康山大壩無人機LiDAR三維高程模型 中國科學院地理科學與資源研究所供圖
現在，研究人員已經掌握無人機之間的組網遙感技術；未來，希望實現衛星遙感和無人機組網。兩網之間可以互通有無，應對洪災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’。”
7月27日，中國科學院地理科學與資源研究所黨委書記、副所長廖小罕從江西回到北京。前段時間他帶領的科技部國家重點研發計劃“高頻次迅捷無人航空器區域組網遙感觀測技術”項目團隊一直奮戰在鄱陽湖防汛一線，相關技術成果在鄱陽湖區域防汛工作中發揮了重要作用。
今年6月以來，中國南方多地持續降水。國家衛星氣象中心綜合利用風云四號靜止和風云三號極軌氣象衛星，結合多源定量遙感產品，對南方多地的大氣形勢和雨帶內局地突發強天氣進行了綜合監測，為決策部門開展搶險救災提供實時精密的天氣綜合監測信息。
衛星遙感和無人機等信息技術，在抗洪搶險一線發揮了怎樣的作用？
“千里眼”捕捉風云變化
衛星遙感是自然災害監測的利器，汛期降水是造成洪澇最重要的因素。從20世紀80年代開始，國家衛星氣象中心就開始利用衛星對汛期的降水天氣和水體進行監測。
國家衛星氣象中心衛星氣象研究所所長張興贏告訴《中國科學報》：“當時，研究人員主要采用國外一些衛星提供的資料。近年來，隨著我國風云三號和風云四號衛星以及高分系列衛星陸續投入運行，國產衛星資料逐漸占據主導地位。”
在應對洪澇災害中，國產衛星的作用逐漸顯現。張興贏介紹，國家衛星氣象中心每天用風云三號、高分系列等多源衛星資料，對我國的重點湖泊、水庫、河流等水體進行監測已成常態，同時基于長序列的衛星遙感資料，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害的監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。“由氣象衛星提供的淮河蒙洼蓄洪區高分辨率影像與風云三號D星水體提取范圍疊加圖，可見蓄洪區增加的水體對部分農田和村莊產生的影響。”張興贏說，“為應對淮河流域洪澇災害，我們加強了多源衛星資料應用監測，特別在蒙洼蓄洪區進行了連續動態監測，對蒙洼蓄洪區內的水體變化進行持續評估。”
近期，針對長江中下游、淮河流域的水體和洪澇情況，國家衛星氣象中心利用風云四號靜止和風云三號極軌氣象衛星，集聚多儀器監測能力，聯合湖北、江西、湖南、安徽、江蘇等省氣象局，結合地面雷達、閃電、地面氣象觀測以及數值預報等多種資料進行綜合應用，制作了十余期《衛星遙感重要信息專報》服務材料。
無人機組網“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上漲。當天，廖小罕帶領無人機團隊，緊急調動參與應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域開展高精度超高分辨率無人機組網遙感監測。
廖小罕告訴《中國科學報》：“我們的無人機在康山大堤首批組網作業共飛行十余架次，獲得了最大覆蓋范圍400余平方公里的超高分辨率影像，結合國家級地理信息平臺數據和歷史衛星遙感數據分析比對，及時精確掌握了康山大堤和下游泄洪區洪水現勢性情況。”
緊接著，當日晚，江西省九江市永修縣西修河三角聯圩發生潰堤。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，對三角聯圩開展高精度無人機組網遙感監測。這樣的反應速度是傳統監測手段難以企及的。
“本來只寫了鄱陽湖試驗的‘腳本’，沒想到在這里完成了數場‘無劇本’的臨時任務。”廖小罕介紹，“‘高頻次迅捷無人航空器區域組網遙感觀測技術’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。”
通過實戰演練，廖小罕親身感受到一個字“快”。從獲取數據，到分析數據，再到形成報告，都需要快速響應，第一時間滿足一線需求。
目前洪澇災害防治工作，尤其堤岸巡查方面，依賴大量人力。廖小罕團隊研發的高頻次迅捷無人航空器組網管控系統為組網大腦的系列遙感觀測技術，可以解放部分人力，并提供實時視頻、受災區域快視圖、堤壩的激光雷達高程圖等。
廖小罕說：“無人機組網遙感觀測技術在大面積、小時級、高精度、動態信息迅捷獲取方面具有明顯優勢，這也是應急救災信息化和啟動應急響應的基礎。”
強強聯手發揮所長
衛星遙感和無人機組網都在抗洪一線大顯身手，兩者強強聯合，可以發揮1+1＞2的效應。
清華大學水利水電工程系研究員龍笛在接受《中國科學報》采訪時說：“衛星光學遙感可以獲取水體面積信息，例如洪水淹沒面積；衛星雷達測高可以獲取水位信息，如河流和湖泊水位，二者在洪水監測中發揮著重要作用。”
龍笛還指出，衛星遙感監測水體的時間分辨率還有待提高。比如，極軌衛星不會長期停留在某一水體上空進行實時監測。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星的數量，以便進行組網監測；二是利用搭載不同傳感器的衛星，進行協同監測。
此前，龍笛團隊借助谷歌地球引擎識別光學遙感影像中湖泊的岸線變化，并將其轉換為湖泊水位變化信息，再結合湖泊面積轉化為水量變化信息，從而將缺乏測高衛星數據的大中型湖泊水位、水量變化數據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，廖小罕表示，現在他們已經掌握無人機之間的組網遙感技術，未來希望實現衛星遙感和無人機組網。兩網之間可以互通有無，應對洪災的時候獲取的信息也會更加全面。
與此同時，當地防汛部門就巡堤現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對管涌、滲漏等情況實時監測？
當前，因為洪水淹沒，管涌、滲漏往往比較隱蔽，靠人力尋找或出現遺漏，而無人機遙感和紅外技術可以發現人眼看不到的地方。
針對決堤口寬度、洪澇淹沒面積、災區道路損毀情況以及糧食和經濟作物和水產養殖等的受災情況，廖小罕團隊利用現有技術已經可以實時統計受災村莊、人口以及建筑物損毀等情況。
下一步，他希望團隊可以為災害預警、災害發生實時監測和災后評估提供全方位的技術支持，比如災前通過分析估算蓄滯洪區早稻等糧食和經濟作物的收割情況、建筑和人口稠密區最新分布情況、安全轉移路線，并做好水位高度、堤岸完好度巡查等工作。
在廖小罕看來，無人機組網遙感技術未來可期。他希望更多的民營企業可以參與其中，開展產學研協同攻關，加速工程化應用的進程。
（原載于《中國科學報》 2020-07-30 第3版 信息技術)
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