崩滑流典型災(zāi)害無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)分析

王 斌 王英謀

(1.廣東省國土資源測繪院,廣東 廣州 510663;2.自然資源部華南亞熱帶自然資源監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510663;3.廣東省自然資源科技協(xié)同創(chuàng)新中心,廣東 廣州,510663)

0 引言

應(yīng)急測繪為各類突發(fā)性自然災(zāi)害提供基礎(chǔ)性地理信息服務(wù),是綜合開展防災(zāi)減災(zāi)工作的重要組成部分,現(xiàn)代測繪技術(shù)和地理信息成果現(xiàn)已成為準(zhǔn)確掌握突發(fā)自然災(zāi)害災(zāi)情險(xiǎn)情的重要手段,是實(shí)施減災(zāi)救災(zāi)工作的基礎(chǔ)依據(jù)與保障[1-2]。廣東省位于中國最南部,屬熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),海洋和大陸對氣候造成明顯影響,全年濕熱多雨,夏季多臺(tái)風(fēng),降雨時(shí)間長、強(qiáng)度大,熱帶氣旋、暴雨洪澇、低溫雨雪冰凍、局部地區(qū)干旱等自然災(zāi)害頻發(fā)[3-6]。僅2019年廣東省共發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)5 865處,威脅總?cè)丝?7.77萬人,潛在經(jīng)濟(jì)損失82.73億元[7]。防災(zāi)減災(zāi)形勢嚴(yán)峻,為快速保障應(yīng)急測繪時(shí)效性、成果可靠性,對無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)選型提出迫切需求。傳統(tǒng)全野外地形點(diǎn)采集方式提供應(yīng)急測繪保障響應(yīng)不及時(shí)、成果較為單一、人員安全存在一定風(fēng)險(xiǎn),已難以滿足救災(zāi)應(yīng)急要求。災(zāi)害應(yīng)急無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)逐步成為應(yīng)急測繪保障服務(wù)主要方式[8]。當(dāng)前國內(nèi)無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)以多旋翼小型機(jī)為主體,運(yùn)行成本低、執(zhí)行任務(wù)靈活[9],但在抗風(fēng)能力、姿態(tài)穩(wěn)定度、續(xù)航能力等方面還存在一定局限[10-11],固定翼小型機(jī)在起降場地勘察等方面增加了作業(yè)難度,普遍依賴以往應(yīng)急救災(zāi)經(jīng)驗(yàn)和人員自身技術(shù)水平[12],大載荷復(fù)合翼無人機(jī)應(yīng)急系統(tǒng)逐漸成為應(yīng)對自然災(zāi)害惡劣環(huán)境新的發(fā)展方向[13-14]。

2010年以來廣東省為有效應(yīng)對以崩滑流為主要災(zāi)種的斜坡變形破壞突發(fā)自然災(zāi)害[15],加速推進(jìn)應(yīng)急測繪保障能力建設(shè)。引進(jìn)多型固定翼、旋翼、復(fù)合翼無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng),搭載機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)、大幅面框幅式數(shù)碼航攝系統(tǒng)、多平臺(tái)傳感器集成系統(tǒng),有力支撐了突發(fā)自然災(zāi)害應(yīng)急測繪保障工作?；诖吮疚南到y(tǒng)總結(jié)分析典型突發(fā)災(zāi)種無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)選型指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù),形成應(yīng)對典型災(zāi)種有效應(yīng)急測繪系統(tǒng)選型方案,對改進(jìn)優(yōu)化應(yīng)急測繪保障工作十分必要,對地表變形破壞災(zāi)害以及臺(tái)風(fēng)洪澇、森林防火防旱災(zāi)害也具有參考意義。

1 無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)組成

無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)主要包括固定翼、多旋翼和復(fù)合翼無人機(jī)系統(tǒng),具有反應(yīng)快、機(jī)動(dòng)靈活、適合不同災(zāi)害環(huán)境下作業(yè)等優(yōu)點(diǎn),是傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)新的發(fā)展領(lǐng)域。固定翼無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)主要適用大型(特大型)災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取,國家應(yīng)急測繪保障能力建設(shè)省級單項(xiàng)工程建設(shè)主要滿足短航時(shí)大載荷復(fù)合翼無人機(jī)應(yīng)急測繪迫切需求[16]。該系統(tǒng)是突發(fā)事件現(xiàn)場信息的重要獲取渠道之一,主要承擔(dān)中小型自然災(zāi)害及重點(diǎn)區(qū)域遙感影像獲取,由飛行器、傳感器分系統(tǒng)、指揮控制平臺(tái)分系統(tǒng)、綜合保障平臺(tái)分系統(tǒng)等部分組成,如圖1所示。多旋翼無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)作為近年來發(fā)展快速發(fā)展起來的高新技術(shù),可垂直起降、定點(diǎn)懸停[17],對場地要求較低,云雨影響較小,對高位遠(yuǎn)程、人不能至的小型災(zāi)害數(shù)據(jù)獲取具有明顯優(yōu)勢,主要由飛行平臺(tái)、控制系統(tǒng)、任務(wù)載荷及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成[18-19]。

