林燕婷 朱鵬程 陳曉飛 黃冬至

(1.廣東省茂名市氣象局，廣東 茂名 525000；2.廣東省珠海市氣象局，廣東 珠海 519000；3.中山大學(xué)，廣東 廣州 510275)

0 引言

廣東省茂名市屬于沿海城市，再加上信宜、高州等地多高寒山區(qū)，是暴雨、洪澇、臺(tái)風(fēng)發(fā)生頻率較高的地區(qū)，突發(fā)性強(qiáng)降水、連續(xù)性強(qiáng)降水常引發(fā)山洪、泥石流、山體滑坡、江河泛濫、城鄉(xiāng)積澇等自然災(zāi)害和次生災(zāi)害，極易造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡事故。然而，道路堵塞讓救災(zāi)人員無(wú)法及時(shí)了解當(dāng)?shù)貫?zāi)情、地質(zhì)災(zāi)害的滯后性程度，因此有必要對(duì)容易致災(zāi)的區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)航拍調(diào)查，收集第一手資料。一方面，有利于政府對(duì)容易致災(zāi)區(qū)域的人員疏散作出科學(xué)的判定；另一方面，也可以在很大程度上保護(hù)救災(zāi)人員，避免不必要的人員傷亡。

微型無(wú)人機(jī)相對(duì)大型固定翼飛機(jī)具有成本低、易操控、靈活性高等特點(diǎn)，在臺(tái)風(fēng)、暴雨、雷雨大風(fēng)等致災(zāi)天氣過(guò)后，對(duì)易致災(zāi)地區(qū)進(jìn)行航拍，收集氣象災(zāi)情資料，為茂名市各級(jí)黨政部門(mén)防災(zāi)減災(zāi)正確決策及部署提供更科學(xué)有效的依據(jù)，確保人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。

1 資料與統(tǒng)計(jì)方法

相對(duì)大型固定翼飛機(jī)來(lái)說(shuō)，微型無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)是成本低廉、易于攜帶、操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣，尤其是在自然災(zāi)害、突發(fā)事件發(fā)生后，能夠快速安全地進(jìn)入防災(zāi)減災(zāi)人員無(wú)法到達(dá)的區(qū)域，并進(jìn)行有效拍攝和收集災(zāi)情信息。

目前，中國(guó)生產(chǎn)的大疆無(wú)人機(jī)占據(jù)著全球消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)70%的份額，因此以大疆四旋翼無(wú)人機(jī)中的DJI Inspire1、DJI air2s為測(cè)試研究對(duì)象，測(cè)試無(wú)人機(jī)最大抗風(fēng)能力，分析無(wú)人機(jī)在2016年以來(lái)所有遇到的重大氣象災(zāi)害災(zāi)情調(diào)查中所發(fā)揮的作用。

2 大疆無(wú)人機(jī)抗風(fēng)能力分析

從氣象防災(zāi)減災(zāi)實(shí)際出發(fā)，以大疆四旋翼無(wú)人機(jī)中的悟1為測(cè)試對(duì)象，分析不同風(fēng)速條件下，無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定程度。

2.1 四旋翼無(wú)人機(jī)特征分析

目前，我國(guó)常用于應(yīng)對(duì)突發(fā)事件開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或是視頻采集的無(wú)人機(jī)主要分為多旋翼和固定翼兩類(lèi)。當(dāng)下具有視頻采集功能的無(wú)人機(jī)通常都配有GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)、超清攝錄器材和微波視頻實(shí)時(shí)通信等標(biāo)準(zhǔn)配置。

由于固定翼無(wú)人機(jī)主要依靠速度來(lái)產(chǎn)生升力，要有足夠的速度才能飛行，不具備多旋翼無(wú)人機(jī)旋?？罩卸c(diǎn)拍攝的功能，而且其操作相對(duì)復(fù)雜，對(duì)起降場(chǎng)地有一定的要求，實(shí)用性不及多旋翼無(wú)人機(jī)，因此本文不對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)展開(kāi)分析研究。

而多旋翼無(wú)人機(jī)根據(jù)螺旋槳葉數(shù)量來(lái)分，有四旋翼、六旋翼和八旋翼無(wú)人機(jī)。結(jié)合多旋翼無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)，四旋翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕和攜帶便捷，缺點(diǎn)是每個(gè)旋翼可承受的質(zhì)量大，一旦其中一個(gè)旋翼電機(jī)出故障，無(wú)人機(jī)易炸機(jī)；六旋翼無(wú)人機(jī)與八旋翼無(wú)人機(jī)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)配置更靈活，升重比、控制性能、可靠性更強(qiáng)，也就是說(shuō)其中一個(gè)旋翼電機(jī)出故障不會(huì)輕易炸機(jī)，缺點(diǎn)是裝卸和攜帶不夠便捷，應(yīng)對(duì)突發(fā)性氣象災(zāi)情調(diào)查比四旋翼無(wú)人機(jī)的裝卸時(shí)間更長(zhǎng)，不利于個(gè)人出行攜帶。

