崩滑流典型災害無人機應急測繪系統(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)測重點實驗室,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

應急測繪為各類突發(fā)性自然災害提供基礎性地理信息服務,是綜合開展防災減災工作的重要組成部分,現(xiàn)代測繪技術和地理信息成果現(xiàn)已成為準確掌握突發(fā)自然災害災情險情的重要手段,是實施減災救災工作的基礎依據(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,夏季多臺風,降雨時間長、強度大,熱帶氣旋、暴雨洪澇、低溫雨雪冰凍、局部地區(qū)干旱等自然災害頻發(fā)[3-6]。僅2019年廣東省共發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災害隱患點5 865處,威脅總?cè)丝?7.77萬人,潛在經(jīng)濟損失82.73億元[7]。防災減災形勢嚴峻,為快速保障應急測繪時效性、成果可靠性,對無人機應急測繪系統(tǒng)選型提出迫切需求。傳統(tǒng)全野外地形點采集方式提供應急測繪保障響應不及時、成果較為單一、人員安全存在一定風險,已難以滿足救災應急要求。災害應急無人機監(jiān)測系統(tǒng)逐步成為應急測繪保障服務主要方式[8]。當前國內(nèi)無人機應急測繪系統(tǒng)以多旋翼小型機為主體,運行成本低、執(zhí)行任務靈活[9],但在抗風能力、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,普遍依賴以往應急救災經(jīng)驗和人員自身技術水平[12],大載荷復合翼無人機應急系統(tǒng)逐漸成為應對自然災害惡劣環(huán)境新的發(fā)展方向[13-14]。

2010年以來廣東省為有效應對以崩滑流為主要災種的斜坡變形破壞突發(fā)自然災害[15],加速推進應急測繪保障能力建設。引進多型固定翼、旋翼、復合翼無人機應急測繪系統(tǒng),搭載機載激光雷達測量系統(tǒng)、大幅面框幅式數(shù)碼航攝系統(tǒng)、多平臺傳感器集成系統(tǒng),有力支撐了突發(fā)自然災害應急測繪保障工作。基于此本文系統(tǒng)總結分析典型突發(fā)災種無人機應急測繪系統(tǒng)選型指標和關鍵技術,形成應對典型災種有效應急測繪系統(tǒng)選型方案,對改進優(yōu)化應急測繪保障工作十分必要,對地表變形破壞災害以及臺風洪澇、森林防火防旱災害也具有參考意義。

1 無人機應急測繪系統(tǒng)組成

無人機應急測繪系統(tǒng)主要包括固定翼、多旋翼和復合翼無人機系統(tǒng),具有反應快、機動靈活、適合不同災害環(huán)境下作業(yè)等優(yōu)點,是傳統(tǒng)航空攝影測量技術新的發(fā)展領域。固定翼無人機應急測繪系統(tǒng)主要適用大型(特大型)災害現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取,國家應急測繪保障能力建設省級單項工程建設主要滿足短航時大載荷復合翼無人機應急測繪迫切需求[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,主要承擔中小型自然災害及重點區(qū)域遙感影像獲取,由飛行器、傳感器分系統(tǒng)、指揮控制平臺分系統(tǒng)、綜合保障平臺分系統(tǒng)等部分組成,如圖1所示。多旋翼無人機應急測繪系統(tǒng)作為近年來發(fā)展快速發(fā)展起來的高新技術,可垂直起降、定點懸停[17],對場地要求較低,云雨影響較小,對高位遠程、人不能至的小型災害數(shù)據(jù)獲取具有明顯優(yōu)勢,主要由飛行平臺、控制系統(tǒng)、任務載荷及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成[18-19]。

圖1 無人機應急測繪系統(tǒng)組成

飛行平臺(飛行器)是實現(xiàn)系統(tǒng)技術指標的基本平臺,可同時搭載光學傳感器及激光系統(tǒng)、光電吊艙、定位定姿系統(tǒng)等傳感器,并接受無人機及相關載荷的控制指令,對飛行姿態(tài)和設備工作狀態(tài)進行控制。傳感器分系統(tǒng)是無人機系統(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)、任務計算機三部分構成。指揮控制平臺分系統(tǒng)由指控設備和視距數(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)設備狀態(tài)的接收與顯示,以及對光學面陣傳感器和光電吊艙的遠程狀態(tài)進行監(jiān)測和控制。綜合保障平臺分系統(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計,以及對傳感器獲取的數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場快速處理,滿足突發(fā)事件現(xiàn)場信息的獲取需求。

