型无人机和大型无人机如果从军事用途上进行分类,有靶机、侦察机、干扰机和攻击机如果从飞行原理上分类,则有固定翼无人机和旋翼无人机无人直升机等。

无人机航空遥感系统介绍

无人机航空遥感系统主要由无人驾驶飞行器、飞行控制系统、稳定云台、任务传感器、无线通讯系统、数据处理与应用分析系统以及地面控制系统等几部分组成。

无人驾驶飞行器采用的是无人飞机,其由发动机、舵机、飞行控制单元、无线通讯单元、GPS单元、姿态测量单元、自反馈稳定云台等部分组成。飞行控制系统包括机载控制单元和地面监控站两部分。机载控制单元采用模块化设计,固化到无人飞行器内部;地面监控站实时进行飞行状态、任务状态监视与调控。稳定云台自动监测飞行器的航向、俯仰角、翻转角,通过三轴自反馈控制平台,实现任务传感器基本上保持与地平面平行,基本实现垂直投影(误差±3°以内)。任务传感器可以根据遥感任务要求,配备数码相机、数码摄像机、红外摄像仪、高光谱仪等传感器设备。数据处理与应用分析系统,能够实时进行视频图像和多光谱图像自动批处理、快速边缘检测识别和结构数据量算,实现对监测目标的快速定位、分类、特征参数统计和发展态势预测以及专题信息提取和制图。

地面控制系统主要通过无线通讯系统,设置无人机的飞行轨迹,采集无人机的飞行参数,接收、监视无人机所携带任务传感器采集的数据,根据无人机的飞行参数和作业任务,实时调整无人机的飞行姿态和作业任务。

无人机航空遥感系统在灾害应急救援中的应用

无人机航空遥感系统可用于资源调查、环境监测、灾害应急救援等多个领域。

洪涝灾害监测评估

目前,洪涝灾害监测方法主要是通过地面上的水文实测站点获取的水文数据分析整个流域的汛情。这些点上的分布特征,难于形成完整的面上信息。利用无人机航空遥感系统拍摄的灾情信息比其他常规手段更加快速、客观和全面。其主要应用包括:

(1)利用航拍结果,进行对比分析,详细分析汛情的发展,研究汛情的变化情况,把握汛情现状和发展趋势。

(2)在航片上提取洪水范围,评估灾害损失情况。

(3)结合地形数据可以确定水位和水深,结合土地利用数据库可以确定不同的土地淹没类型和面积。

气象灾害监测

利用无人机航空遥感系统提供的灾情信息和图像数据可以进行灾害损失评估与灾害过程监测,估计灾害发生的范围,准确计算受灾面积及其灾害损失评估。对于雨雪、冰冻灾害可以对低温的发生强度以及低温冷害的分布范围实施实时动态监测,并且能够迅速地研究低温冷害发生发展的一般规律,为相关部门及时采取有效救灾措施提供及时全面的信息。

地质灾害巡查与防护

我国是地质灾害最为严重的国家之一。无人机航空遥感系统提供的地质灾害区图像包括地质、地貌、土壤、水文、土地利用和植被等信息,这些信息构成地质灾害灾情评估的基础数据,对于提高该区域地质灾害管理和灾情评估的科学性、准确性和有效性非常重要,而且可以大大提高减灾、抗灾、防灾的效率和现代化水平。对于山体滑坡和泥石流等重大地质灾害,可以分析灾害严重程度及其空间分布,帮助政府分配紧急响应资源,快速准确地获取泥石流环境背景要素信息,而且能够监测其动态变化,为准确的预报提供基础数据。

地震灾害救援与灾情评估

地震具有突发性和强破坏性的特点,地震灾害的救援过程中,情报的时效性非常关键。地震发生以后,必须快速掌握地震灾害早期综合情报,快速调查清楚地震灾害造成的损失,以便迅速准确地制定救灾决策和实施措施,把灾害造成的损失减少到最小。但是,由于震后通讯、交通中断、而且,地震后往往余震不断,采用常规手段无法快速了解灾情信息。

无人机航空遥感系统可以快速获取地震灾区信息,利用其搭载的传感器真实记录灾区地球表面的自然地貌、人工景观以及人类活动的痕迹,能够准确客观、全面地反映地震后灾区的全面景观,为震害调查、损失快速评估提供科学依据,而且可以确定极震区位置、灾区范围、宏观地震烈度分布、建筑物和构筑物破坏概况以及急需抢修的工程设施等,以便为震后速报灾情、快速评估地震损失、救灾减灾提供决策。