圖1 無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)組成

飛行平臺(tái)(飛行器)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的基本平臺(tái),可同時(shí)搭載光學(xué)傳感器及激光系統(tǒng)、光電吊艙、定位定姿系統(tǒng)等傳感器,并接受無人機(jī)及相關(guān)載荷的控制指令,對飛行姿態(tài)和設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行控制。傳感器分系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)的核心組成部分,由光電吊艙、輕型大面陣航攝或激光系統(tǒng)、任務(wù)計(jì)算機(jī)三部分構(gòu)成。指揮控制平臺(tái)分系統(tǒng)由指控設(shè)備和視距數(shù)據(jù)鏈組成,其通過視距數(shù)據(jù)鏈完成地面控制指令的生成及發(fā)送、無人飛行器系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的接收與顯示,以及對光學(xué)面陣傳感器和光電吊艙的遠(yuǎn)程狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和控制。綜合保障平臺(tái)分系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理軟件和數(shù)據(jù)處理硬件組成,其功能主要包括航線設(shè)計(jì),以及對傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場快速處理,滿足突發(fā)事件現(xiàn)場信息的獲取需求。

2 崩滑流典型災(zāi)害應(yīng)急測繪系統(tǒng)選型指標(biāo)

應(yīng)急測繪系統(tǒng)選型主要指標(biāo)以無人機(jī)應(yīng)急信息獲取平臺(tái)、傳感器分系統(tǒng)為主體,是崩滑流典型地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場多源數(shù)據(jù)獲取的重要技術(shù)組成。無人機(jī)應(yīng)急信息獲取平臺(tái)配備多型號(hào)無人機(jī)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)短時(shí)間全省無人機(jī)應(yīng)急監(jiān)測服務(wù),對尺寸、任務(wù)載荷、起降條件、航速航時(shí)升限以及抗風(fēng)性提出更高要求[20]。傳感器分系統(tǒng)用于應(yīng)急測繪多源數(shù)據(jù)采集,如可見光影像、高清視屏、定位定姿數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)等[21-22]。人機(jī)應(yīng)急測繪保障系統(tǒng)配置及關(guān)鍵指標(biāo)如表1所示。

表1 無人機(jī)應(yīng)急測繪保障系統(tǒng)配置及關(guān)鍵指標(biāo)

2.1 多旋翼無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)

中小型崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生現(xiàn)場一般伴隨云霧、降雨天氣,航攝通視性較差,多旋翼無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)主要從環(huán)境適應(yīng)性、安全性、傳感器互換通用性及航攝成圖效率進(jìn)行衡量。應(yīng)急環(huán)境主要考慮抗風(fēng)防雨、起降續(xù)航以及最大載荷能力幾個(gè)方面,比如四旋翼無人機(jī)搭載(microdrones 4,MD4)索尼可換鏡頭相機(jī)(interchangeable lens camera whit E-mount,ILCE)與大疆經(jīng)緯(M600,matrice 600)搭載睿鉑相機(jī)(digital group3,DG3)作業(yè)飛行時(shí)間均不足30 min,對高位遠(yuǎn)程人不能至災(zāi)體的適應(yīng)性存在一定局限。應(yīng)急操作安全主要體現(xiàn)是否支持動(dòng)態(tài)后處理測量/實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量(post processed kinematic/real time kinematic,PPK/RTK)、遠(yuǎn)距離通信、自動(dòng)避障等功能指標(biāo)上,MD4+ILCE暫不支持PPK/RTK定位導(dǎo)航,M600+DG3通訊距離長達(dá)30 km,支持PPK/RTK定位導(dǎo)航以及自動(dòng)避障返航等安全性能表現(xiàn)更優(yōu)。傳感器互換通用性主要考慮無人機(jī)平臺(tái)搭載任務(wù)設(shè)備種類及傳感器互換通用性指標(biāo)上,MD4-1000平臺(tái)最大起飛重量7 kg,任務(wù)載荷3 kg,除搭載ILCE-QX1L五拼傾斜相機(jī)、DG3傾斜相機(jī),對于重量及接口云臺(tái)要求稍高如高光譜成像儀、激光雷達(dá)則較難以使用。航攝成圖效率是應(yīng)急測繪必然內(nèi)在要求,快速的數(shù)據(jù)獲取及處理是支撐減災(zāi)救災(zāi)決策重要依據(jù),主要考慮航攝規(guī)劃設(shè)計(jì)、巡航速度與智能控制水平、相機(jī)焦距及曝光時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸效率與成圖制圖效率等參考指標(biāo),MD4+ILCE相機(jī)焦距正射20 mm、傾斜35 mm,最小曝光間隔大于4 s,M600+DG3相機(jī)焦距正射28 mm、傾斜43 mm,最小曝光間隔大于0.8 s,均采用五鏡頭統(tǒng)一拷貝方式進(jìn)行數(shù)據(jù)下載及智能化處理成圖。

