胡小青，李善飛，張嘉琦

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

山洪災害頻發(fā)易發(fā)區(qū)山高坡陡、植被茂密、人員難以通行，尤其可用數(shù)據(jù)資料偏少，采用傳統(tǒng)的測量方式（人工實測或航測手段）對于效率要求不高的測量能夠滿足要求，但對于時效性要求較高的重大山洪災害事件調查而言不再適用。無人機機載激光雷達測量系統(tǒng)具有靈活、便捷、快速、實時的優(yōu)勢，而且其系統(tǒng)建設成本相對于常規(guī)測量手段較低，因此該系統(tǒng)出現(xiàn)為重大山洪災害調查提供了一種更高效快捷的技術實施方案及更精確的基礎數(shù)據(jù)來源。雖然當前有不少學者將激光雷達技術在山洪災害調查領域中進行了嘗試，但概括來說在該領域內積累的經(jīng)驗較少，并沒有結合具體項目應用形成一套完整的生產(chǎn)流程。因此本文提出了利用無人機激光雷達技術進行重大山洪災害事件的快速調查，首先給出了重大山洪災害事件調查的完整流程，然后對流程中涉及的關鍵技術進行簡要介紹，最后以北京市門頭溝區(qū)6.18洪水為例進行了應用示范，實現(xiàn)了該區(qū)域調查要素的自動提取，并對災害進行了分析。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)組成

無人機機載激光雷達測量系統(tǒng)定位技術、導航技術、激光測距技術、測控信息傳輸技術及無人駕駛飛行等技術組成，是一種成本低廉的全新專用化對地觀測系統(tǒng)[1，2]。該系統(tǒng)主要由飛行平臺、定位系統(tǒng)、掛載部分（成像裝置或激光測距系統(tǒng)）以及控制系統(tǒng)四個部分組成。

（1）飛行平臺。無人機激光雷達系統(tǒng)以無人機為飛行平臺。比如市面常見的固定翼、旋翼無人機。相對于傳統(tǒng)的航攝平臺，無人機較為靈活，能夠進行小區(qū)域范圍內數(shù)據(jù)的快速獲取，尤其針對植被茂密、人員難以到達的山洪災害頻發(fā)區(qū)更具適應性[3]。

（2）激光掃描測距系統(tǒng)。主要由機械掃描單元和激光測距單元兩部分構成[3]，前者決定了激光腳點的分布特征，后者則用來獲取每個目標物激光腳點至雷達發(fā)射參考點間的距離。

（3）定向定位系統(tǒng)。定位定向系統(tǒng)也即定位和慣性導航系統(tǒng)。差分定位系統(tǒng)能夠保證正確的航向，限制漂移；慣性導航系統(tǒng)能夠獲取彌補GPS信號的中斷失鎖，兩種系統(tǒng)結合可最終獲取激光掃描測距系統(tǒng)距離中心發(fā)射點的空間三維坐標[4-7]。

（4）同步控制單元與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。同步控制單元主要用來實現(xiàn)系統(tǒng)的同步、記錄及控制，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)則通過計算機和相關軟件來進行數(shù)據(jù)的分析。

1.2 系統(tǒng)定位原理

無人機激光雷達系統(tǒng)可通過動態(tài)差分GPS接收機獲取激光發(fā)射瞬間的位置，根據(jù)IMU導航定位獲取飛行的姿態(tài)，并通過激光掃描裝置獲取激光腳點至參考點的間距，通過相應的坐標變換，按照空間三角測量的原理，即可求出目標點的三維坐標信息[8]。設A點為激光掃描儀投影中心，位置信息由差分GPS提供；β、ω、κ為飛行姿態(tài)參數(shù)，分別代表俯仰、翻滾及偏航；B點為待求的目標點位置，則目標點位置解算的計算公式如下[9]：

1.3 系統(tǒng)實施作業(yè)及點云數(shù)據(jù)前期處理

無人機機載激光雷達測距系統(tǒng)可獲取點云的空間位置信息、回波次數(shù)、回波強度及掃描角度等信息，若系統(tǒng)與成像裝置集成還能得到影像的光譜信息。論文采用無人機激光雷達系統(tǒng)對山洪災害調查要素進行提取主要針對的是點云的空間坐標信息。其中無人機激光雷達系統(tǒng)實施作業(yè)的總體流程如圖1所示。

圖1 總體作業(yè)流程Figure1 Operation process

由圖1可知，無人機激光雷達系統(tǒng)實施作業(yè)流程基本可分為前期作業(yè)準備、數(shù)據(jù)采集獲取與數(shù)據(jù)檢查處理三個主要階段。其中前期作業(yè)準備為作業(yè)實施的前提基礎，獲取數(shù)據(jù)后需對數(shù)據(jù)進行檢查處理，最終獲得處理后的目標成果。

