微型無人機在龍卷災情調查中的應用

蔡康龍 植江玲 李彩玲 黃先香 李兆明 彭斯琪

（1 廣東省佛山市氣象局/佛山市龍卷風研究中心，佛山 528000；2 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京100081；3 廣東省佛山三水區氣象局，三水 528100）

0 引言

龍卷是大氣中最強烈的渦旋現象[1]，容易導致重大經濟損失和人員傷亡。例如，2015年10月4日廣東佛山EF3級造成4人死亡、80人受傷和大量建筑損毀[2-3]，2016年6月23日江蘇省鹽城市阜寧縣EF4級龍卷造成98人死亡、800多人受傷和大量建筑損毀[4-5]，2019年7月3日遼寧開原EF4級強龍卷[6]。根據佛山龍卷風研究中心龍卷災情調查資料，2016—2019年我國可確認的龍卷有40次，平均每年有8次龍卷。這些龍卷強度定級及災情指示物{7]的分析主要基于無人機航拍的資料，無人機成為現場天氣調查的最重要的工具之一。

無人機主要包括飛行器、控制臺、飛行控制系統、圖像傳輸系統、云臺及相機等。無人機具有成本低，操作簡單等特點，能快速獲取高分辨率、高精度、高時效的影像[7-9]，非常適合用于地震、泥石流、臺風、下擊暴流和龍卷等自然災害的災情評估工作[10-14]。例如，2015年使用無人機對“東方之星”客輪翻沉事件進行風災調查[14-15]。由于出現龍卷災情后，現場往往會被快速清理，造成樹木倒向和風災造成的碎片等痕跡有可能被破壞而變得不可信，給龍卷風災情特征分析增加了難度。因此，災情調查人員要及時到達現場，利用無人機快速航拍原始的災情，獲取第一手資料進行分析龍卷強度、龍卷災害帶長度和寬度等特征。

本文根據多次災情調查的實踐與探索，介紹常見的無人機性能、無人機作業因素、無人機在龍卷災情調查方法和災情指示物識別要點。

1 災情調查對無人機性能的需求

進行龍卷災情調查常見的無人機型號有大疆御mini、御2、精靈4、悟2（性能參數如表1所示），這幾款無人機都可以滿足災情調查基本的航拍需求，但在不同的龍卷災情調查需求選擇合適的無人機型號可提高作業效率。從到達受災區域時間快慢的角度考慮，若受災區是在省外，調查組優先搭乘民航客機，此時應該攜帶輕巧的御系列無人機。與悟2無人機對比，御系列無人機更輕，電池體積和容量更小，單電池的持續時間更長，在不要求更高清的圖像質量情況，航拍災情航拍效率更高；若受災區在省內，優先選擇自駕汽車，則選擇悟2提高航拍圖像的質量。

考慮無人機返航時間、無機電池折舊等損耗時間，表1中各款無人機航拍作業時間約為飛行時間的0.6倍，所以表1的無人機實際作業時間都小于20 min。無人機災情調查內容主要包括尋找大致災情以確定龍卷的走向、航拍災情的視頻和航拍災情指標物的特征（以照片為主）。 2019年9月17日廣東省佛山三水區發生龍卷，持續時間約23 min，移動路徑長度達18 km[16]。該龍卷災情調查資料統計可知，單無人機單日最長的航拍視頻時間約為92 min，其視頻大小約29 GB。若此次作業由御2無人機執行，航拍災情的視頻要消耗6塊電池的電量，尋找大致災情和航拍災情指標物這兩部分作業消耗電池數量需根據實際情況而定，一般需準備4塊電池。如果龍卷災情范圍，可以使用多無人機作業和車載充電器補充電池電量。

表1 常見大疆系列無人機型號和性能參數Table 1 Types and performance parameters of the common DJI UAVs

