基于快速三維態(tài)勢(shì)感知體系的洞庭湖團(tuán)洲棕潰口應(yīng)急監(jiān)測(cè)

關(guān)鍵詞：潰口；應(yīng)急監(jiān)測(cè)；三維態(tài)勢(shì)感知體系；無(wú)人機(jī)；無(wú)人船；洞庭湖；團(tuán)洲皖中圖法分類號(hào)：TV221.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j. cnki. slsdkb.2025.08.003文章編號(hào)：1006-0081（2025）08-0018-05

潰口是指堤防、大壩或者其他擋水建筑物在洪水的沖擊下產(chǎn)生的決口。中國(guó)中小河流的堤防總長(zhǎng)度近40萬(wàn) km ，其中 90% 的土石壩和堤防建設(shè)于20世紀(jì)，年代較久遠(yuǎn)，汛期易損壞。堤壩滲漏、塌陷、管涌是引起潰堤的主要因素。堤壩潰口導(dǎo)致洪水流量大且流速快，嚴(yán)重威脅人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全[1-3]。面對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的潰口災(zāi)害，如何實(shí)時(shí)、快速獲取災(zāi)情信息，為迅速救災(zāi)應(yīng)急決策和評(píng)估災(zāi)害損失提供數(shù)據(jù)支撐至關(guān)重要[4-6]。本文采用快速三維態(tài)勢(shì)感知體系進(jìn)行洞庭湖團(tuán)洲皖潰口應(yīng)急監(jiān)測(cè)，完成了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)化、無(wú)人化、智能化，并將潰口態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)集進(jìn)行共享，實(shí)現(xiàn)多方協(xié)同態(tài)勢(shì)感知與響應(yīng)。

1 研究區(qū)概況

團(tuán)洲皖位于湖南省岳陽(yáng)市華容縣團(tuán)洲鄉(xiāng)團(tuán)北村，洞庭湖和藕池河在此地交匯，洲皖北面、南面、東面均為洞庭湖區(qū)，是華容、君山的第一道屏障，曾被稱為“湖南第一險(xiǎn)”。2024年7月5日16：00，洞庭湖團(tuán)洲坑一線堤防發(fā)生管涌險(xiǎn)情。7月5日17：48，緊急封堵失敗后堤壩決堤。經(jīng)第一時(shí)間勘測(cè)，決堤口門(mén)寬度約為 10m ，夜間口門(mén)寬度持續(xù)擴(kuò)大至約 100m7 月6日凌晨，口門(mén)寬度已擴(kuò)大至約 150m7 月6日12：00，洞庭湖團(tuán)洲坑一線堤壩決口寬約 220m ，皖內(nèi)平均水深約 5m ，洞庭湖與皖內(nèi)水位落差約 0.10m 。潰口位置如圖1所示。

圖1洞庭湖團(tuán)洲堤潰口位置 Fig.1Location of dyke breach in Tuanzhou embankment ofDongtingLake

2快速三維態(tài)勢(shì)感知體系構(gòu)建

快速三維態(tài)勢(shì)感知體系（圖2）包括無(wú)人機(jī)免像控?cái)z影測(cè)量、無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)量、無(wú)人船多波束測(cè)深技術(shù)。免像控?cái)z影可快速獲取陸域可見(jiàn)光三維模型，激光雷達(dá)可快速獲取陸域密集點(diǎn)云，多波束測(cè)深可快速獲取水域密集點(diǎn)云，三者相互補(bǔ)充，快速生成水陸一體模型，供決策分析使用。

2.1無(wú)人機(jī)免像控?cái)z影測(cè)量

傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)RTK模塊定位精度不高，為保證成果精度需測(cè)設(shè)控制點(diǎn)，而外業(yè)像控測(cè)量和航測(cè)內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)均會(huì)耗費(fèi)一定時(shí)間和精力，針對(duì)工作人員無(wú)法直達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的突發(fā)自然災(zāi)害，應(yīng)急監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取將滯后，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在應(yīng)急監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中存在較大應(yīng)用瓶頸。無(wú)人機(jī)免像控?cái)z影測(cè)量技術(shù)是通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的相機(jī)進(jìn)行空中攝影，無(wú)需布設(shè)地面控制點(diǎn)即可獲取高精度測(cè)繪成果。這項(xiàng)技術(shù)的核心在于利用高精度的定位系統(tǒng)（GNSS）和定姿系統(tǒng)（IMU），結(jié)合后處理軟件，實(shí)現(xiàn)影像的自動(dòng)定向和空三加密，從而大幅提高測(cè)繪效率[6-9]

