康山大壩無人機LiDAR三維高程模型 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所供圖
現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)掌握無人機之間的組網(wǎng)遙感技術(shù)；未來，希望實現(xiàn)衛(wèi)星遙感和無人機組網(wǎng)。兩網(wǎng)之間可以互通有無，應(yīng)對洪災(zāi)的時候獲取的信息也會更加全面。
“本來我們是來江西鄱陽湖做試驗的，沒想到直接參與了一場‘實戰(zhàn)’。”
7月27日，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所黨委書記、副所長廖小罕從江西回到北京。前段時間他帶領(lǐng)的科技部國家重點研發(fā)計劃“高頻次迅捷無人航空器區(qū)域組網(wǎng)遙感觀測技術(shù)”項目團隊一直奮戰(zhàn)在鄱陽湖防汛一線，相關(guān)技術(shù)成果在鄱陽湖區(qū)域防汛工作中發(fā)揮了重要作用。
今年6月以來，中國南方多地持續(xù)降水。國家衛(wèi)星氣象中心綜合利用風(fēng)云四號靜止和風(fēng)云三號極軌氣象衛(wèi)星，結(jié)合多源定量遙感產(chǎn)品，對南方多地的大氣形勢和雨帶內(nèi)局地突發(fā)強天氣進行了綜合監(jiān)測，為決策部門開展搶險救災(zāi)提供實時精密的天氣綜合監(jiān)測信息。
衛(wèi)星遙感和無人機等信息技術(shù)，在抗洪搶險一線發(fā)揮了怎樣的作用？
“千里眼”捕捉風(fēng)云變化
衛(wèi)星遙感是自然災(zāi)害監(jiān)測的利器，汛期降水是造成洪澇最重要的因素。從20世紀(jì)80年代開始，國家衛(wèi)星氣象中心就開始利用衛(wèi)星對汛期的降水天氣和水體進行監(jiān)測。
國家衛(wèi)星氣象中心衛(wèi)星氣象研究所所長張興贏告訴《中國科學(xué)報》：“當(dāng)時，研究人員主要采用國外一些衛(wèi)星提供的資料。近年來，隨著我國風(fēng)云三號和風(fēng)云四號衛(wèi)星以及高分系列衛(wèi)星陸續(xù)投入運行，國產(chǎn)衛(wèi)星資料逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。”
在應(yīng)對洪澇災(zāi)害中，國產(chǎn)衛(wèi)星的作用逐漸顯現(xiàn)。張興贏介紹，國家衛(wèi)星氣象中心每天用風(fēng)云三號、高分系列等多源衛(wèi)星資料，對我國的重點湖泊、水庫、河流等水體進行監(jiān)測已成常態(tài)，同時基于長序列的衛(wèi)星遙感資料，還可對重點水體進行時空特征分析。“這些信息對我國洪澇災(zāi)害的監(jiān)測評估以及氣候變化研究具有重要意義。”
7月20日，淮河干流王家壩閘開閘泄洪，河水流向蒙洼蓄洪區(qū)。“由氣象衛(wèi)星提供的淮河蒙洼蓄洪區(qū)高分辨率影像與風(fēng)云三號D星水體提取范圍疊加圖，可見蓄洪區(qū)增加的水體對部分農(nóng)田和村莊產(chǎn)生的影響。”張興贏說，“為應(yīng)對淮河流域洪澇災(zāi)害，我們加強了多源衛(wèi)星資料應(yīng)用監(jiān)測，特別在蒙洼蓄洪區(qū)進行了連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，對蒙洼蓄洪區(qū)內(nèi)的水體變化進行持續(xù)評估。”
近期，針對長江中下游、淮河流域的水體和洪澇情況，國家衛(wèi)星氣象中心利用風(fēng)云四號靜止和風(fēng)云三號極軌氣象衛(wèi)星，集聚多儀器監(jiān)測能力，聯(lián)合湖北、江西、湖南、安徽、江蘇等省氣象局，結(jié)合地面雷達、閃電、地面氣象觀測以及數(shù)值預(yù)報等多種資料進行綜合應(yīng)用，制作了十余期《衛(wèi)星遙感重要信息專報》服務(wù)材料。
無人機組網(wǎng)“快”人一步
7月12日零時，鄱陽湖星子站水位超1998年歷史最高水位并持續(xù)上漲。當(dāng)天，廖小罕帶領(lǐng)無人機團隊，緊急調(diào)動參與應(yīng)用示范的十余架無人機攜帶激光雷達、多光譜傳感器、光電吊艙等多種載荷，連夜奔赴康山大堤，對大堤及周邊重點區(qū)域開展高精度超高分辨率無人機組網(wǎng)遙感監(jiān)測。
廖小罕告訴《中國科學(xué)報》：“我們的無人機在康山大堤首批組網(wǎng)作業(yè)共飛行十余架次，獲得了最大覆蓋范圍400余平方公里的超高分辨率影像，結(jié)合國家級地理信息平臺數(shù)據(jù)和歷史衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析比對，及時精確掌握了康山大堤和下游泄洪區(qū)洪水現(xiàn)勢性情況。”