其中點云數(shù)據(jù)的處理包括前期處理及后處理兩個階段，前期處理為基礎數(shù)據(jù)去噪、裁剪、拼接等，可獲取完整且質量較好的基礎數(shù)據(jù)，后期處理則是針對任務目的進行點云濾波、點云分類及信息提取等操作，通常后期處理可借助于現(xiàn)成的商業(yè)軟件[9，10]，但是針對重大山洪災害事件調查工作并沒有形成一套完整的流程，以及快速獲取調查要素的一整套完整的處理流程，也沒有針對該應用目的的商業(yè)軟件，因此本文提出了一套山洪災害調查要素的完整流程，并對流程中的關鍵技術進行了分析，并基于流程及關鍵技術進行了軟件研發(fā)。

2 重大山洪災害事件快速調查

重大山洪災害事件快速調查的重點是在較短的時間內給出遙感快速調查的結論。主要內容包括收集高分衛(wèi)星影像，獲取無人機影像、點云數(shù)據(jù)，比對分析受災前后的變化，確定山洪災害的影響范圍、山洪災害的洪水規(guī)模以及水利工程的損毀情況。結合現(xiàn)場調查結果，校核對比影像分析成果，收集人員傷亡財產(chǎn)損失數(shù)據(jù)，給出重大山洪災害事件遙感快速調查結論。

2.1 山洪災害快速調查流程

基于高分影像、無人機影像數(shù)據(jù)進行重大山洪災害事件快速調查的流程如圖2所示。

由圖2可知，重大山洪災害事件快速調查流程如下。

圖2 重大山洪災害事件快速調查流程Figure2 The process of major mountain flood disasters investigation

（1）首先收集災前遙感影像數(shù)據(jù)、基礎地理信息數(shù)據(jù)（行政界、居民點、道路、水系等信息），同時獲取災后無人機影像及點云數(shù)據(jù)，得到應用基礎數(shù)據(jù)。

（2）然后對受災前后高分影像進行處理，消除各種輻射畸變和幾何畸變，并對點云數(shù)據(jù)進行處理，生成4D產(chǎn)品。

（3）采用面向對象分類自動分類法，輔助人工目視解譯方式，對受災前后影像進行變化檢測，提取變化區(qū)域，分析山洪水毀數(shù)量、洪水規(guī)模等相關數(shù)據(jù)。

（4）其次基于圖斑遙感解譯結果進行重大山洪災害事件現(xiàn)場調查，對室內解譯成果進行復核驗證，同步采集人員傷亡、經(jīng)濟財產(chǎn)損失數(shù)據(jù)。

（5）最后根據(jù)遙感解譯成果、現(xiàn)場數(shù)據(jù)調查結果開展水文分析、演算洪水過程，分析成災原因和規(guī)模，得到重大山洪災害事件調查結論。

2.2 關鍵技術與分析

2.2.1 災前數(shù)據(jù)處理

遙感影像在獲取過程中，會受到諸如大氣吸收與散射、傳感器定標、地形曲率、空氣折射等因素的影響，加上傳感器平臺本身的高度、姿態(tài)等不穩(wěn)定，同一地物輻射值會有差異[11-13]，因此需通過輻射定標、大氣校正、正射校正、圖像融合、鑲嵌與裁剪等操作對災前高分影像進行處理，消除不變地物的輻射值差異。

2.2.2 災后數(shù)據(jù)獲取及處理

對重點受災區(qū)域采用無人機激光雷達系統(tǒng)進行高分辨率地形數(shù)據(jù)采集，包括遙感影像、激光點云數(shù)據(jù)采集，并對無人機影像及點云數(shù)據(jù)進行處理。無人機影像易出現(xiàn)旋偏角大、傾角無規(guī)律、重疊度不規(guī)則、比例尺各異及灰度不一致等問題，其影像處理主要為畸變糾正。災后點云數(shù)據(jù)除了常規(guī)的處理獲取地形信息外，重要的還要對洪水規(guī)模進行分析，包括過水斷面面積、洪痕水位、河道比降及洪峰流量等信息，采用點云數(shù)據(jù)進行洪水規(guī)模分析的關鍵在于獲取河道橫縱斷面信息。首先需要獲取地面點云，然后通過起始控制點數(shù)據(jù)獲取等間隔的斷面點，由方位角及間距計算每個斷面點所在的平面位置，并以平面位置為中心設定采樣區(qū)域范圍，采用TPS插值法插值出每個斷面點的高程值，繼而對斷面點連線以及整理數(shù)據(jù)便可獲得最終的河道斷面成果。根據(jù)河道斷面，結合災后無人機影像與DEM疊加的三維立體圖，從3D圖上目視解譯出洪水痕跡，快速洪痕高程，對照糙率表確定斷面處糙率值，然后根據(jù)曼寧公式確定洪水規(guī)模。其中由地面點云數(shù)據(jù)、無人機影像獲取洪水規(guī)模的流程如下。