此外，還要準備足夠的電池給遙控器的外接顯示屏（包括手機，平板和專業顯示屏）使用，御系列和精靈系列無人機的遙控器外接顯示屏一般是手機，而悟2則使用平板或者高亮屏，使用充電寶給手機和平板的補充電量，高亮屏則準備2～3塊配套的電池。在配備10次飛行的電池的無人機情況下，精靈和悟2無人機（一次起飛消耗兩塊電池）的裝備箱比較笨重，其中悟2裝備（包括放置無人機箱和裝著20塊電池的防靜電箱）重量約25 kg，在乘坐民航時較為麻煩，但是航拍視頻和相片質量高。而由于御mini和御2都是折疊式無人機，重量輕體積小，方便攜帶，但御mini無人機抗風能力較差，錄像分辨率最低，災情航拍效率較低；而御2不存在這樣的問題。綜合分析：乘坐公共交通工具到災區可以優先選擇御2無人機，全程自駕到災區則推薦使用精靈和悟2無人機。

2 無人機作業的影響因素

無人機能否順利航拍的龍卷災情，取決以下方面的因素。

2.1 起飛準備

無人機作業前要了解災區的空域屬性，應向相關部門了解限制區域的劃設情況[17]。無人機在非禁飛區域（除飛行禁區、限制區和危險區外）作業情況下，必須先進行實名登記和獲取飛行執照才能作業，作業的過程要符合安全飛行的相關規定，如飛行高度要保持在120 m以下等規定。若在禁飛限制區域必須到災區的行政歸屬地的公安機關或者民航局等機關申請。

2.2 天氣條件

龍卷災調中無人機作業常考慮的天氣條件有大風環境和雨天情況。

2.2.1 大風環境情況下

有部分龍卷發生在臨近海邊的地方，無人機在這種地方作業，容易遇到大風情況。除了御mini無人機外，表1中的其他型號無人機可抵抗5級風力（約10 m/s）。在大于5級風力環境中，無人機將無法穩定飛行，甚至會出現無人機被大風吹走的問題。當無人機提示大風警告，操作者應該及時降低飛行高度并盡快返航。

2.2.2 有明顯降雨情況下

災情剛剛發生后，天氣條件尚不穩定，無人機在航拍過程看容易遇到雨水，不但會影響航拍視頻的質量，而且會對無人機造成一定程度的損壞，遇到此情況應該及時返航。表1中的無人機均屬于消費級別的無人機，不具備防水的能力。大疆經緯200系列有液體防護3級的功能，可以在小雨情況下飛行，但下雨影響航拍視頻的質量。

2.2.3 有雷電及濃霧情況下

無人機在航拍過程中出現雷電及濃霧情況下，都應該立即返航，保證安全作業。

3 航拍方法

根據氣象資料和網絡拍攝視頻對災情進行提前判斷，如受災區域內的氣象自動觀測站氣壓出現短暫的下降，瞬時風速短暫增大和天氣雷達資料徑向速度圖上低層出現中等到強的中氣旋和類龍卷風渦旋特征[18]，結合網絡拍攝視頻或者圖片有明確漏斗狀云，可以初步判斷是龍卷災情。下面主要結合2019年4月13日廣東省徐聞縣龍卷（以下簡稱徐聞個例）的災情分析給出龍卷災情航拍的具體步驟，能有效說明災情航拍的相關工作開展情況。

圖1 徐聞個例無人機航拍路線圖Fig. 1 UAV aerial route map in Xuwen County

步驟1：應該根據相關媒體報道或者相關部門的資料找出至少一個明顯受災點的地理位置作為第一個起飛點。在徐聞個例中，和安鎮鎮政府（圖1中的起飛點1）是災情嚴重的地方之一，考慮到人口密集的地方災情清理會比較快，第一個航拍點選擇點1，并在手機導航上記錄點1以及每次無人機起飛點的位置。

步驟2：無人機一般以50 m高度以上和云臺俯角30°～45°航拍搜索點1的東、南、西、北四個方向500 m以內（圖1中點1綠色箭頭所代表的飛行方向）的信息，若實際災情范圍較大，可調整無人機飛行高度和搜索距離以提高搜索的范圍，根據四個方向的災情特征找出災情明顯的點作為下一個航拍起飛點，簡稱“十字搜索法”。遇到災情范圍較大的情況，悟系列的無人機可以使用廣角鏡頭，同時給電池進行充電。低空航拍（一般30 m高度以下的航拍）第一個起飛點到第二個起飛點之間的災情。考慮到無人機在低空飛行時，較高的建筑遮擋和地磁場的變換會影響無人機與遙控器之間的圖像信號傳輸，無人機航拍起飛點之間的距離保持在400～500 m可以保證其信號的正常傳輸，如圖1中的2、3和4點主要是魚塘和海灣，無人機可適當增加低空飛行距離以提高災情調查的效率。

