多源空間信息技術(shù)在全國水文應(yīng)急演練中的應(yīng)用

孫振勇，馬耀昌，任勇，金奇

（1.長江水利委員會長江上游水文水資源勘測局，重慶 400014； 2.長江水利委員會水文局，湖北武漢 430010）

多源空間信息技術(shù)在全國水文應(yīng)急演練中的應(yīng)用

孫振勇1*，馬耀昌1，任勇2，金奇1

（1.長江水利委員會長江上游水文水資源勘測局，重慶 400014； 2.長江水利委員會水文局，湖北武漢 430010）

快速有效地處置突發(fā)自然災(zāi)害依賴于相關(guān)職能機(jī)構(gòu)的應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)能力，多空間多時相的高精技術(shù)運(yùn)用則為應(yīng)急監(jiān)測提供了強(qiáng)有力支撐。本文簡要介紹了多源空間技術(shù)基本原理和作業(yè)方法，以長江委水文上游局在2015年全國水文應(yīng)急演練為例，對木洞河流域高危水文應(yīng)急現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)急監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理。演練方案評價表明，基于多源空間技術(shù)進(jìn)行水文應(yīng)急監(jiān)測，對監(jiān)測精度和搶險救災(zāi)處置效率有較大提高。

應(yīng)急監(jiān)測；三維激光掃描；無人機(jī)系統(tǒng)；一體化數(shù)字測深

1　引 言

應(yīng)急演練目的是為提升搶險救災(zāi)水文應(yīng)急監(jiān)測能力，完善快速、有序、高效的應(yīng)急工作機(jī)制，保持各機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)人及隊員的應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)能力，為應(yīng)急處置突發(fā)水事件提供有力的技術(shù)支撐。2015年4月全國水文應(yīng)急演練現(xiàn)場，假設(shè)重慶市巴南區(qū)木洞河流域發(fā)生了特大暴雨洪水，并形成了高危型堰塞湖，嚴(yán)重威脅著下游人民群眾生命財產(chǎn)安全。長江委水文局應(yīng)急搶險總隊上游支隊（以下簡稱水文上游局）緊急奔赴堰塞湖現(xiàn)場實施應(yīng)急水文監(jiān)測，收集堰塞湖區(qū)域的有關(guān)水文資料。水文上游局承擔(dān)的外業(yè)應(yīng)急水文監(jiān)測任務(wù)有無人機(jī)低空攝影測量、堰塞體測量、堰塞湖測量。監(jiān)測中投入了無人機(jī)系統(tǒng)、三維激光掃描儀、一體化數(shù)字測深儀等水、陸、空的多源空間信息技術(shù)。本文以水文上游局在全國水文應(yīng)急演練監(jiān)測為背景，探討了基于多源空間信息技術(shù)對應(yīng)急監(jiān)測的綜合影響及評價。

2　原理與方法概述

2.1無人機(jī)攝影測量技術(shù)

無人機(jī)攝影測量技術(shù)是指利用無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）搭載數(shù)碼攝像（攝影）機(jī)，基于攝影測量的基本原理對目的物進(jìn)行數(shù)字/數(shù)字化影像獲取，自動（半自動）提取被攝對象用數(shù)字方式表達(dá)的幾何與物理信息，從而獲得各種形式的數(shù)字產(chǎn)品和目視化產(chǎn)品。無人機(jī)系統(tǒng)適用于800 m以下的各種調(diào)查、航空攝影測量。