對(duì)比分析多旋翼三類(lèi)無(wú)人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合氣象災(zāi)情調(diào)查實(shí)際工作需求，無(wú)人機(jī)抗風(fēng)測(cè)試對(duì)象選擇大疆四旋翼無(wú)人機(jī)最為合適。

2.2 大疆四旋翼無(wú)人機(jī)抗風(fēng)能力

風(fēng)作為一種空氣運(yùn)動(dòng)的自然現(xiàn)象，主要是因?yàn)閮傻刂g的氣壓差形成。從航空應(yīng)用角度對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行分類(lèi)，主要有以下幾種[1-2]：

①定常風(fēng)(空間某點(diǎn)在某時(shí)刻的空氣運(yùn)動(dòng)的主要部分)。風(fēng)的期望值，也就是在時(shí)間上相對(duì)穩(wěn)定的空氣運(yùn)動(dòng)。②風(fēng)切變(空氣運(yùn)動(dòng)沿高度的變化，也就是梯度風(fēng))。兩個(gè)高度上所測(cè)的風(fēng)之間矢量差除以高度差。③突風(fēng)(即陣風(fēng))。短時(shí)間或高度間隔內(nèi)，相對(duì)于基準(zhǔn)定常風(fēng)值的風(fēng)的隨意增量。④紊流(無(wú)規(guī)則的突風(fēng))。以大疆四旋翼無(wú)人機(jī)為測(cè)試對(duì)象，避開(kāi)公共場(chǎng)所，在博賀海洋氣象研究基地進(jìn)行測(cè)試。為避免出現(xiàn)炸機(jī)現(xiàn)象，測(cè)試風(fēng)力為定常風(fēng)最大不超過(guò)6級(jí)的風(fēng)力，也就是臺(tái)風(fēng)天或是當(dāng)氣象預(yù)警提示有短時(shí)雷雨大風(fēng)出現(xiàn)的天氣，不進(jìn)行無(wú)人機(jī)抗風(fēng)測(cè)試。

從四旋翼無(wú)人機(jī)中DJI Inspire1、DJI air2s的抗風(fēng)測(cè)試情況結(jié)果(見(jiàn)表1)看，①對(duì)于兩個(gè)同樣具備GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)的四旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，重量大的四旋翼無(wú)人機(jī)抗風(fēng)能力比重量小的四旋翼無(wú)人機(jī)抗風(fēng)能力要強(qiáng)些。②在DJI air2s起飛到懸停的過(guò)程中，4級(jí)風(fēng)力時(shí)機(jī)身傾斜角度<20°，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行維穩(wěn)調(diào)整，并可以執(zhí)行任務(wù)，但電池耗電率增大，而DJI Inspire1表現(xiàn)穩(wěn)定。需要注意的是，在進(jìn)行氣象災(zāi)情調(diào)查中，大部份的微型無(wú)人機(jī)都不能在雨天進(jìn)行作業(yè)，因此無(wú)人機(jī)通常是用于氣象災(zāi)后調(diào)查。

表1 四旋翼無(wú)人機(jī)(DJI Inspire1、DJI air2s)

結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，出現(xiàn)機(jī)身輕微的傾斜并不會(huì)影響飛行。但是當(dāng)有突風(fēng)或是紊流出現(xiàn)，且陣性風(fēng)力超過(guò)4級(jí)以上，像大疆御系列之類(lèi)的機(jī)身偏輕且更微小的四旋翼無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中容易傾斜，而當(dāng)微型無(wú)人機(jī)的機(jī)身傾斜成90°，無(wú)人機(jī)將會(huì)失去平衡，從而導(dǎo)致炸機(jī)。因此對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行抗風(fēng)能力的測(cè)試，能大大減小無(wú)人機(jī)炸機(jī)的概率，增大無(wú)人機(jī)的生存概率，同時(shí)也使無(wú)人機(jī)作業(yè)環(huán)境要求性降低，如有風(fēng)的天氣和風(fēng)大風(fēng)小的天氣，能及時(shí)判斷適合飛行的天氣條件，盡可能地減少在氣象防災(zāi)減災(zāi)工作使用中的損失[3]。

3 無(wú)人機(jī)在氣象災(zāi)情調(diào)查中的應(yīng)用

2016年5月19—20日，廣東省茂名市遭遇入汛以來(lái)最強(qiáng)降雨過(guò)程，其中信宜市東鎮(zhèn)街道信宜站點(diǎn)記錄到過(guò)程雨量高達(dá)495.5mm，是1954年有氣象記錄以來(lái)最強(qiáng)降水。強(qiáng)降雨造成信宜地區(qū)19個(gè)鎮(zhèn)約54萬(wàn)人受災(zāi)，緊急轉(zhuǎn)移約5萬(wàn)人；農(nóng)作物受災(zāi)面積高達(dá)25.37萬(wàn)畝，倒塌房屋 974間，造成直接經(jīng)濟(jì)損失11.97億元。