（1）導入目標區(qū)過濾后的地面點云并輸入保持河流基本形態(tài)的控制點。

（2）在已知控制點之間設置等間隔的斷面點，以盡可能地保證河道斷面曲線的連續(xù)光滑。

（3）計算相鄰控制點之間的方位。方位計算當前點為基準，后點為指向點，逐點進行相應計算。

（4）根據(jù)設置的斷面間隔n及求取的斷面方位角w，逐點計算每個斷面點的平面位置。計算方法如下：

式中，（x0，y0）為起始控制點或前一斷面點的平面位置；（x， y）為任意斷面點的平面位置。

（5）獲得斷面點的平面位置后，以當前斷面點為中心設置采樣區(qū)域，然后以采樣區(qū)域內的所有點進行高程的插值。統(tǒng)計采樣區(qū)域范圍內所有點數(shù)量，若點數(shù)小于等于3個點則直接采用平均高程作為地面點的高程，否則采用TPS插值法計算斷面點的高程值[14-15]，計算方法如式（3）所示。

式中，a0、a1、a2及ci為待求的未知參數(shù)，n為已知點數(shù)，fi為已知點（yi，yi）的高程值。得到未知參數(shù)后，將已知斷面的平面未知代入，得到插值后的高程值。

（6）根據(jù)河道斷面，結合災后無人機影像與DEM疊加的三維立體圖，從3D圖上目視解譯出洪水痕跡，得到洪痕點高程。

（7）結合遙感影像、斷面形態(tài)，對照糙率表確定斷面處糙率值，可依據(jù)縱斷面比降公式選取控制斷面處順直處（斷面上下游各200m）進行河道比降計算，計算方法見公式（4）。

式中，Z0、…、Zn為從下游到上游沿程各點河底高程，m；L1、…、Ln為相鄰兩高程點間的距離，m；L為河段全長，m。

（8）最后依據(jù)曼寧公式確定小流域不同斷面處的洪水規(guī)模。

式中，Q為流量，m3/s；A為過水斷面面積，m2； R為水力半徑，m；J為溝道比降。

2.2.3 受災前后影像對比分析

因災前區(qū)域選用的是高分衛(wèi)星影像，災后為無人機遙感影像，數(shù)據(jù)源不同，因此受災前后影像對比分析采用分類后比較方法進行影像分類，并進行分類后的對比分析，識別變化區(qū)域。為獲取較好的分類結果，項目采用面向對象分類法進行分類，同時在分類過程中充分利用基礎地理數(shù)據(jù)（如河道、居民點等）作為輔助信息進行提取。主要流程包括分割生成影像對象、特征選擇、規(guī)則集構建、影像分類、分類后處理以及精度評價。

3 北京市門頭溝“6?18”石羊溝小流域應用示范

3.1 流域概況

石羊溝流域跨河北省和北京市，其發(fā)源于河北省懷來縣孫莊子鄉(xiāng)麻黃峪村，流經(jīng)北京市齋堂鎮(zhèn)沿河口村，最終匯入永定河。沿河口村以上河長26km，流域面積57km2，其中北京市內轄區(qū)面積30.7km2。

在流域上游（河北境內）發(fā)育有三條支流域：支流域1即麻黃峪村所在支溝，主溝長3.4km，流域面積11.53km2，支溝14條，平均比降72.3‰；支流域2即光伏發(fā)電廠所在流域，主溝長2.0km，流域面積8.76km2，支溝6條，比降89.5‰；支流域3：主溝長1.84km，流域面積4.2km2，支溝9條，平均比降80.5‰。根據(jù)第一次水土保持普查，石羊溝小流域喬木林、灌木林等林草植被達到2966.7hm2，占小流域總面積的98%以上。

3.2 災后遙感快速調查

3.2.1 災后洪水規(guī)模分析

洪水過境后，需要對洪水規(guī)模進行分析，包括過水斷面面積、洪痕水位、河道比降及洪峰流量等信息。與傳統(tǒng)GPS定位測量河道斷面不同，本文提出了一種基于激光點云數(shù)據(jù)進行河道縱橫斷面快速獲取的方法。并以石羊溝小流域為例，在6·18洪水發(fā)生后在石羊溝流域下游、市界處結合遙感影像中河道特征基于點云數(shù)據(jù)生成了三組斷面（橫斷面及縱斷面）進行了洪水規(guī)模分析（見圖3～圖5）。