在團(tuán)洲皖潰口處，采用大疆 M350RTK+L2 航測(cè)系統(tǒng)，L2測(cè)繪相機(jī)有效像素2000萬(wàn)，等效焦距24mm ，相機(jī)分辨率5280像素 ×3956 像素，該系統(tǒng)裝載的RTK模塊支持網(wǎng)絡(luò)RTK/PPK融合差分作業(yè)模式，配套后處理軟件可實(shí)現(xiàn)高精度RTK/PPK融合結(jié)算，全面提升了定位精度及數(shù)據(jù)質(zhì)量。在任務(wù)過(guò)程中，可見(jiàn)光旁向重疊度設(shè)置為 70% 、可見(jiàn)光航向重疊度設(shè)置為 80% 、飛行高度設(shè)置為 100m ，綜合考慮測(cè)量區(qū)域的面積、形狀和地形地貌形態(tài)等特點(diǎn)，均勻布設(shè)15個(gè)平高檢查點(diǎn)，用于對(duì)成果質(zhì)量的控制。

潰口免像控二維影像平面精度檢核如表1所示，影像平面精度中誤差平面 X 方向?yàn)?±0.019m ，平面 Y 方向?yàn)?±0.034m 。潰口免像控三維模型精度檢核如表2所示，三維模型精度中誤差 X 方向?yàn)?±0.029m Y 方向?yàn)?±0.018m ，高程 H 方向?yàn)?±0.032m 。

表1潰口免像控二維影像平面精度檢核

Tab.1Accuracy verification of GCP-free 2D imagery planar precision for dyke breach areas

表2潰口免像控三維模型精度檢核

Tab.2Accuracy verification of GCP-free 3D model precision fordykebreach areas

根據(jù)GB/T23236-2009《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》，對(duì)于平地環(huán)境下 1：500 測(cè)圖比例尺檢查點(diǎn)平面位置（ （X，Y 方向）中誤差應(yīng)小于 ±0.175m 高程（ H 方向）中誤差應(yīng)小于 ±0.15m 。從表1～2可知，免像控航空攝影測(cè)量滿足相應(yīng)的規(guī)范要求，也滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急監(jiān)測(cè)需求。

2.1.1 實(shí)時(shí)快拼正射影像

在潰口應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，利用無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)快拼正射影像技術(shù)，在極短時(shí)間生成潰口處的二維影像，可用于對(duì)精度要求不高的應(yīng)急救援和災(zāi)情快速評(píng)估。在地面站規(guī)劃好測(cè)區(qū)范圍，輸入任務(wù)設(shè)置參數(shù)，軟件自動(dòng)生成航線，無(wú)人機(jī)根據(jù)航線自動(dòng)飛行執(zhí)行航拍任務(wù)。無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至軟件，邊飛邊建，實(shí)時(shí)快拼低精度二維正射影像。飛行結(jié)束后也可以將照片導(dǎo)入軟件，進(jìn)行高精度二維重建，潰口高精度二維正射影像地面分辨率為 5cm ，正射影像清晰、色彩均勻、色調(diào)柔和、無(wú)漏洞拉花，如圖3所示。

2.1.2 實(shí)時(shí)水陸一體化建模

利用大疆 M350RTK+L2 航測(cè)系統(tǒng)同步采集可見(jiàn)光影像數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云，采用可見(jiàn)光影像 + 激光點(diǎn)云融合建模方式生成陸域?qū)嵕叭S模型。由于遮擋等原因，傳統(tǒng)方法僅基于影像數(shù)據(jù)生成的三維模型易造成模型底部及側(cè)面區(qū)域數(shù)據(jù)缺失[10]。融合激光點(diǎn)云生成的三維模型紋理更精細(xì)、誤差更小，可大大減少三維模型拉花、空洞現(xiàn)象。此外，多波束精密測(cè)深系統(tǒng)通過(guò)采集密集點(diǎn)云，可生成水下數(shù)字高程模型。將陸域真彩色三維模型和水域數(shù)字高程模型融合生成潰口水陸一體化實(shí)景三維模型，實(shí)景模型地面分辨率為 5cm ，如圖4所示。潰口水陸一體化數(shù)字高程模型格網(wǎng)大小為 5cm ，模型分辨率高，局部細(xì)節(jié)重建良好，能較好地反映出潰口的三維形態(tài)特征，如圖5所示。