2.2 短航時(shí)復(fù)合翼及固定翼應(yīng)急測繪系統(tǒng)

大中型崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害具有危害范圍廣、破壞性強(qiáng)的特點(diǎn),及時(shí)快速獲取災(zāi)區(qū)大范圍地形及房屋破壞、流量土方、洪水淹沒是應(yīng)急測繪重要任務(wù),是配置短航時(shí)復(fù)合翼及固定翼應(yīng)急測繪系統(tǒng)選型重要考慮因素。由于從災(zāi)區(qū)周邊區(qū)域起飛,航高比旋翼無人機(jī)更高,甚至達(dá)到4 000 m巡航高度,應(yīng)急環(huán)境適應(yīng)性主要體現(xiàn)動(dòng)力燃料、巡航速度、實(shí)用升限、任務(wù)載荷等主要指標(biāo),如愛生近程無人機(jī)218(aisheng asn 218,ASN218)與縱橫垂起無人機(jī)30(change world30,CW30)均采用燃油動(dòng)力,相較ZC3C電動(dòng)引擎續(xù)航及穩(wěn)定性方面更優(yōu),同時(shí)ASN218具有80 kg最大起飛重量,任務(wù)載荷超過20 kg,可搭載光電吊艙,配置可見光、熱紅外視頻傳感器。兩款復(fù)合翼方案均設(shè)計(jì)支持PPK/RTK高精度定位導(dǎo)航,具有很強(qiáng)的安全性能。特別是掛載如RIGEL大測距廣視場角激光雷達(dá)系統(tǒng)能提供災(zāi)區(qū)高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù),分類處理高精度數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)成果,套合疊加災(zāi)前三維模型為計(jì)算災(zāi)害體發(fā)生土方量淹沒范圍提供數(shù)據(jù)支撐,

3 崩滑流典型災(zāi)害應(yīng)急測繪系統(tǒng)應(yīng)用分析

崩塌、滑坡、泥石流等典型斜坡變形破壞突發(fā)自然災(zāi)害有其各自特征,需配置選用不同的無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)。崩塌是高陡斜坡上的天然巖土體在重力作用下突然脫離母體崩落、滾動(dòng)、堆積坡腳(溝谷)的地質(zhì)現(xiàn)象,坡體前緣臨空,坡度大于45°,坡面上一般有多組新發(fā)展的裂縫,其上建筑物、植被有新的變形跡象,裂隙發(fā)育或存在易滑軟弱結(jié)構(gòu)面,如2015年臺(tái)風(fēng)“彩虹”新誘發(fā)山體崩塌造成房屋倒塌[23]。表現(xiàn)規(guī)模一般較小,需獲取災(zāi)后精細(xì)地形及評估破壞程度信息,一般選用多旋翼無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)?；率切逼律系奶烊粠r土體受河流沖刷、地下水活動(dòng)、地震及降雨等因素影響,在重力作用下沿一定的軟弱面(軟弱帶)整體向下滑動(dòng)的地質(zhì)現(xiàn)象,如2022年河源市龍川縣上坪、麻布崗山體滑坡[24]。坡體的坡度介于25°～45°之間,前緣附近地面出現(xiàn)隆起變形或鼓脹裂縫,后緣出現(xiàn)拉張裂縫,斜坡兩側(cè)側(cè)緣出現(xiàn)羽狀剪切或拉張裂縫,其上建構(gòu)筑物出現(xiàn)傾斜、開裂狀況,樹木存在“馬刀樹”或“醉漢林”等跡象,獲取傾斜及高密度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以清晰調(diào)查災(zāi)體跌坎、擦痕、位移等信息,根據(jù)規(guī)模大小及作業(yè)天氣選擇多旋翼無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)、短航時(shí)復(fù)合翼應(yīng)急測繪系統(tǒng)為優(yōu)先序的作業(yè)方案。泥石流是因降雨誘發(fā)在溝谷或坡面產(chǎn)生的一種攜帶有大量泥沙、石塊等固體物質(zhì)的特殊洪流,如2013年廣東省興寧市鐵山嶂礦區(qū)特大型泥石流災(zāi)害[25],具有爆發(fā)突然、歷時(shí)短暫和破壞力強(qiáng)的特點(diǎn),形成一般具備匯水、物源和溝道條件,上游坡面或溝谷中存在大量松散巖土體或存在崩塌、滑坡隱患,且處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為避免人員作業(yè)安全隱患、綜合系統(tǒng)測控距離、續(xù)航起降等條件,有效獲取并評估災(zāi)體發(fā)生規(guī)模及威脅程度,一般選用短航時(shí)復(fù)合翼應(yīng)急測繪系統(tǒng)。