在徐聞個例中，按照高空搜索步驟操作后，在無人機向東飛行超過120 m、向南和向西飛行超過100 m后找不到明顯災情，而向北飛行接近500 m時，災情比較連續，左側的災情比右側的明顯，故選擇點1以北400 m左右處選址災情明顯并且方便無人機起飛降落操作的點2作為下一個起飛點，點2的災情主要是樹木倒伏和折斷（圖略）。

低空航拍點1和點2之間災情，記錄各個災情指示物，并初步分析樹木倒伏方向及房屋的受損情況，結合災情的整體情況對龍卷的移動路徑進行判斷。圖2a（位于圖1中的A點）中根據的黃槿樹（硬木）傾倒方向、房屋頂過半瓦片吹落方向和電線桿折斷的倒向整體偏向東南，判斷龍卷在此位置的走向大致是東南方。圖2b樹木倒伏是點1和安鎮鎮政府的災情，該位置的樹木整體倒向是東南方，可初步判斷點1位置的龍卷移動方向是東南方。由于龍卷移動方向在短距離內比較一致，由此可初步判斷點2處的龍卷以東南方向移動到點1處，下一步航拍操作點1向東南和點2向西北搜索。

步驟3：下一個航拍起飛點優先按照步驟2進行航拍和分析，若航拍過程中災情依然比較連續（圖1的點2、點3、點4、點5、點6、點7相鄰兩點之間），則只使用步驟2；若在航拍時出現較大間隔（100 m以上，要結合實際地面情況而定，如大面積的魚塘，災情就顯現不連續，此時可以增大判斷間隔）的災情不連續的情況（圖1的點4和點7），使用步驟1的“十字搜索法”，按照圖1的點4和點7的綠色箭頭的四個方向搜索航拍，當出現災情破壞等級變小，受災指示物從少到無，可以初步判斷龍卷災情的起點和終點，但也存在因為龍卷跳躍或者再次升起[19]而造成災情不連續的情況。在龍卷移動軌跡跟點2到點3白色虛線軌跡出現較大偏差時，根據航拍的災情分布調整無人機航拍路線，保持無人機航拍到有效的災情。

圖2 徐聞個例中災情指示物（a）圖1中位置A的災情圖；（b）和安鎮鎮政府的災情圖Fig. 2 Damage indicator in Xuwen County(a) The damage in location A of Fig. 1; (b) the damage in He'an Town Government

步驟4：由于無人機不具有夜視功能，晚上對無人機的電池和遙控器充電，并將無人機全部航拍資料與氣象觀測資料進行初步分析，若在龍卷移動軌跡附近的雷達資料有中氣旋和龍卷風渦旋特征等有可能出現龍卷的特征，仍有必要到出現龍卷特征對應位置走訪和使用無人機搜索。

步驟5：根據無人機的飛行記錄上的經緯度信息和航拍視頻資料，將災情指示物的位置及其他信息錄入地理信息系統或者衛星地圖，制作龍卷災情范圍圖，統計出此次龍卷災情的特征。

4 災情指示物識別的分析方法

4.1 著重觀察同類型地物顏色的連續性

無人機在高度50 m以上重點觀察顏色跟周邊顏色不一致的區域，如圖3a是2019年8月16日遼寧省營口市龍卷（簡稱營口個例）災情圖，龍卷吹掉樓盤頂的防水層材料和部分鐵皮（圖3a紅框位置），導致此區域的樓盤顏色與其他區域的不同，遇到此情況，應該低空航拍樓頂、搜索樓盤的每層玻璃窗是否完好、墻上是否有拋射物和墻上瓷磚是否有脫落。圖3b是2019年8月29日海南省屯昌縣龍卷（簡稱屯昌個例）災情圖，龍卷吹倒大量樹木后，由于樹木枯萎使樹葉顏色變暗，與周邊健康的樹木顏色不一致。