3.1 無(wú)人機(jī)在2016年“5·20信宜暴雨”氣象災(zāi)情調(diào)查的應(yīng)用

2016年5月21日，強(qiáng)降雨天氣結(jié)束后，廣東省氣象局、茂名市氣象局和信宜市氣象局工作人員一起前往信宜受災(zāi)地區(qū)緊急展開(kāi)災(zāi)后調(diào)查工作。

信宜市區(qū)、受災(zāi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)一片狼藉，許多地區(qū)土壤含水量仍偏高，土質(zhì)疏松，河床水位高且湍急，存在極大的安全隱患，再加上受災(zāi)范圍廣，給氣象災(zāi)情調(diào)查組和救援人員的工作帶來(lái)很大困難。為此氣象防災(zāi)減災(zāi)人員立即出動(dòng)無(wú)人機(jī)，在高空中進(jìn)行勘察受災(zāi)情況，及時(shí)了解河床水位情況與河床兩邊的農(nóng)田受災(zāi)嚴(yán)重程度和范圍，以及是否存在被洪水所困的人員，在時(shí)間上和空間上解決了人力無(wú)法快速到達(dá)的困難。及時(shí)將無(wú)人機(jī)拍攝的受災(zāi)地區(qū)的照片和視頻利用手機(jī)、手提電腦通過(guò)網(wǎng)絡(luò)回傳至茂名市突發(fā)事件預(yù)警信息中心的會(huì)商平臺(tái)，快速地將實(shí)際災(zāi)情情況向市政府、市氣象部門(mén)匯報(bào)，并提供相關(guān)資料給中國(guó)氣象頻道、廣東天氣進(jìn)行播出報(bào)道，同時(shí)在茂名天氣微博上發(fā)布。

3.2 分析與討論

暴雨、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣導(dǎo)致嚴(yán)重的氣象災(zāi)情，特別是暴雨過(guò)后所存在的地質(zhì)災(zāi)害滯后性的程度需要實(shí)地考察，然而現(xiàn)實(shí)中人員難以前往受災(zāi)區(qū)域進(jìn)行調(diào)查，甚至可能會(huì)因受災(zāi)區(qū)域存在安全隱患導(dǎo)致災(zāi)情調(diào)查人員出現(xiàn)傷亡事故。

而無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)與運(yùn)用正好解決了這方面的問(wèn)題，例如無(wú)人機(jī)在2016年的“5·20信宜暴雨”氣象災(zāi)情調(diào)查中，起到了舉足輕重的作用，也展現(xiàn)出無(wú)人機(jī)在氣象防災(zāi)減災(zāi)中的優(yōu)勢(shì)。另外，通過(guò)無(wú)人機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖傳，使有關(guān)政府部門(mén)對(duì)氣象災(zāi)情的了解更快速、直觀和透徹，為決策服務(wù)提供了有力的輔助[4-5]。

4 結(jié)論與展望

在廣東茂名地區(qū)，暴雨、臺(tái)風(fēng)是極易引發(fā)氣象災(zāi)情的災(zāi)害性天氣，常造成人員傷亡和嚴(yán)重財(cái)產(chǎn)損失，微型無(wú)人機(jī)以其便攜、快捷、可圖傳拍攝的優(yōu)勢(shì)為開(kāi)展城市內(nèi)澇分析和山體滑坡、山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害方面調(diào)查提供了第一手的資料，為政府部門(mén)提供氣象防災(zāi)減災(zāi)方面的決策輔助；另外，微型無(wú)人機(jī)的低空探測(cè)功能對(duì)于山區(qū)、海洋等傳統(tǒng)手段難以獲取相應(yīng)氣象數(shù)據(jù)的地區(qū)來(lái)說(shuō)，在大區(qū)域、長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量氣象參數(shù)時(shí)，使用微型無(wú)人機(jī)進(jìn)行氣象探測(cè)更節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，也在最大程度上避免不必要的人員傷亡事件出現(xiàn)；不僅如此，微型無(wú)人機(jī)還可以用于氣象應(yīng)急救災(zāi)、氣象科普、環(huán)保監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，具有非常廣泛的應(yīng)用前景[6]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的低空氣象服務(wù)倍受人們的親睞，使用微型無(wú)人機(jī)進(jìn)行氣象災(zāi)情勘察協(xié)助工作。隨著市場(chǎng)需求增大，微型無(wú)人機(jī)的科技飛速發(fā)展，其續(xù)航時(shí)間增加到了30min以上，直線范圍也升級(jí)到了4km甚至更廣，手機(jī)搖控器的系統(tǒng)除了支持IOS，還支持安卓、鴻蒙等手機(jī)終端系統(tǒng)，圖傳功能也更加便捷，為氣象防災(zāi)減災(zāi)的工作提供了更有利的輔助。

當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展對(duì)我們氣象預(yù)報(bào)提出了更高的要求，而氣象觀測(cè)是氣象預(yù)報(bào)決策服務(wù)的基礎(chǔ)，利用無(wú)人機(jī)氣象系統(tǒng)進(jìn)行氣象觀測(cè)必將對(duì)社會(huì)公共服務(wù)產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的影響。