圖2團(tuán)洲皖潰口快速三維態(tài)勢(shì)感知體系

Fig.2Rapid 3D situation awareness system for dyke breach at Tuanzhou embankment

圖3潰口高精度二維正射影像

Fig.3High-precision2D orthophoto of dykebreach

圖4潰口水陸一體化實(shí)景三維模型 Fig.4Integrated land-waterreality-based 3Dmodel fordykebreach areas

2.1.3 水陸一體模型應(yīng)用

利用水陸一體模型繪制出堤防橫斷面與潰口斷面，如圖6～7所示。經(jīng)空間量算及剖面分析可知，2024年7月6日 ，團(tuán)洲皖潰口處長(zhǎng)度約為220m ，堤防高程值約為 34.5～34.7m（19 85國(guó)家高程基準(zhǔn)），迎水側(cè)、背水側(cè)堤防坡度約為 21^° 。潰口處坑外水位約為 31.8m ，坑內(nèi)水位約為 31.4m ，內(nèi)外水位差約為 0.4m 。潰口處河底高程值為 20.3～22.3m ，深泓點(diǎn)高程值為 20.3m ，水深值約為 11m 。

2.2無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)量

無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)為主動(dòng)式測(cè)量，集成激光掃描系統(tǒng)、GNSS定位系統(tǒng)、定姿系統(tǒng)（IMU）于無(wú)人機(jī)平臺(tái)，可高效準(zhǔn)確獲取地面高程。工作原理是機(jī)載激光器產(chǎn)生激光脈沖，接觸空間物體后反射回波信號(hào)并被接收器記錄，系統(tǒng)記錄發(fā)射脈沖至接收回波的時(shí)間間隔，推算激光器至目標(biāo)物間距離，還可接收反射率、回波時(shí)間、激光回波次數(shù)與回波強(qiáng)度等信息。系統(tǒng)通過(guò)融合激光點(diǎn)空間距離信息、慣導(dǎo)系統(tǒng)激光發(fā)射點(diǎn)空間位置信息與姿態(tài)信息，解算當(dāng)前坐標(biāo)系下激光點(diǎn)三維坐標(biāo)，獲取空間分布極不規(guī)則、離散、能夠反映地物特征的三維激光點(diǎn)云[11-13] 。

圖6堤防橫斷面

Fig.6Embankment cross-section

圖7 潰口斷面

Fig.7Dyke breach cross-section

大疆 M350RTK+L2 航測(cè)系統(tǒng)激光雷達(dá)量程為450m （反射率 50% ， 0klx ） 250m （反射率 10% ，100klx），最大支持5次回波，最大點(diǎn)頻為120萬(wàn)點(diǎn)/s。此次應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)中，無(wú)人機(jī)飛行高度為 100m ，激光旁向重疊度設(shè)置為 60% ，潰口處點(diǎn)云密度約為90點(diǎn) /m² 。為了檢驗(yàn)激光點(diǎn)云的高程精度，在潰口處均勻布設(shè)了25個(gè)高程檢查點(diǎn)。潰口機(jī)載LiDAR點(diǎn)云高程精度檢核如表3所示，高程中誤差為 ±0.045m ，最大值為 0.098m ，最小值為 0.011m ，潰口陸域點(diǎn)云三維模型如圖8所示。

表3潰口機(jī)載LiDAR點(diǎn)云高程精度檢核

Tab.3Accuracy verification of airborne LiDAR point cloud elevationaccuracyfordykebreachareas

2.3無(wú)人船多波束測(cè)深

多波束測(cè)深作為高精度水下地形測(cè)量技術(shù)，其發(fā)射換能器首先產(chǎn)生沿航跡方向的寬扇區(qū)波束，形成一個(gè)扇形聲波傳播區(qū)，然后接收換能器記錄窄扇區(qū)波束，通過(guò)發(fā)射、接收扇區(qū)的空間交叉形成對(duì)潰口水底區(qū)域的照射腳印，后處理計(jì)算后每次測(cè)量可獲取與航線垂直的垂面內(nèi)密集水下地形點(diǎn)的水深值，從而快速準(zhǔn)確施測(cè)出沿航線固定范圍內(nèi)水下自標(biāo)動(dòng)態(tài)變化，描繪水下地形的真實(shí)三維特征。該技術(shù)融合導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，獲得全覆蓋、高分辨率、高精度的水下三維數(shù)據(jù)[14-15]。水下數(shù)字高程模型如圖9所示，水下不規(guī)則三角網(wǎng)如圖10所示。