无人机参与应急救援的具体表现

1. 实现快速响应,在第一时间到达现场,迅速展开作业

小型无人机只有几千克或十几千克,依靠遥控器或手提电脑就可以对其进行操控。装备该类无人机的小分队只需2—3人就可以完成任务。即使在道路被毁的情况下,徒步也可以到达事故现场。一架未组装起来的无人机,有的仅有一个标准行李箱那么大,放在汽车或飞机上就可以很方便地携运。有些无人机的起飞条件很简单,在汽车上就可以弹射起飞。尤其是无人直升机的起降,有块几平米的平地就行。

无人机不仅能够有较快的反应能力,而且对环境和气象条件有较强的适应性,在这方面比有人驾驶飞机更优越。例如:参加“4·20雅安地震”救援的易瓦特无人机能在6级风下完成飞行任务,受阴、雨、雾等天气条件的限制比有人驾驶飞机要小得多。飞机可超低空作业,受天气条件的限制非常小,但是获取地面影像的速度非常快。

2. 采集现场数据,迅速将现场的视、音频信息传送到指挥中心,供指挥者进行判断和决策

无人机通常配置的基本设备就是多媒体采集系统,负责完成视、音频数据的采集,通过无线传输方式,传输到地面的接收机。其机载摄像机能够对视频数据进行编码压缩,以图像方式把视频数据送回指挥中心。如果配置高清晰度的数码摄像机,能够对现场进行高质量的视频采集以及音频的实时采集。

无人机能方便地使用摄像机、热像仪等各种载荷。即使是普通的民用级专业数码相机,也能安装到飞机的平台上。配合自动曝光摄影等一系列先进技术,就能自动获取高清晰数码照片。通过后期处理,生成的数码影像和地形图可为灾难评估和灾后重建提供可靠的数据保障。在“8·12”天津滨海新区爆炸后现场抢险救灾过程中,“EWZ-S8”无人机在第一时间获取了大量灾后详细影像,为救援提供了可靠的决策依据。

通过对灾区或事故现场进行视、音频图像采集并及时传报给指挥中心,能够使政府相关部门掌握现场情况第一手资料,对情况的分析更加全面、准确,使判断和决策更加及时、正确,反应更加迅速,各部门以及各类救援人员的协调也会更加充分。

3. 能够实现通信中继功能,快速恢复现场局部通信

空中通信中继是无人机的一个重要用途。当自然灾害(如地震、洪水、泥石流、海啸等)发生时,在一定地域内地面原有的有线、无线通信系统均遭到破坏,此时此地,在最需要通信联络的时候信息传递就成为一个大问题。而无人机则可以作为一个便捷的通信中继机,在指挥中心与现场之间搭建一条无形的信息“桥梁”,快速构成一个应急局域无线通信网以解燃眉之急,为救灾赢得宝贵时间。

4. 跟踪事件的发展态势,帮助指挥中心实施不问断指挥处理

由于无人机的使用方便快捷,到达现场之后能够迅速展开,展开之后就能够不间断地跟踪事件的发展,利于指挥中心及时掌握事件态势。在追踪事件态势方面,无人机有大飞机无法比拟的优点。由于其机体小巧,速度容易控制,机动性好,在需要急转弯时,无人机可以一下子转过来,大飞机就不行。此外无人机能超低空飞行,适应性更强,相对而言,大飞机在山区飞行就受限制。因、为飞得低,也能看得更清楚。

使用无人机获取信息的分辨率很高,可以达到0.1米。目前无人机所措载的传感器一般都采用光学传感器,夜间使用还受到限制,如果配备红外或具有夜视功能的系统,其功能就更加强大。

5. 参与救援行动,投掷紧急救援物资

不同的无人机都具有一定的负载能力。可以装载一定数量的装备或物资。在危急条件下,可以向被围困的受难者或处于恶劣环境下以正常手段不能被施救的人投放救援物资或工具,以帮助受固者尽快脱离危险。

6. 在媒介失灵的状态下,播撒传单,向受害人传递政府施救信息

我国目前正处于经济社会发展的关建阶段,各种社会矛盾不断涌现,即使是人民内部矛盾也会出现一些新问题,如果处置失当,有可能会出现骚乱、械斗甚至暴乱等影响社会安全的重大事件。当该类事件出现时,由于参加的人群众多,容易缺乏理智,现场很难控制。必要时可利用无人机播撒传单,向现场群众传递有关信息,引导群众配合政府的施救行动。