圖1　三維激光掃描儀工作原理

2.2三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)利用激光測距的原理，完整并高精度的重建掃描實物，快速獲得空間三維數(shù)據(jù)，具有采集速度快、高分辨率、高精度、非接觸式測量、實時、動態(tài)以及高度自動化等優(yōu)勢［1］。三維激光掃描儀主要由測距系統(tǒng)、測角系統(tǒng)及其他輔助功能構(gòu)成，如內(nèi)置相機(jī)雙軸補(bǔ)償器等［2］。其工作原理都是通過測距系統(tǒng)獲取每個掃描點到掃描儀的距離S，再配合測角系統(tǒng)獲取掃描的水平角α和垂直角φ，如圖1所示。利用式（1）即可計算出每一個掃描點（如p點）與掃描儀的空間相對三維坐標(biāo)信息Xp、Yp、Zp，然后在掃描的過程中利用本身的垂直和水平馬達(dá)等傳動裝置，完成對目標(biāo)物體的全方位掃描，并最終獲取掃描物體的點云數(shù)據(jù)［3］。

2.3一體化數(shù)字測深儀無驗潮測深技術(shù)

現(xiàn)有的測深技術(shù)已經(jīng)融合了GPS、測深儀、計算機(jī)技術(shù)等。在計算機(jī)上配備換能器接口，同時獲取水深數(shù)據(jù)、GPS定位坐標(biāo)并融合在一起。應(yīng)急監(jiān)測情況下，不能滿足處處能通過三角高程（或水準(zhǔn)、水位自記、梯調(diào)遙測）獲得的水位高程，因此利用GPS-RTK技術(shù)測量得到水下測點時GPS天線相位中心高程，最后根據(jù)水深、GPS天線相位中心量至換能器底部高度、吃水量值改算到水下測點的高程。該方法即無驗潮模式下GPS水下測量［4～6］。

3　監(jiān)測實施

本次應(yīng)急搶險水文監(jiān)測任務(wù)主要包括:雨量觀測、降水測報、堰塞體測量、堰塞湖水下地形測量、災(zāi)情分析等項目（本文僅闡述測繪方面實施）。依據(jù)監(jiān)測內(nèi)容，每個科目對應(yīng)一個應(yīng)急分隊對模擬災(zāi)區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)融合內(nèi)業(yè)組匯總處理，形成分析報告。實施流程如圖2所示:

圖2　應(yīng)急監(jiān)測實施流程圖

3.1無人機(jī)低空攝影

MD-1000無人機(jī)系統(tǒng)搭載高性能攝影機(jī)，飛行抵達(dá)堰塞體、堰塞湖等模擬區(qū)域上空，開展空中懸停攝影，獲取最新的堰塞體區(qū)域影像圖片資料，并將所獲得信息和視頻傳送回地面控制站。地面微波控制站實時傳回后方指揮部。結(jié)果顯示堰塞體上旗幟等小目標(biāo)物均能清晰展示，效果良好。隨后搭載全幅相機(jī)，進(jìn)行數(shù)字化航測作業(yè)。在本次實施應(yīng)急航拍過程中，考慮到當(dāng)?shù)馗呱綅{谷、多云多雨等惡劣條件，利用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行150 m～200 m超低空航拍。此次航拍共飛行2個架次，獲取200張0.05 m高分辨率影像，覆蓋面積涵蓋整個模擬潰壩區(qū)和堰塞湖區(qū)域。經(jīng)過隨后快速影像拼接，制作完成了《全國水文應(yīng)急演練木洞河流域模擬災(zāi)害區(qū)無人機(jī)影像圖》，如圖3所示。

圖3　全國水文應(yīng)急演練木洞河流域模擬災(zāi)害區(qū)無人機(jī)高分辨率DOM圖

從無人機(jī)系統(tǒng)獲取的影像數(shù)據(jù)和影像圖成果資料分析，初步掌握了災(zāi)區(qū)大致情況，一是潰壩量小，堰塞體數(shù)據(jù)仍需其他技術(shù)進(jìn)一步補(bǔ)充完善，二是堰塞湖水下地形資料缺失，需要進(jìn)行水下地形測量；三是當(dāng)前災(zāi)區(qū)安全狀況允許技術(shù)人員進(jìn)行進(jìn)一步監(jiān)測。隨后指揮部下達(dá)指令，命令應(yīng)急分隊同時采取三維激光掃描儀和沖鋒船分別獲取堰塞體和堰塞湖相關(guān)數(shù)據(jù)資料。