緊接著，當(dāng)日晚，江西省九江市永修縣西修河三角聯(lián)圩發(fā)生潰堤。得知消息后，廖小罕第一時間召集項目團隊成員，確定一部分組員留守康山大堤后，緊急調(diào)動參加試驗的多架無人機攜帶合成孔徑雷達、紅外相機、可見—紅外雙波段視頻相機等多種載荷，克服陰雨等不利天氣因素，對三角聯(lián)圩開展高精度無人機組網(wǎng)遙感監(jiān)測。這樣的反應(yīng)速度是傳統(tǒng)監(jiān)測手段難以企及的。
“本來只寫了鄱陽湖試驗的‘腳本’，沒想到在這里完成了數(shù)場‘無劇本’的臨時任務(wù)。”廖小罕介紹，“‘高頻次迅捷無人航空器區(qū)域組網(wǎng)遙感觀測技術(shù)’項目一共有21家單位參與，這次有10多家單位來到鄱陽湖現(xiàn)場做試驗。我們不僅順利完成了試驗，還真切地在抗洪搶險一線練了兵，可以說是意外的收獲。”
通過實戰(zhàn)演練，廖小罕親身感受到一個字“快”。從獲取數(shù)據(jù)，到分析數(shù)據(jù)，再到形成報告，都需要快速響應(yīng)，第一時間滿足一線需求。
目前洪澇災(zāi)害防治工作，尤其堤岸巡查方面，依賴大量人力。廖小罕團隊研發(fā)的高頻次迅捷無人航空器組網(wǎng)管控系統(tǒng)為組網(wǎng)大腦的系列遙感觀測技術(shù)，可以解放部分人力，并提供實時視頻、受災(zāi)區(qū)域快視圖、堤壩的激光雷達高程圖等。
廖小罕說：“無人機組網(wǎng)遙感觀測技術(shù)在大面積、小時級、高精度、動態(tài)信息迅捷獲取方面具有明顯優(yōu)勢，這也是應(yīng)急救災(zāi)信息化和啟動應(yīng)急響應(yīng)的基礎(chǔ)。”
強強聯(lián)手發(fā)揮所長
衛(wèi)星遙感和無人機組網(wǎng)都在抗洪一線大顯身手，兩者強強聯(lián)合，可以發(fā)揮1+1＞2的效應(yīng)。
清華大學(xué)水利水電工程系研究員龍笛在接受《中國科學(xué)報》采訪時說：“衛(wèi)星光學(xué)遙感可以獲取水體面積信息，例如洪水淹沒面積；衛(wèi)星雷達測高可以獲取水位信息，如河流和湖泊水位，二者在洪水監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用。”
龍笛還指出，衛(wèi)星遙感監(jiān)測水體的時間分辨率還有待提高。比如，極軌衛(wèi)星不會長期停留在某一水體上空進行實時監(jiān)測。他表示，提高時間分辨率有兩個基本途徑：一是增加搭載同類傳感器衛(wèi)星的數(shù)量，以便進行組網(wǎng)監(jiān)測；二是利用搭載不同傳感器的衛(wèi)星，進行協(xié)同監(jiān)測。
此前，龍笛團隊借助谷歌地球引擎識別光學(xué)遙感影像中湖泊的岸線變化，并將其轉(zhuǎn)換為湖泊水位變化信息，再結(jié)合湖泊面積轉(zhuǎn)化為水量變化信息，從而將缺乏測高衛(wèi)星數(shù)據(jù)的大中型湖泊水位、水量變化數(shù)據(jù)的時間分辨率由年尺度、季尺度精確到月或旬尺度。
通過這次實戰(zhàn)，廖小罕表示，現(xiàn)在他們已經(jīng)掌握無人機之間的組網(wǎng)遙感技術(shù)，未來希望實現(xiàn)衛(wèi)星遙感和無人機組網(wǎng)。兩網(wǎng)之間可以互通有無，應(yīng)對洪災(zāi)的時候獲取的信息也會更加全面。
與此同時，當(dāng)?shù)胤姥床块T就巡堤現(xiàn)實問題向廖小罕團隊提出了一個要求：能否利用遙感或者紅外等技術(shù)對管涌、滲漏等情況實時監(jiān)測？
當(dāng)前，因為洪水淹沒，管涌、滲漏往往比較隱蔽，靠人力尋找或出現(xiàn)遺漏，而無人機遙感和紅外技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)人眼看不到的地方。
針對決堤口寬度、洪澇淹沒面積、災(zāi)區(qū)道路損毀情況以及糧食和經(jīng)濟作物和水產(chǎn)養(yǎng)殖等的受災(zāi)情況，廖小罕團隊利用現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)可以實時統(tǒng)計受災(zāi)村莊、人口以及建筑物損毀等情況。
下一步，他希望團隊可以為災(zāi)害預(yù)警、災(zāi)害發(fā)生實時監(jiān)測和災(zāi)后評估提供全方位的技術(shù)支持，比如災(zāi)前通過分析估算蓄滯洪區(qū)早稻等糧食和經(jīng)濟作物的收割情況、建筑和人口稠密區(qū)最新分布情況、安全轉(zhuǎn)移路線，并做好水位高度、堤岸完好度巡查等工作。
在廖小罕看來，無人機組網(wǎng)遙感技術(shù)未來可期。他希望更多的民營企業(yè)可以參與其中，開展產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)，加速工程化應(yīng)用的進程。
（原載于《中國科學(xué)報》 2020-07-30 第3版 信息技術(shù))
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