圖3 測試1組斷面Figure3 Test of the first group section

圖4 測試2組斷面Figure 4 Test of the second group section

圖5 測試3組斷面Figure 5 The test of the third group section

將災后無人機影像與DEM疊加，生成三維立體圖，從3D圖上目視解譯出洪水痕跡，快速獲得三組控制斷面處的洪痕高程，見表1；根據(jù)影像呈現(xiàn)的特征，所選的三組測試斷面河底均為砂礫，且床面不平整，順直段距上彎道不遠，其中一側岸壁為石質、陡坡、形狀尚整齊，另一側岸壁略有雜草，形狀較為整齊，糙率取值范圍為0.03～0.034之間。根據(jù)洪痕水位下所圍斷面面積、河道比降、糙率按照曼寧公式求出三組控制斷面的洪峰流量，見表2。

表1 測試斷面處洪痕點高程Table 1 Elevation of flood mark point on test section

表2 控制斷面處流量計算表Table 2 The Flow calculation of control section

結合控制斷面起點距、高程、左右邊槽坐標以及糙率得 到水位流量關系曲線（見圖6）。

圖6 三組測試斷面的水位流量關系曲線Figure 6 The rating curve of three test section

3.2.2 災后遙感調查

對受災前后遙感影像及無人機影像進行變化監(jiān)測，初步得出門頭溝區(qū)6·18山洪災害主要造成攔水建筑物受損、溝道岸坡?lián)p毀、農田果園被淹、自然植被被沖刷，對當?shù)亟?jīng)濟產(chǎn)生一定的影響。

通過災前災后影像對比分析，由圖7（b）可快速地識別變化損毀區(qū)域，包括損毀物的空間信息、幾何信息（寬度、長度），但難以確定實際損毀長度、損毀建筑物體積等信息，需要進行實地調查考證。根據(jù)圖7（c）可知道影像攔水建筑物被泥沙覆蓋，對災前影像進行量測，可知標號2處攔水建筑物長度約10.51m，寬度約1.28m，標號3處攔水建筑物長度約14.04m，寬度約1.37m。兩處攔水建筑物是否實際發(fā)生損毀，需實地進行考證。根據(jù)圖7（d）中無人機影像及災前高分影像呈現(xiàn)的對比特征，共判讀溝道漿砌石岸坡?lián)p毀約5處，均位于沿河口村河岸段，損毀總長度約68.14m；隨著洪水沖刷，自然岸坡一側存在泥沙堆積、岸坡部分坍塌現(xiàn)象，坍塌范圍長度約68.32m。由圖7（e）可清晰地看出果園被淹的整體情況，結合影像進行目視解譯，得到果園被淹面積約為11200m2。

3.3 現(xiàn)場復核

根據(jù)影像解譯水毀點［見圖7（a）］，進行現(xiàn)場土壤流失及水毀情況的實地復核（見圖8）。通過目視判讀解譯小流域受災前后影像，發(fā)現(xiàn)小流域內坡面植被普遍較好，現(xiàn)場調查結果與影像判別結果一致。

圖8 現(xiàn)場復核結果Figure 8 On-site review results

3.4 結論

將影像判讀結果進行實地復核，發(fā)現(xiàn)判讀結果基本符合實際情況。對于溝道岸坡?lián)p毀情況，現(xiàn)場踏勘結果確定漿砌石護岸受損，自然岸坡受到洪水沖積發(fā)生破壞，判讀位置、長度與實際結果也基本保持一致，說明遙感影像快速判讀結果基本可信；對于溝道攔水建筑物損毀情況，遙感影像僅能判讀處發(fā)生損毀及未損毀前攔水建筑物的幾何信息、位置信息，這些信息與實際復核結果基本一致，但實際損毀長度難從影像上直接判讀，且當影像上存在目標覆蓋的情況時（如泥沙覆蓋了攔水建筑物）難以對建筑物是否損毀進行判定，這是遙感影像判讀的不足，需要結合實際調查手段來復核遙感快速調查的結果。對于農田果園受淹情況來說，遙感影像調查結果與實地復核結果基本保持一致，判讀結果可信。遙感影像對面狀區(qū)域的判別獨具優(yōu)勢，可快速地識別變化范圍，有利于災情的快速識別。

總體來講，遙感影像在重大山洪災害事件快速調查上起著不可替代的關鍵作用，可快速地獲取變化的范圍以及變化區(qū)的詳細信息（幾何信息、位置信息、紋理信息等），結合現(xiàn)場復核手段對影像調查結果進行復核驗證，不僅能省時省力，還能為快速的洪水決策分析提供依據(jù)。

4 總結

傳統(tǒng)的人工調查手段難以對重大山洪事件進行快速、及時的響應，且難以宏觀的知曉災害發(fā)生區(qū)域，嚴重影響了災害決策工作，難以滿足汛期洪水監(jiān)測與管理工作的要求。無人機激光雷達技術具有覆蓋范圍廣，實時性強等優(yōu)勢，為解決重大山洪災害事件的快速調查提供了新的技術手段，本文提出了利用無人機激光雷達技術進行重大山洪災害事件的快速調查，具有一定的現(xiàn)實意義。