孫振勇，馬耀昌，任勇，金奇

（1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局，重慶 400014； 2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，湖北武漢 430010）

多源空間信息技術(shù)在全國(guó)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(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局，重慶 400014； 2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)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(cè)技術(shù)能力，多空間多時(shí)相的高精技術(shù)運(yùn)用則為應(yīng)急監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力支撐。本文簡(jiǎn)要介紹了多源空間技術(shù)基本原理和作業(yè)方法，以長(zhǎng)江委水文上游局在2015年全國(guó)水文應(yīng)急演練為例，對(duì)木洞河流域高危水文應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)急監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)處理。演練方案評(píng)價(jià)表明，基于多源空間技術(shù)進(jìn)行水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)精度和搶險(xiǎn)救災(zāi)處置效率有較大提高。

應(yīng)急監(jiān)測(cè)；三維激光掃描；無(wú)人機(jī)系統(tǒng)；一體化數(shù)字測(cè)深

1　引 言

應(yīng)急演練目的是為提升搶險(xiǎn)救災(zāi)水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)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(duì)員的應(yīng)急監(jiān)測(cè)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(guó)水文應(yīng)急演練現(xiàn)場(chǎng)，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(cái)產(chǎn)安全。長(zhǎng)江委水文局應(yīng)急搶險(xiǎn)總隊(duì)上游支隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱水文上游局）緊急奔赴堰塞湖現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施應(yīng)急水文監(jiān)測(cè)，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(cè)任務(wù)有無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量、堰塞體測(cè)量、堰塞湖測(cè)量。監(jiān)測(cè)中投入了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、三維激光掃描儀、一體化數(shù)字測(cè)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(guó)水文應(yīng)急演練監(jiān)測(cè)為背景，探討了基于多源空間信息技術(shù)對(duì)應(yīng)急監(jiān)測(cè)的綜合影響及評(píng)價(jià)。

2　原理與方法概述

2.1無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)是指利用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（UAS）搭載數(shù)碼攝像（攝影）機(jī)，基于攝影測(cè)量的基本原理對(duì)目的物進(jìn)行數(shù)字/數(shù)字化影像獲取，自動(dòng)（半自動(dòng)）提取被攝對(duì)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(wú)人機(jī)系統(tǒng)適用于800 m以下的各種調(diào)查、航空攝影測(cè)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(cè)距的原理，完整并高精度的重建掃描實(shí)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(cè)量、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)以及高度自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)［1］。三維激光掃描儀主要由測(cè)距系統(tǒng)、測(cè)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(guò)測(cè)距系統(tǒng)獲取每個(gè)掃描點(diǎn)到掃描儀的距離S，再配合測(cè)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(jì)算出每一個(gè)掃描點(diǎn)（如p點(diǎn)）與掃描儀的空間相對(duì)三維坐標(biāo)信息Xp、Yp、Zp，然后在掃描的過(guò)程中利用本身的垂直和水平馬達(dá)等傳動(dòng)裝置，完成對(duì)目標(biāo)物體的全方位掃描，并最終獲取掃描物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)［3］。

2.3一體化數(shù)字測(cè)深儀無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深技術(shù)

現(xiàn)有的測(cè)深技術(shù)已經(jīng)融合了GPS、測(cè)深儀、計(jì)算機(jī)技術(shù)等。在計(jì)算機(jī)上配備換能器接口，同時(shí)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(cè)情況下，不能滿足處處能通過(guò)三角高程（或水準(zhǔn)、水位自記、梯調(diào)遙測(cè)）獲得的水位高程，因此利用GPS-RTK技術(shù)測(cè)量得到水下測(cè)點(diǎn)時(shí)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(cè)點(diǎn)的高程。該方法即無(wú)驗(yàn)潮模式下GPS水下測(cè)量［4～6］。

3　監(jiān)測(cè)實(shí)施

本次應(yīng)急搶險(xiǎn)水文監(jiān)測(cè)任務(wù)主要包括:雨量觀測(cè)、降水測(cè)報(bào)、堰塞體測(cè)量、堰塞湖水下地形測(cè)量、災(zāi)情分析等項(xiàng)目（本文僅闡述測(cè)繪方面實(shí)施）。依據(jù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容，每個(gè)科目對(duì)應(yīng)一個(gè)應(yīng)急分隊(duì)對(duì)模擬災(zāi)區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)融合內(nèi)業(yè)組匯總處理，形成分析報(bào)告。實(shí)施流程如圖2所示:

