以无人机为平台的城市热岛可行性研究

以无人机为平台的城市热岛可行性研究

陆蕊

（广州城建职业学院510925）

摘要城市热岛对地表特征和人类活动比较敏感，与城市化导致的下垫面改变、人口密度、城市大气污染有密切联系，随着国内外红外热成像技术的发展和小型民用无人机的逐步普及，使我们可以在短时间内对城市特定区域不同高度层下的地热数据和影像资料进行获取，成为一种有效的城市热岛研究手段。

关键词：无人机；红外热遥感；城市热岛效应

1引言

当前，随着城镇化建设的高速发展，城市热环境已成为主导城市生态环境的重要因素之一。而城市热岛效应正是城市热环境最明显的特征。如何利用有效的新技术手段进行城市热岛问题研究，满足政府城市规划决策需求，弥补依靠传统自动站和卫星等手段的不足，已势在必行。因此，拟利用当今先进的无人机技术和红外热传感技术，对重点区域城市地表热岛问题进行可行性分析研究。

基于城市地表热岛效应分布和动态变化规律的研究，不仅有利于深入了解大城市小尺度气候变化特征，同时也可为未来政府城市规划决策提供重要的数据支撑。

2系统整体设计思路

以无人机为平台研究城市热岛观测系统以小型多旋翼无人机为载体，主要利用无人机技术和红外热传感技术，结合现代传感器技术、物联网技术、通信技术、自动控制技术和计算机技术，实现城市近地表不同高度层热环境影像数据资料的实时采集，并完成观测信息数据的无线远程传输和地面数据分析处理。系统框架如图1所示。

图1系统框架

3系统要求

系统的无人机平台需要采用小型六旋翼无人机，该无人机要能精确定点飞行和悬停，有效载荷能达5kg以上，有效通信传输距离能达3km。热岛效应观测设备主要由红外热成像仪和相应的附属设备构成。地面站软件包括无人机飞控软件和地热影像数据分析处理软件两部分。

4系统设计

4.1无人机温度测量

无人机观测过程中，其飞行速度可由几米到几十米，为了能准确反映所测量空气的温度，选用响应速度快的温度传感器，避免由于传感器滞后带来的测量误差。结合一些研究和实验结果，珠状热敏电阻在常压下响应时间小于1秒，可作为主要的传感器。另外为保证传感器的测量性能，传感器必需有较好的通风。

4.2红外热遥感

根据红外辐射在大气层中的传输特性，可以将红外辐射按波长分为近红外（0.76~3μm）、中红外（3~5μm）、远红外（8~12μm）。其中远红外波段主要接收地物发射的光谱，是常温下地物热辐射能量最集中的波段，可用来探测温度分布，进行城市热岛效应检测。以无人机载远红外设备获取的影像，对城市地表温度进行反演，即可获取地热分布图像。

4.3城市热岛研究方案

以无人机为平台的城市热岛观测平台主要是在无人机上装载红外热成像，红外热成像仪通过两轴稳定云台与无人机相连，在姿态传感器的支持下，机载计算机可控制云台使热成像仪主光轴保持与地面水平或垂直，从而获取不同高度层不同视角的地热影像资料，并发送回地面站。

地面站通过地热影像数据分析处理软件将热成像设备传回的影像资料进行处理，首先对其进行几何校正、拼接、三维建模渲染和各种数据分析等，获取热场分布，然后利用高分光学影像技术，对获取的热场分布数据进行热岛分析和研究，为开展大城市小尺度热岛效应研究提供直观、精细、准确的数据和影像资料。

4.4城市热岛可行性分析

通过研制搭载红外热成像设备的无人机城市热岛观测平台和数据分析处理系统，对某市重点区域进行分析，通过所获取的观测影像资料和分析数据，对该市城市地表热岛时空分布特征、变化规律及改善对策进行了研究，建立了分布模型，构建了小尺度条件下的地热环境与人体舒适度相关指标体系，为该市城市规划建设提供了重要数据支撑。

结束语

本文以无人机为平台，结合红外热传感技术进行城市热岛问题可行性研究，将研究从地面引向空间，为解决城市热岛研究这一难题提供了切实可行的有效方法。