多旋翼無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)應(yīng)對中小型崩塌、滑坡具有明顯優(yōu)勢,起降靈活簡便。常用的MD4-1000四旋翼無人機(jī)掛載索尼ILCE-QX1L五拼傾斜相機(jī)(記為MD4+ILCE方案),以及M600六旋翼無人機(jī)掛載DG3傾斜相機(jī)(記為M600+DG3)兩種配置組合,是應(yīng)急救災(zāi)現(xiàn)場獲取災(zāi)體傾斜三維模型、正射影像較為成熟方案,如表2所示。

表2 多旋翼無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)兩種方案比較

圖2即采用M600+L1獲取的災(zāi)體激光點(diǎn)云數(shù)據(jù),圖3即采用M600+DG3相機(jī)獲取的載體傾斜三維模型。

圖2 M600+L1小型滑坡災(zāi)害彩色點(diǎn)云

圖3 M600+DG3小型滑坡災(zāi)害傾斜三維模型

短航時(shí)復(fù)合翼應(yīng)急測繪系統(tǒng)建設(shè)是近年來國家及省級應(yīng)急測繪保障機(jī)制建設(shè)重要內(nèi)容,要求具有短距離飛行與控制、突發(fā)事件現(xiàn)場遙感信息獲取以及數(shù)據(jù)快速處理功能。能夠從突發(fā)事件現(xiàn)場周邊起飛,具備較好的續(xù)航能力(不小于3 h)和中距離控制(大于100 km)能力,對起飛條件要求較低。能夠應(yīng)對復(fù)雜天氣和地形環(huán)境影響,最大限度地保障航空應(yīng)急測繪工作的有效開展,同時(shí)適合低空低速飛行,滿足無人機(jī)航空攝影作業(yè)要求。早期中測無人機(jī)遙感系統(tǒng)(zhongce-3c,ZC3C)電動(dòng)固定翼無人機(jī)搭載索尼ILCE-7R鏡頭因其對跑道彈射傘降、設(shè)備磨損影像較大,已逐步退出主流無人機(jī)應(yīng)急測繪選型配置方案,更多采用如ASN218/CW30垂起復(fù)合翼系列,具有安全性高、作業(yè)方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢,表3對三種典型短航時(shí)復(fù)合翼及固定翼應(yīng)急測繪系統(tǒng)進(jìn)行了比較。

表3 復(fù)合翼及固定翼無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)三種方案比較

4 結(jié)束語

廣東省斜坡變形災(zāi)害集中發(fā)生在山區(qū)坡腳,受切坡建房等人類工程活動(dòng)影響較大。地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)多發(fā),崩塌、滑坡、泥石流典型地質(zhì)災(zāi)害占比高,總結(jié)提出適合廣東省突發(fā)自然災(zāi)害應(yīng)急測繪保障不同災(zāi)害類型無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)選型指標(biāo)是必要的。本文分別歸納了多旋翼無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)和固定翼復(fù)合翼無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)組成及其特點(diǎn),以及主要災(zāi)害應(yīng)用場景選型參考指標(biāo),為快速準(zhǔn)確獲取應(yīng)急指揮所需基礎(chǔ)地理信息資料提供解決方案。隨著科學(xué)技術(shù)快速更新發(fā)展,以產(chǎn)品化系留無人機(jī)應(yīng)急測繪指揮系統(tǒng),以及長距離高速帶寬數(shù)據(jù)無線回傳技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證,依靠地面線纜供電,可以24 h不中斷地停留在空中執(zhí)行通訊、照明和指揮任務(wù),是無人機(jī)應(yīng)急測繪系統(tǒng)走向綜合指揮系統(tǒng)發(fā)展之路。