7. 进行空中喊话,传递政府领导者讲话,并通过视频与受害人对话

突发事件具有不确定性,如果在处置过程中不能使用正常的宣传工具与群众进行沟通,可通过无人机搭载扩音设备对现场进行喊话,传达领导人意图。同时,指挥中心通过无人机直接监视现场情况,必要时也可与其进行对话,以缓解矛盾,控制事态发展。

8. 参与灾后重建,提供有关地理及气象相关信息

事实上,我国无人机在洪涝灾害应急监测、太湖蓝藻爆发、森林火灾监测、大气臭氧监测以及大型科学试验中已经发挥了重要作用,也形成了推动无人机技术发展的专业技术队伍。

无人机应急救援优势

作为卫星遥感和载人航空遥感不可缺少的补充手段,无人机航空遥感系统应用于灾害应急救援有如下优点:

(1)快速的应急响应能力

无人机航空遥感系统体积小、重量轻,运载方便,灾害发生后可以快速到达目标监测区域。而且,系统操作简单、准备时间短,可以在短时间内迅速展开,快速升空,迅速进行飞行、快速成像,搭载的高精度装备能在短时间内获得监测结果,实现遥感数据的快速获取。

(2)紧急情况下的作业能力强

在危险区进行灾情调查与评估以及救援指挥,人员往往无法到达或不能前往目标区域,这时无人机航空遥感系统更可显示其独特的优势。

(3)能够云下获取数据

无人机航空遥感系统可在云下飞行,弥补了卫星光学遥感和普通载人航空遥感受云层遮挡无法获取影像的缺陷。

(4)安全作业保障能力强

无人机航空遥感系统,采用自主和地面遥控作业的方式,执行航空遥感任务,回避了飞行人员安全风险。

(5)影像获取成本低

无人机航空遥感系统的购置、运行成本都大大低于载人飞机,其对场地和人员的要求也比载人飞机低,且日常维护简单,使遥感数据的获取成本大大降低。

现存缺陷及解决办法

目前,无人机航空遥感系统存在的缺陷包括:航线设计时,可使用的航点数较少,加上机载GPS定位误差较大和偏航等因素的影响,导致每次飞行的有效拍摄面积还比较小;无人机体积小、载重量轻,导致飞行时稳定性差,其获取的航片变形大;无法使用专业航空相机以及姿态测量仪、稳定平台等辅助设备,所得图像的相关参数少,导致后期图像处理困难,图像精确度低。

对于上述缺陷,解决办法包括:提高飞行器的平衡性、稳定性和操纵性,研制出适应不同飞行任务需要的不同型号微型无人直升机;在现有GPS导航基础上,进一步实现GPS/惯性导航/影像匹配的组合导航方式,提高导航精度。

意义

1. 有利于管理与技术相融合

技术与管理相脱节,是我们国家科技界和实践界长期以来在应对突发事件的过程中共同面临的一个难题。“科技应用于减灾”,在过去大多数情况下是指网络或者一般的技术在减灾救灾上的应用,而在运用技术直接掌握灾情信息方面存在很大的局限性。无人机在应对突发事件过程中的运用,是管理与技术相融合的重要开拓,必将使我国的减灾救灾水平得到飞跃式的提高。

2. 有利于带动相关产业的发展并扩大内需

低空空间领域所属的无人驾驶飞机技术是一个国家科技、经济等方面的重要象征,它涉及到电子、通讯、遥感、控制系统、轻型材料等多项科学技术领域,多年以来西方国家为限制这种产品和技术在中国的发展,对我国采取了全面的技术封锁和产品禁运。但我国科技人员经过自主创新,掌握了实现本土化工业批量生产的关键技术,而且性能达到国际先进水平。如能大力推广无人机在应对突发事件中的应用,定能带动低空空间领域高新技术产业的大发展,并对扩大内需产生积极影响。

3. 有利于满足众多领域的需求

民用无人机主要搭载可见光摄像机、红外摄像机、三维激光雷达、航扫仪和热成像仪、无线中继转发设备和用户特制设备等,这些设备负责完成视、音频数据的采集,通过无线传输方式,传输到地面的接收机。其机载摄像机能够对视频数据进行编码压缩,以图像方式把视频数据送回指挥中心。这些,可以极大满足国家资源管理、环境保护、生态建设等众多领域的需求。


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