圖3 2019年8月16日營口個例（a）和2019年8月29日屯昌個例（b）的災情圖Fig. 3 Damages of Yingkou on 16 August 2019 (a) and Tunchang on 29 August 2019 (b)

4.2 高低空、多視角航拍

圖4 是對無人高空航拍和低空航拍圖像進行對比，圖4a是50 m高度的航拍，圖像可快速找到受災地點和了解整體災情，但受災細節比較模糊。低空航拍能了解災情的細節，但是比較耗時。低空航拍圖4a的物體a、b和c，可以清晰看到條狀物體a是水泥電線桿，折斷倒伏在地面上（圖4b）；物體b（圖4c）是瓦片房，從地面的瓦片顏色可判斷是最近吹掉的；從圖4d可判斷物體c是哪個品種的樹及其倒伏的原因（蟲病或風災等）。

4.3 結合百度全景圖像和網絡視頻

圖4 徐聞個例災調調查中無人機高低空航拍效果對比圖（a）50 m高空航拍圖；（b）、（c）、（d）分別對應于圖a紅框位置物體a、b和c的低空航拍圖Fig. 4 Comparison of aerial photography effect of UAV at high and low altitude in Xuwen County(a) Aerial photograph at 50 m; (b), (c) and (d) correspond to the low altitude aerial photos of objects a, b and c in the red box of Figure a, respectively

圖5 a是營口個例的營大路附近的災情圖，由于災情出現在營大路兩側，災情組到現場前倒伏樹木已經被清理干凈，導致無人機航拍難于發現此類情況的災情，需要結合百度全景圖像和網絡視頻協助航拍。從網絡視頻（圖5c和5d）觀察到龍卷風（圖5c和5d中的黃色實心箭頭）大致移動方向（圖5a的黃色空心箭頭），龍卷移動過程中部分樹木被吹走（圖5d中的藍色虛線方框），故該位置要補充低空航拍或者走訪。在百度地圖上查看該位置最新的全景信息（2018年2月），能清晰看到主行道路兩側的樹數量（圖5b是圖5a的紅框對應位置的截圖，兩圖的樹木位置相對應），而航拍時發現圖5a中紅圈位置泥土是新的，和周邊顏色不一致，可初步了解到龍卷在此位置影響范圍及移動方向，提高航拍的效率。

4.4 針對疑似對象，分析并走訪排查

圖6 徐聞個例的災情圖：（a）發生在圖1點7附近位置；（b）發生在和安鎮鎮政府Fig. 6 Damage in Xuwen County: (a) near point 7 in Fig. 1; (b) in the He'an Town Government

圖6 a是徐聞個例災情調查中發現香蕉樹成片倒伏，而旁邊的桉樹沒有倒伏和樹枝折斷的情況發生，考慮到香蕉樹的抗風能力比桉樹要差，而且香蕉倒向不是明顯輻合的，故把香蕉樹倒伏作為疑似對象，經過走訪村民是龍卷發生前一天大風吹倒的。圖6b是電線桿折斷，但是周邊的樹木只有樹枝折斷，鐵皮棚比較完好，故將此電線桿作為疑似對象，經走訪和安鎮鎮政府人員，是附近樹木壓斷的，樹木已被清理。

5 無人機在災情調查中的優勢

5.1 快速識別龍卷破壞帶

破壞帶是龍卷特有的災情特征，結合雷達資料、現場樹木倒向和走訪信息可以判斷龍卷移動的方向。部分龍卷破壞帶識別可以直接從航拍資料直接識別淺色的路徑，其他的則通過全面分析航拍資料繪制災情圖來分析判別。無人機能忽略大部分地形的障礙并快速尋找到龍卷的破壞帶（圖7），單靠在走訪判斷龍卷移動方向是不可能在短時間完成的，而使用無人機航拍可大大提高災情調查的效率。但并不是全部龍卷都會留下明顯的破壞帶，這與龍卷經過的下墊面相關。圖7是近四年使用無人機航拍龍卷災情時發現的龍卷路徑，下墊面有民房、樹林、泥地、草地和莊稼，其中玉米田和草地從航拍畫面更容易判別。航拍若沒發現淺色龍卷破壞帶，則可通過全面分析災情分布特征來判別龍卷的破壞帶（如圖1中徐聞個例中的紅色陰影區域）。

