無人機(jī)遙感在黑龍江特大洪水應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用

黃筱 張林杰 馮剛 練金亮

摘要：

傳統(tǒng)的洪水應(yīng)急監(jiān)測方法往往會(huì)受到地形、天氣等環(huán)境條件限制，不能及時(shí)獲取災(zāi)害現(xiàn)場的詳細(xì)信息。無人機(jī)因其具有靈活性強(qiáng)、時(shí)間分辨率高和響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，應(yīng)用于洪水應(yīng)急監(jiān)測具有獨(dú)特優(yōu)勢。以2021年6月黑龍江上游發(fā)生的特大洪水為例，闡述了無人機(jī)遙感在洪澇災(zāi)害淹沒范圍描述、防洪堤壩滲漏定性及定量分析中的應(yīng)用情況。結(jié)果表明：無人機(jī)遙感能夠有效且快速地獲取洪峰過境前、后的洪水淹沒面積變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏隱患點(diǎn)，為災(zāi)情處置決策提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：

無人機(jī)； 遙感系統(tǒng)； 特大洪水； 應(yīng)急監(jiān)測； 數(shù)字正射影像； 黑龍江省

中圖法分類號(hào)：TP79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.006

文章編號(hào)：1006-0081（2023）03-0034-05

0 引 言

傳統(tǒng)的洪水應(yīng)急監(jiān)測難以實(shí)現(xiàn)快速、完整、重復(fù)的災(zāi)情信息獲取。相較于傳統(tǒng)測量方式以及航空遙感技術(shù)、有人機(jī)遙感技術(shù)，無人機(jī)遙感技術(shù)具有靈活性強(qiáng)、安全高效、時(shí)間分辨率高、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)。利用無人機(jī)遙感技術(shù)可在災(zāi)害發(fā)生后迅速準(zhǔn)確獲取災(zāi)情信息，為救災(zāi)指揮機(jī)構(gòu)的正確決策提供重要依據(jù)。近年來，無人機(jī)遙感系統(tǒng)發(fā)展迅速，成為了自然災(zāi)害災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，已成功應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查［1］、災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測［2］、災(zāi)損調(diào)查與評(píng)估［3-4］、滑坡調(diào)查評(píng)估［5］、災(zāi)害應(yīng)急救援［6］等諸多領(lǐng)域中。無人機(jī)遙感在自然災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用包括災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查和災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測兩個(gè)方面［7-9］。災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查主要是災(zāi)后利用數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM） 和數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）進(jìn)行災(zāi)損調(diào)查與評(píng)估，對(duì)成果精度要求較高。而災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測主要是災(zāi)中利用僅經(jīng)自由網(wǎng)平差后的無人機(jī)遙感影像，生成災(zāi)區(qū)現(xiàn)場全景影像，用以輔助應(yīng)急救援和災(zāi)害評(píng)估，對(duì)成果精度要求較低［1］。目前，無人機(jī)遙感系統(tǒng)在自然災(zāi)害中的應(yīng)用研究主要集中于滑坡、泥石流、地震等山地災(zāi)害，而針對(duì)洪水應(yīng)急監(jiān)測的研究較少。本文以2021年6月黑龍江上游發(fā)生的特大洪水為例，為無人機(jī)遙感系統(tǒng)在洪水應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用提供實(shí)踐參考。

1 應(yīng)急監(jiān)測概況

2021年6月，受持續(xù)強(qiáng)降雨及額爾古納河、石勒喀河來水共同影響，黑龍江上游發(fā)生特大洪水。黑龍江干流及支流額木爾河、盤古河、呼瑪河、塔河均發(fā)生超保證水位洪水，多為建站以來第1位或第2位洪水［7］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅大興安嶺地區(qū)與黑河市兩地，農(nóng)作物受災(zāi)面積6.76萬hm2，受災(zāi)農(nóng)房2 175戶，11個(gè)縣（區(qū)）3.03萬人受災(zāi)，緊急轉(zhuǎn)移安置1.96萬人，并造成多處水利工程、公路、橋涵等基礎(chǔ)設(shè)施受損［10］。

災(zāi)害發(fā)生后，國家應(yīng)急部迅速組織了專家組趕赴黑龍江進(jìn)行險(xiǎn)情詳查和預(yù)測分析，為應(yīng)急搶險(xiǎn)工作提供技術(shù)支撐。經(jīng)相關(guān)部門商討決定，本次應(yīng)急監(jiān)測選擇了黑龍江呼瑪縣、三卡鄉(xiāng)、紅色邊疆農(nóng)場3個(gè)受災(zāi)較為嚴(yán)重的縣城或鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為應(yīng)急監(jiān)測分析的主要區(qū)域。

2 洪水無人機(jī)監(jiān)測指標(biāo)