圖8潰口陸域點(diǎn)云三維模型 Fig.8Land-based point cloud 3D model for dykebreachareas

水深數(shù)據(jù)采集時(shí)，在水深已知水域設(shè)置了4條垂直于主測(cè)深線的測(cè)線作為檢查線且部分重疊。根據(jù)同名點(diǎn)對(duì)水深數(shù)據(jù)，計(jì)算多波束測(cè)深內(nèi)、外符合精度，前者可反映觀測(cè)值間離散度，后者則反映觀測(cè)值與真值間的偏差程度。外符合精度如表4所示，4條檢查測(cè)線均統(tǒng)計(jì)了60點(diǎn)，中誤差最大為 ±6cm 。相鄰測(cè)線重疊區(qū)域內(nèi)符合精度如表5所示，4條檢查測(cè)線兩兩之間均統(tǒng)計(jì)了40點(diǎn)，中誤差最大為 ±7cm ，滿足應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)的精度要求。

表4外符合精度Tab.4External conformance accuracy

表5相鄰測(cè)線重疊區(qū)域內(nèi)符合精度

Tab.5Internal relative consistency accuracy in adjacentflightlineoverlapareas

3結(jié)語(yǔ)

洞庭湖團(tuán)洲皖潰口后，急需第一時(shí)間獲取現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)技術(shù)手段速度慢、效率低，現(xiàn)場(chǎng)可能會(huì)發(fā)生二次險(xiǎn)情，救援風(fēng)險(xiǎn)大。本文提出的快速三維態(tài)勢(shì)感知體系具備實(shí)時(shí)化、無(wú)人化、智能化特點(diǎn)。該技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)傳輸無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)，邊飛邊建，實(shí)時(shí)快拼二維正射影像，同步采集陸上激光點(diǎn)云，航測(cè)作業(yè)結(jié)束即可預(yù)覽三維模型。該技術(shù)無(wú)需布設(shè)像控點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)二維影像、三維模型地面分辨率優(yōu)于 5cm ，量測(cè)誤差優(yōu)于 10cm 。在潰口封堵處，測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)有大量油污、漂浮物，環(huán)境惡劣，采用水下測(cè)繪無(wú)人船靈活方便，精準(zhǔn)高效。智能無(wú)人船采用無(wú)人駕駛 + 北斗定位 + 水下三維聲吶技術(shù)，可快速獲取潰口水域水下測(cè)點(diǎn)高精度位置、水深及高程信息，形成厘米級(jí)水下點(diǎn)云三維模型。該技術(shù)快速采集潰口處基礎(chǔ)信息并形成三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)底座，可大幅提升潰口現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、分析與監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。

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（編輯：江文）

Emergency monitoring of Tuanzhou embankment dyke breach in Dongting Lake based on rapid 3D situational awareness system

WEI Meng，WU Hao，WANG Chao，F(xiàn)U Qiang，LI Peng，ZHANG Xiaomeng（MiddleChangjiangRiverBureauofHydrologndWaterResoucesSureyBureauofHydrologyofangjiangWaterResocesomission，Wuhan 430010，China）

Abstract：OntheafternoonofJuly5，2O24，abreach occurred in thefirst-linedykeofDongting Lakein Tuanzhou embankment，Huarong County，Yueyang City，Hunan Province，resulting in the flooding of the polder area.Immediately followingthe breach，a rapid3D situational awareness system was activated for emergency monitoring.This system employed unmanned vessel-based multi-beam bathymetry to acquire underwater terrain data，whileutilizing dronebased image control-freephotogrammetryand drone LiDAR surveying tocapture terrestrialterain data.Traditional surveying methodsserved assupplementary measurements for landareas.Ultimately，theintegrated processngof multisource data wasrealized togenerate foundationaldatasets includingan integrated land-water3Dreal-scene modelof the breach area，Digital Orthophoto Maps（DOM），Digital Elevation Models（DEM）and dense point clouds.Basedon this foundational data，inteligentannotation，Dmeasurement，andspatialanalysis wereenabled，providingcritical support fordecision-making，emergency rescue operations，and command coordination of Tuanzhou embankment dyke breach in Dongting Lake.

Key words：dykebreach；emergency monitoring；3Dsituational awareness system；unmanned aerial vehicle；unmanned ship；Dongting Lake；Tuanzhou embankment