圖2　應(yīng)急監(jiān)測(cè)實(shí)施流程圖

3.1無(wú)人機(jī)低空攝影

MD-1000無(wú)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(kāi)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(shí)時(shí)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(cè)作業(yè)。在本次實(shí)施應(yīng)急航拍過(guò)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(wú)人機(jī)進(jìn)行150 m～200 m超低空航拍。此次航拍共飛行2個(gè)架次，獲取200張0.05 m高分辨率影像，覆蓋面積涵蓋整個(gè)模擬潰壩區(qū)和堰塞湖區(qū)域。經(jīng)過(guò)隨后快速影像拼接，制作完成了《全國(guó)水文應(yīng)急演練木洞河流域模擬災(zāi)害區(qū)無(wú)人機(jī)影像圖》，如圖3所示。

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

從無(wú)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(cè)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(cè)。隨后指揮部下達(dá)指令，命令應(yīng)急分隊(duì)同時(shí)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(cè)量

依據(jù)災(zāi)區(qū)DOM資料，堰塞體測(cè)量小組迅速規(guī)劃了測(cè)站掃描方案，并及時(shí)展開(kāi)了堰塞體測(cè)量。此次水文應(yīng)急演練采用的是 Rigel VZ-2000，其掃測(cè)速度在300 kHZ，掃測(cè)距離達(dá)到了2 800 m以上（儀器標(biāo)稱為2 000 m，基于驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)）。監(jiān)測(cè)人員利用GPS獲取測(cè)站點(diǎn)及三維激光掃靶標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，架設(shè)了三個(gè)測(cè)站利用三維激光掃描儀開(kāi)展模擬堰塞體掃測(cè)，從而獲得堰塞體坐標(biāo)、下底長(zhǎng)度、上頂寬度、壩底高程和壩頂高程等基本信息。并通過(guò)點(diǎn)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(tái)向內(nèi)業(yè)應(yīng)急水文分析組報(bào)送堰塞湖體測(cè)量成果。

掃測(cè)過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行了影像拍照，將影像資料附加至點(diǎn)云上，便可以得到調(diào)查點(diǎn)的三維實(shí)景圖像，并通過(guò)RiscanPro軟件實(shí)時(shí)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(diǎn)云圖及左岸三維立體模型。

圖4　疊加影像后的堰塞體的點(diǎn)云圖及左岸三維立體模型圖

3.3水下地形測(cè)量

由于船體、機(jī)器等龐大笨重，現(xiàn)場(chǎng)決策組根據(jù)無(wú)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(cè)量計(jì)劃方案。堰塞湖測(cè)量小組在堰塞體壩前布置測(cè)船，搭載GPS和數(shù)字化測(cè)深儀，調(diào)試無(wú)線控制設(shè)備和計(jì)算機(jī)，及時(shí)展開(kāi)了堰塞體河道地形測(cè)量。并對(duì)獲取數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，現(xiàn)場(chǎng)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(jì)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(guò)此次水文應(yīng)急演練監(jiān)測(cè)顯示，多源空間信息技術(shù)能及時(shí)、有效地應(yīng)對(duì)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(diǎn):

（1）監(jiān)測(cè)技術(shù)智能一體，聯(lián)動(dòng)決策。

在多源空間信息技術(shù)則依據(jù)測(cè)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(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)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(cè)量平臺(tái)。不同儀器相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，相互配合，為指揮決策實(shí)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(cè)

多源空間信息技術(shù)測(cè)量平臺(tái)可以將不同儀器的測(cè)量數(shù)據(jù)融合在一起，用戶不僅可以直接獲得點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)。還可以同時(shí)獲取測(cè)區(qū)的點(diǎn)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(cè)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(cè)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(cái)力和時(shí)間，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(xiǎn)困難區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。一定程度上提高了測(cè)量技術(shù)人員作業(yè)安全系數(shù)。同時(shí)依靠強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，大大減輕了測(cè)量技術(shù)人員的外業(yè)、內(nèi)業(yè)工作強(qiáng)度。

隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)、計(jì)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(shì)必會(huì)在今后的應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)中大展身手，更好地發(fā)揮科技進(jìn)步的優(yōu)勢(shì)，更快地提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，更好地服務(wù)于水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)。

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(cè)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(kāi)發(fā)中的應(yīng)用［J］.山東國(guó)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(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量在自然河段沖淤變化的精度探討［J］.北京測(cè)繪，2016，02（1）：87～93.

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

［6］陽(yáng)凡林，趙建虎.GPS驗(yàn)潮中波浪的誤差分析和消除［J］.海洋測(cè)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(cè)中的應(yīng)用探討［C］.中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)九屆三次理事會(huì)暨2007年“信息化測(cè)繪論壇”學(xué)術(shù)年會(huì)論文集海洋測(cè)繪.北京：中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)，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(cè)繪、河道勘測(cè)等工作。