洪澇災(zāi)害發(fā)生后往往會(huì)導(dǎo)致災(zāi)害現(xiàn)場通訊、交通中斷，測量人員與裝備難以及時(shí)到達(dá)，采用傳統(tǒng)測量方式無法使救災(zāi)指揮機(jī)構(gòu)及時(shí)有效掌握災(zāi)害現(xiàn)場情況。而無人機(jī)具有靈活性強(qiáng)、響應(yīng)迅速等優(yōu)勢，在洪水應(yīng)急監(jiān)測中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值［11］。

無人機(jī)主要用于對(duì)受災(zāi)區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測對(duì)象進(jìn)行快速監(jiān)測，包括水體和防洪堤壩滲漏監(jiān)測。其中，水體監(jiān)測主要是獲取洪峰過境前后的淹沒范圍信息［12］；防洪堤壩滲漏監(jiān)測則是基于水體監(jiān)測獲得的洪峰過境前后淹沒范圍信息確定堤壩滲漏位置。

（1） 淹沒范圍。洪水的淹沒范圍是指洪災(zāi)發(fā)生時(shí)被洪水淹沒在水面以下的受淹區(qū)域，目前利用遙感影像監(jiān)測水體的方法主要有單波段法、多波段法以及水體指數(shù)法等［12］。針對(duì)不同的遙感影像（如光學(xué)影像、微波影像）應(yīng)采用不同的水體監(jiān)測方法。

（2） 防洪堤壩滲漏。在防洪堤壩修建完成后，往往由于位置和材料的原因而易發(fā)生滲漏，尤其在洪災(zāi)發(fā)生水位上漲后，壩身擋水時(shí)必然出現(xiàn)滲水，如果滲水面積過大或出現(xiàn)滲流破壞，將隨著流速加快而引發(fā)防洪堤壩滲漏險(xiǎn)情。

3 技術(shù)路線

利用無人機(jī)遙感系統(tǒng)快速獲取洪峰過境前后兩期受災(zāi)區(qū)航測數(shù)據(jù)成果，然后基于無人機(jī)影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)，經(jīng)自由網(wǎng)空三數(shù)據(jù)處理，生成高分辨率正射影像數(shù)據(jù)。最后利用遙感解譯與空間分析技術(shù)對(duì)洪峰過境前后的高分辨率正射影像進(jìn)行分析、對(duì)比，獲取監(jiān)測指標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)洪水應(yīng)急監(jiān)測。技術(shù)路線如圖1所示。

4 數(shù)據(jù)采集

本次無人機(jī)遙感系統(tǒng)主要用于采集高分辨率正射影像，使用便捷高效的多旋翼輕小型無人機(jī)飛馬E2000和大疆精靈4 RTK。其中，E2000搭載E-CAM2000航測模塊，大疆精靈4 RTK搭載CMOS傳感器，無人機(jī)遙感系統(tǒng)具體相關(guān)參數(shù)見表1。

2021年6月21日組織航攝人員趕赴現(xiàn)場，22日晚間到達(dá)呼瑪縣，當(dāng)晚完成航線初步規(guī)劃。在航飛過程中，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況對(duì)初步設(shè)計(jì)的航線進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，最終航線示意見圖2。

根據(jù)不同區(qū)域的災(zāi)情設(shè)定了不同分辨率，將呼瑪縣劃分成了呼瑪?shù)谭琅c呼瑪縣城兩個(gè)區(qū)塊，設(shè)定的分辨率分別為4 cm和8 cm。三卡鄉(xiāng)劃分為三卡堤防與三卡鄉(xiāng)兩個(gè)區(qū)塊，設(shè)定分辨率分別為4 cm和6 cm。紅色邊疆農(nóng)場則統(tǒng)一設(shè)定為6 cm的分辨率。其中，高分辨率影像主要是為查看堤壩等重點(diǎn)防洪設(shè)施的滲漏情況，而低分辨率影像主要用以查看鄉(xiāng)鎮(zhèn)或縣城的全局受災(zāi)情況。具體航線相關(guān)參數(shù)見表2。

外業(yè)航攝人員于2021年6月29日順利完成了預(yù)選地點(diǎn)呼瑪縣、三卡鄉(xiāng)、紅色邊疆農(nóng)場的所有遙感影像數(shù)據(jù)采集工作。洪峰過境前與洪峰過境后航攝面積共93.5 km2，累計(jì)飛行32架次，采集了16 866張遙感影像，具體各區(qū)域分塊的工作量見表3。

5 數(shù)據(jù)處理與信息提取

經(jīng)檢查，獲取的影像數(shù)據(jù)色彩均勻、亮度一致、清晰且能夠滿足本次防洪搶險(xiǎn)應(yīng)急監(jiān)測要求。對(duì)于獲取的影像數(shù)據(jù)，利用飛馬無人機(jī)管家軟件制作呼瑪縣、三卡鄉(xiāng)、紅色邊疆農(nóng)場預(yù)選地點(diǎn)的數(shù)字正射影像圖。處理影像數(shù)據(jù)之前，采用載波相位事后差分技術(shù)（Post-processed kinematic，PPK）解算無人機(jī)影像的POS數(shù)據(jù)，以確保影像POS精度。