圖7 無人機識別出的淺色龍卷破壞帶（白色虛線是表示龍卷路徑）（a）2016年6月5日海南文昌龍卷；（b）2016年6月23日江蘇阜寧龍卷；（c）2017年8月14日內蒙古赤峰龍卷；（d）2017年8月16日廣東湛江龍卷；（e）2018年8月13日天津靜海龍卷；（f）2019年8月19日江蘇徐州龍卷；（g）2019年7月3日遼寧開原龍卷；（h）2019年8月16日遼寧營口龍卷Fig. 7 Light tornado damage swath identified by UAV (the white dotted line indicates the tornado path(a) Wenchang tornado in Hainan Province on 5 June 2016; (b) Funing tornado in Jiangsu Province on 23 June 2016; (c)Chifeng tornado in Inner Mongolia on 14 August 2017; (d) Zhanjiang tornado in Guangdong Province on 16 August 2017;(e) Jinghai tornado in Tianjin on 13 August 2018; (f) Xuzhou tornado in Jiangsu Province on 19 August 2019; (g) Kaiyuantornado in Liaoning Province on 3 July 2019; (h) Yingkou tornado in Liaoning Province on 16 August 2019

無人機作業要注意以下細節以提高調查的效率。無人機拍攝起飛周邊環境的照片和在手機導航軟件上收藏此位置，并標記收藏點的時間；當無人機處于災情正上方時，要拍攝照片，根據照片經緯度信息描繪完整的龍卷破壞帶。災情線路圖并與雷達圖的中氣旋產品路徑對比，避免因龍卷跳躍或者升起造成地面災情不連接的對龍卷路徑的判斷失誤。

5.2 快速了解龍卷災情寬度

龍卷影響寬度是比較重要的參數，如圖8所示，紅色箭頭根據樹木倒向及相關走訪信息判斷出來的龍卷移動方向，此位置龍卷的影響寬度a可通過無人機攝像頭視角范圍（FOV）、拍攝畫幅（a:b=16:9）及拍攝高度h可計算。圖8是無人機在200 m高度航拍，實際寬度a約為280m。范雯杰等[7]指出龍卷寬度與等級強度沒有明確的對應關系。

圖8 現場測試龍卷影響寬度示意圖Fig . 8 Schematic diagram of tornado influence width in field test

6 結論

通過多次災情調查的實踐和探索，得到以下認識和結論。

1）關注無人機的新型號及相關管理規定，考取相關的無人機駕駛證，保證無人機使用符合相關管理規定；

2）針對不同情況，使用不用型號的無人機，乘坐民航等交通工具可優先選擇御2無人機；遇到嚴重和大范圍的災情時，優先使用搭配廣角攝像頭的悟2無人機，或者兩臺以上無人機分段航拍，并考慮現場及時給電池充電的方法以提高災情調查效率；

3）考慮天氣條件，5級風以上和下雨天氣的情況下無人機不能起飛，保證無人機使用的安全性；

4）注意航拍方法，以災情最明顯的地方作為第一個航拍點，以400～500 m分段高低空和多角度航拍，期間根據災情特征不斷微調航拍線路，直到航拍完整的龍卷災害范圍；

5）注重災情指示物識別的四個要點，同類型地物顏色不連續，則有可能是災情導致的；同個災情指示物使用高低空、多視角航拍有助于全面了解其特征；對于疑似對象要及時走訪排查，最后結合百度全景圖像和網絡視頻分析龍卷的影響范圍和移動方向。

6）無人機提供高空俯瞰的圖像，可以快速識別龍卷的災情破壞帶、判斷龍卷移動方向和估算龍卷寬度。