3.2三維激光掃描儀測量

依據(jù)災(zāi)區(qū)DOM資料，堰塞體測量小組迅速規(guī)劃了測站掃描方案，并及時展開了堰塞體測量。此次水文應(yīng)急演練采用的是 Rigel VZ-2000，其掃測速度在300 kHZ，掃測距離達(dá)到了2 800 m以上（儀器標(biāo)稱為2 000 m，基于驗證測試數(shù)據(jù)）。監(jiān)測人員利用GPS獲取測站點及三維激光掃靶標(biāo)點的三維坐標(biāo)，架設(shè)了三個測站利用三維激光掃描儀開展模擬堰塞體掃測，從而獲得堰塞體坐標(biāo)、下底長度、上頂寬度、壩底高程和壩頂高程等基本信息。并通過點云數(shù)據(jù)獲得堰塞體局部地形和堰塞體三維模型。用短波電臺向內(nèi)業(yè)應(yīng)急水文分析組報送堰塞湖體測量成果。

掃測過程中同時進(jìn)行了影像拍照，將影像資料附加至點云上，便可以得到調(diào)查點的三維實景圖像，并通過RiscanPro軟件實時輸出，以方便瀏覽和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。圖4所示為疊加影像后的堰塞體的點云圖及左岸三維立體模型。

圖4　疊加影像后的堰塞體的點云圖及左岸三維立體模型圖

3.3水下地形測量

由于船體、機(jī)器等龐大笨重，現(xiàn)場決策組根據(jù)無人機(jī)低空遙感資料，制定了從木洞河右岸，堰塞體上游約50 m的下河最優(yōu)路線。并根據(jù)DOM圖獲取了河心線坐標(biāo)，很快制定了水下測量計劃方案。堰塞湖測量小組在堰塞體壩前布置測船，搭載GPS和數(shù)字化測深儀，調(diào)試無線控制設(shè)備和計算機(jī)，及時展開了堰塞體河道地形測量。并對獲取數(shù)據(jù)實時處理，現(xiàn)場傳輸堰塞湖相關(guān)成果至指揮部。圖5為堰塞湖水下地形圖及建模計算數(shù)據(jù)［7］。

圖5　堰塞湖水下地形圖及堰塞湖關(guān)鍵數(shù)據(jù)

4　結(jié) 論

通過此次水文應(yīng)急演練監(jiān)測顯示，多源空間信息技術(shù)能及時、有效地應(yīng)對中小河流突發(fā)暴雨洪水造成的突發(fā)水事件，提供有力的技術(shù)支撐作用，確保處置安全有效。多源空間信息技術(shù)主要表現(xiàn)出以下特點:

（1）監(jiān)測技術(shù)智能一體，聯(lián)動決策。

在多源空間信息技術(shù)則依據(jù)測量需求自由搭載多種聲、光、電磁傳感設(shè)備，依靠先進(jìn)嵌入式計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通訊技術(shù)和智能控制技術(shù)組成了內(nèi)外業(yè)一體化的測量平臺。不同儀器相互取長補(bǔ)短，相互配合，為指揮決策實施提供依據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)獲取:多元性、綜合性、大面積的同步觀測

多源空間信息技術(shù)測量平臺可以將不同儀器的測量數(shù)據(jù)融合在一起，用戶不僅可以直接獲得點數(shù)據(jù)的實時三維坐標(biāo)。還可以同時獲取測區(qū)的點云數(shù)據(jù)、DSM、DOM、DEM、DRG、DLG等各類數(shù)據(jù)產(chǎn)品。繼而獲得測區(qū)的地質(zhì)地貌、地形植被、水文土壤等各類綜合信息。