2 崩滑流典型災害應急測繪系統(tǒng)選型指標

應急測繪系統(tǒng)選型主要指標以無人機應急信息獲取平臺、傳感器分系統(tǒng)為主體,是崩滑流典型地質(zhì)災害現(xiàn)場多源數(shù)據(jù)獲取的重要技術組成。無人機應急信息獲取平臺配備多型號無人機系統(tǒng),實現(xiàn)短時間全省無人機應急監(jiān)測服務,對尺寸、任務載荷、起降條件、航速航時升限以及抗風性提出更高要求[20]。傳感器分系統(tǒng)用于應急測繪多源數(shù)據(jù)采集,如可見光影像、高清視屏、定位定姿數(shù)據(jù)和激光點云數(shù)據(jù)等[21-22]。人機應急測繪保障系統(tǒng)配置及關鍵指標如表1所示。

表1 無人機應急測繪保障系統(tǒng)配置及關鍵指標

2.1 多旋翼無人機應急測繪系統(tǒng)

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

2.2 短航時復合翼及固定翼應急測繪系統(tǒng)

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

3 崩滑流典型災害應急測繪系統(tǒng)應用分析

崩塌、滑坡、泥石流等典型斜坡變形破壞突發(fā)自然災害有其各自特征,需配置選用不同的無人機應急測繪系統(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、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構面,如2015年臺風“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,需獲取災后精細地形及評估破壞程度信息,一般選用多旋翼無人機應急測繪系統(tǒng)。滑坡是斜坡上的天然巖土體受河流沖刷、地下水活動、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云數(shù)據(jù)可以清晰調(diào)查災體跌坎、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應急測繪系統(tǒng)、短航時復合翼應急測繪系統(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)特大型泥石流災害[25],具有爆發(fā)突然、歷時短暫和破壞力強的特點,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,有效獲取并評估災體發(fā)生規(guī)模及威脅程度,一般選用短航時復合翼應急測繪系統(tǒng)。

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

表2 多旋翼無人機應急測繪系統(tǒng)兩種方案比較

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

圖2 M600+L1小型滑坡災害彩色點云

圖3 M600+DG3小型滑坡災害傾斜三維模型

短航時復合翼應急測繪系統(tǒng)建設是近年來國家及省級應急測繪保障機制建設重要內(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。能夠應對復雜天氣和地形環(huán)境影響,最大限度地保障航空應急測繪工作的有效開展,同時適合低空低速飛行,滿足無人機航空攝影作業(yè)要求。早期中測無人機遙感系統(tǒng)(zhongce-3c,ZC3C)電動固定翼無人機搭載索尼ILCE-7R鏡頭因其對跑道彈射傘降、設備磨損影像較大,已逐步退出主流無人機應急測繪選型配置方案,更多采用如ASN218/CW30垂起復合翼系列,具有安全性高、作業(yè)方便、適應性強等優(yōu)勢,表3對三種典型短航時復合翼及固定翼應急測繪系統(tǒng)進行了比較。

表3 復合翼及固定翼無人機應急測繪系統(tǒng)三種方案比較

4 結束語

廣東省斜坡變形災害集中發(fā)生在山區(qū)坡腳,受切坡建房等人類工程活動影響較大。地質(zhì)災害頻發(fā)多發(fā),崩塌、滑坡、泥石流典型地質(zhì)災害占比高,總結提出適合廣東省突發(fā)自然災害應急測繪保障不同災害類型無人機應急測繪系統(tǒng)選型指標是必要的。本文分別歸納了多旋翼無人機應急測繪系統(tǒng)和固定翼復合翼無人機應急測繪系統(tǒng)組成及其特點,以及主要災害應用場景選型參考指標,為快速準確獲取應急指揮所需基礎地理信息資料提供解決方案。隨著科學技術快速更新發(fā)展,以產(chǎn)品化系留無人機應急測繪指揮系統(tǒng),以及長距離高速帶寬數(shù)據(jù)無線回傳技術試驗驗證,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,是無人機應急測繪系統(tǒng)走向綜合指揮系統(tǒng)發(fā)展之路。