完成影像POS數(shù)據(jù)的事后差分解算后，將其與影像數(shù)據(jù)、相機(jī)文件導(dǎo)入飛馬無人機(jī)管家中的智拼圖模塊，經(jīng)自由特征提取及匹配、自由網(wǎng)空三解算、勻色及鑲嵌數(shù)等據(jù)處理步驟后，可輸出數(shù)字正射影像圖。受測區(qū)地形環(huán)境的影響，以及為了保證影像數(shù)據(jù)的時(shí)效性，未進(jìn)行加入地面控制點(diǎn)的區(qū)域網(wǎng)空三平差數(shù)據(jù)處理工作。

無人機(jī)洪水應(yīng)急檢查指標(biāo)主要包括：淹沒范圍、防洪堤壩滲漏信息。監(jiān)測信息提取包括遙感解譯和綜合分析。以無人機(jī)低空航攝數(shù)據(jù)處理生成的洪峰過境前后高分辨率DOM為底圖，基于ArcGIS采用人機(jī)交互方式進(jìn)行解譯，提取洪峰過境前后淹沒界線、淹沒范圍以及淹沒面積信息。根據(jù)解譯出的洪峰過境前后淹沒范圍、面積，結(jié)合防洪堤壩位置，綜合分析出防洪堤壩滲漏位置以及面積。

通過處理無人機(jī)遙感系統(tǒng)采集的洪峰前、后影像數(shù)據(jù)，得到了高分辨率的DOM，并對(duì)其進(jìn)行人機(jī)交互判讀，統(tǒng)計(jì)了呼瑪縣、三卡鄉(xiāng)以及紅色邊疆農(nóng)場洪峰過境前、后的淹沒面積變化，分別見圖3～5。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測指標(biāo)發(fā)現(xiàn)：呼瑪縣防洪堤10 km至12 km+500 m處洪峰后新增滲水面積0.41 km2、防洪堤12 km+500 m至15 km處新增滲水面積0.062 km2；三卡鄉(xiāng)防洪堤首、尾洪峰后新增滲水面積0.31 km2以及紅色邊疆農(nóng)場防洪堤7 km+100 m至16 km+800 m處新增滲水面積0.528 km2，具體統(tǒng)計(jì)情況見表4。上述地點(diǎn)存在明顯隱患，需要及時(shí)采取處理措施。將上述隱患點(diǎn)向上反饋并預(yù)警后，得到了有效處置。

6 結(jié) 語

本次調(diào)查對(duì)黑龍江呼瑪縣、三卡鄉(xiāng)、紅色邊疆農(nóng)場的洪水災(zāi)情開展了無人機(jī)監(jiān)測，對(duì)洪水水體和防洪堤壩滲漏監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測提取。結(jié)果表明：基于無人機(jī)的洪水應(yīng)急監(jiān)測方法，能有效快速準(zhǔn)確獲取洪峰過境前后洪水水體面積變化和防洪堤壩滲漏情況，可將洪水影響情況進(jìn)行量化，有利于指導(dǎo)防洪救災(zāi)決策判斷。輕小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)在洪水應(yīng)急監(jiān)測中具有精確、快速、有效的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了監(jiān)測效率，對(duì)于突發(fā)災(zāi)害的應(yīng)急調(diào)查、預(yù)警、分析評(píng)估、決策咨詢等具有參考意義。

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（編輯：李 慧）

Application of UAV remote sensing system in emergency monitoring of catastrophic flood in Heilongjiang Province

HUANG Xiao，ZHANG Linjie，F(xiàn)ENG Gang，LIAN Jinliang

（PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited，Guiyang 550081，China）Abstract：

The traditional flood emergency monitoring methods are often limited by the terrain，weather and other environmental conditions，which can not obtain the detailed information of the disaster site in time.UAV（Unmanned Aerial Vehicle） has unique advantages in flood emergency monitoring because of its strong flexibility，high time resolution and rapid response.Taking the catastrophic flood in the upper reaches of Heilongjiang Province in June 2021 as an example，this paper expounded the application of UAV remote sensing in the description of flood disaster inundation range，qualitative and quantitative analysis of flood dike leakage.The results showed that UAV remote sensing can effectively and quickly obtain the changes of flood inundation area before and after the flood peak crossing，and timely identified the hidden leakage points，providing data support for disaster disposal decisions.

Key words：

unmanned aerial vehicle； remote sensing system； catastrophic flood； emergency monitoring； digital orthophoto map；Heilongjiang Province

收稿日期：

2022-04-24

作者簡介：

黃 筱，男，高級(jí)工程師，主要從事無人機(jī)的應(yīng)用研究。E-mail：814018785@qq.com

通信作者：

張林杰，男，主要從事激光數(shù)據(jù)處理與三維建模相關(guān)工作。 E-mail：zhanglj7@foxmail.com