（3）效率快，精度高，經(jīng)濟(jì)效益擴(kuò)大。

多源空間信息技術(shù)初期投入的費(fèi)用比傳統(tǒng)監(jiān)測儀器要大很多，但與傳統(tǒng)的方法相比，可以大大地節(jié)省人力、物力、財力和時間，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。數(shù)據(jù)產(chǎn)品運(yùn)用廣泛，附加值也較高。

（4）降低了作業(yè)強(qiáng)度，提高了安全性能。

多源空間信息技術(shù)采用了大量非觸源式作業(yè)模式，儀器替代了人員到達(dá)危險困難區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。一定程度上提高了測量技術(shù)人員作業(yè)安全系數(shù)。同時依靠強(qiáng)大的計算機(jī)處理技術(shù)，大大減輕了測量技術(shù)人員的外業(yè)、內(nèi)業(yè)工作強(qiáng)度。

隨著監(jiān)測技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展與提高，相信多源空間信息技術(shù)勢必會在今后的應(yīng)急搶險救災(zāi)中大展身手，更好地發(fā)揮科技進(jìn)步的優(yōu)勢，更快地提供真實可靠的數(shù)據(jù)，更好地服務(wù)于水文應(yīng)急監(jiān)測。

參考文件

［1］于廣婷，白立飛.基于三維激光掃描技術(shù)的大比例尺地形圖繪制方法［J］.現(xiàn)代測繪，2012，35（S）：97～99.

［2］白立飛，于廣婷，盧曉龍等.三維激光掃描技術(shù)在青島市房地產(chǎn)開發(fā)中的應(yīng)用［J］.山東國土資源，2011，27（3）：41～43.

［3］陳波，徐超，溫增平.三維激光掃描技術(shù)在震害調(diào)查中的應(yīng)用［J］.震災(zāi)防御技術(shù)，2015，10（1）：87～93.

［4］孫振勇，李俊，張燕.基于GPS無驗潮水深測量在自然河段沖淤變化的精度探討［J］.北京測繪，2016，02（1）：87～93.

［5］趙建虎.現(xiàn)代海洋測繪［M］.武漢：武漢大學(xué)，2008.110～114.

［6］陽凡林，趙建虎.GPS驗潮中波浪的誤差分析和消除［J］.海洋測繪，2003，23（3）：1～4.

［7］孫振勇，包波，樊曉濤.GPS-RTK技術(shù)在河道演變觀測中的應(yīng)用探討［C］.中國測繪學(xué)會九屆三次理事會暨2007年“信息化測繪論壇”學(xué)術(shù)年會論文集海洋測繪.北京：中國測繪學(xué)會，2007.

Application of Multi-source Spatial Technology in the National Hydrological Emergency Drills

Sun Zhenyong1，Ma Yaochang1，Ren Yong2，Jin Qi1
（1.Bureau of Hydrology and Water Resources Survey of the Upper Yangtze River，Chongqing 400014，China；2.Bureau of Hydrology and Water Resources Survey of the Yangtze River，Wuhan 430010，China）

Dealing with natural disaster fast and effectively depends on the emergency monitoring techniques of relevant public institutions，and multi-space and multi-temporal techniques provide powerful support for emergency monitoring.Based on the National Hydrology Emergency Drill of the upper Changjiang river bureau of hydrological and water resources survey during 2015，the basic principles and operation methods of multi-source space technology are introduced briefly，taking MuDong River basins hydrological emergency scene with high-risk as an example，emergency monitoring，data processing and comparative study with traditional methods are carried out.The results showed that the precision of monitoring and the efficiency for disaster relief could be significantly increased with multi-source space technology used for hydrographic emergency monitoring.

emergency monitoring；3D laser scanning；unmanned aircraft system；the integration of digital sounding

1672-8262（2016）04-87-04

P231，P235

B

2016—03—04

孫振勇（1985—），男，工程師，主要從事水文測繪、河道勘測等工作。