多源空间信息技术在全国水文应急演练中的应用

孙振勇，马耀昌，任勇，金奇

（1.长江水利委员会长江上游水文水资源勘测局，重庆 400014； 2.长江水利委员会水文局，湖北武汉 430010）

多源空间信息技术在全国水文应急演练中的应用

孙振勇1*，马耀昌1，任勇2，金奇1

（1.长江水利委员会长江上游水文水资源勘测局，重庆 400014； 2.长江水利委员会水文局，湖北武汉 430010）

快速有效地处置突发自然灾害依赖于相关职能机构的应急监测技术能力，多空间多时相的高精技术运用则为应急监测提供了强有力支撑。本文简要介绍了多源空间技术基本原理和作业方法，以长江委水文上游局在2015年全国水文应急演练为例，对木洞河流域高危水文应急现场进行了应急监测及数据处理。演练方案评价表明，基于多源空间技术进行水文应急监测，对监测精度和抢险救灾处置效率有较大提高。

应急监测；三维激光扫描；无人机系统；一体化数字测深

1　引 言

应急演练目的是为提升抢险救灾水文应急监测能力，完善快速、有序、高效的应急工作机制，保持各机构负责人及队员的应急监测技术能力，为应急处置突发水事件提供有力的技术支撑。2015年4月全国水文应急演练现场，假设重庆市巴南区木洞河流域发生了特大暴雨洪水，并形成了高危型堰塞湖，严重威胁着下游人民群众生命财产安全。长江委水文局应急抢险总队上游支队（以下简称水文上游局）紧急奔赴堰塞湖现场实施应急水文监测，收集堰塞湖区域的有关水文资料。水文上游局承担的外业应急水文监测任务有无人机低空摄影测量、堰塞体测量、堰塞湖测量。监测中投入了无人机系统、三维激光扫描仪、一体化数字测深仪等水、陆、空的多源空间信息技术。本文以水文上游局在全国水文应急演练监测为背景，探讨了基于多源空间信息技术对应急监测的综合影响及评价。

2　原理与方法概述

2.1无人机摄影测量技术

无人机摄影测量技术是指利用无人机系统（UAS）搭载数码摄像（摄影）机，基于摄影测量的基本原理对目的物进行数字/数字化影像获取，自动（半自动）提取被摄对象用数字方式表达的几何与物理信息，从而获得各种形式的数字产品和目视化产品。无人机系统适用于800 m以下的各种调查、航空摄影测量。

图1　三维激光扫描仪工作原理

2.2三维激光扫描技术

三维激光扫描技术利用激光测距的原理，完整并高精度的重建扫描实物，快速获得空间三维数据，具有采集速度快、高分辨率、高精度、非接触式测量、实时、动态以及高度自动化等优势［1］。三维激光扫描仪主要由测距系统、测角系统及其他辅助功能构成，如内置相机双轴补偿器等［2］。其工作原理都是通过测距系统获取每个扫描点到扫描仪的距离S，再配合测角系统获取扫描的水平角α和垂直角φ，如图1所示。利用式（1）即可计算出每一个扫描点（如p点）与扫描仪的空间相对三维坐标信息Xp、Yp、Zp，然后在扫描的过程中利用本身的垂直和水平马达等传动装置，完成对目标物体的全方位扫描，并最终获取扫描物体的点云数据［3］。

2.3一体化数字测深仪无验潮测深技术

现有的测深技术已经融合了GPS、测深仪、计算机技术等。在计算机上配备换能器接口，同时获取水深数据、GPS定位坐标并融合在一起。应急监测情况下，不能满足处处能通过三角高程（或水准、水位自记、梯调遥测）获得的水位高程，因此利用GPS-RTK技术测量得到水下测点时GPS天线相位中心高程，最后根据水深、GPS天线相位中心量至换能器底部高度、吃水量值改算到水下测点的高程。该方法即无验潮模式下GPS水下测量［4～6］。

3　监测实施

本次应急抢险水文监测任务主要包括:雨量观测、降水测报、堰塞体测量、堰塞湖水下地形测量、灾情分析等项目（本文仅阐述测绘方面实施）。依据监测内容，每个科目对应一个应急分队对模拟灾区进行监测，并将数据融合内业组汇总处理，形成分析报告。实施流程如图2所示:

图2　应急监测实施流程图

3.1无人机低空摄影

MD-1000无人机系统搭载高性能摄影机，飞行抵达堰塞体、堰塞湖等模拟区域上空，开展空中悬停摄影，获取最新的堰塞体区域影像图片资料，并将所获得信息和视频传送回地面控制站。地面微波控制站实时传回后方指挥部。结果显示堰塞体上旗帜等小目标物均能清晰展示，效果良好。随后搭载全幅相机，进行数字化航测作业。在本次实施应急航拍过程中，考虑到当地高山峡谷、多云多雨等恶劣条件，利用多旋翼无人机进行150 m～200 m超低空航拍。此次航拍共飞行2个架次，获取200张0.05 m高分辨率影像，覆盖面积涵盖整个模拟溃坝区和堰塞湖区域。经过随后快速影像拼接，制作完成了《全国水文应急演练木洞河流域模拟灾害区无人机影像图》，如图3所示。

图3　全国水文应急演练木洞河流域模拟灾害区无人机高分辨率DOM图

从无人机系统获取的影像数据和影像图成果资料分析，初步掌握了灾区大致情况，一是溃坝量小，堰塞体数据仍需其他技术进一步补充完善，二是堰塞湖水下地形资料缺失，需要进行水下地形测量；三是当前灾区安全状况允许技术人员进行进一步监测。随后指挥部下达指令，命令应急分队同时采取三维激光扫描仪和冲锋船分别获取堰塞体和堰塞湖相关数据资料。

3.2三维激光扫描仪测量

依据灾区DOM资料，堰塞体测量小组迅速规划了测站扫描方案，并及时展开了堰塞体测量。此次水文应急演练采用的是 Rigel VZ-2000，其扫测速度在300 kHZ，扫测距离达到了2 800 m以上（仪器标称为2 000 m，基于验证测试数据）。监测人员利用GPS获取测站点及三维激光扫靶标点的三维坐标，架设了三个测站利用三维激光扫描仪开展模拟堰塞体扫测，从而获得堰塞体坐标、下底长度、上顶宽度、坝底高程和坝顶高程等基本信息。并通过点云数据获得堰塞体局部地形和堰塞体三维模型。用短波电台向内业应急水文分析组报送堰塞湖体测量成果。

扫测过程中同时进行了影像拍照，将影像资料附加至点云上，便可以得到调查点的三维实景图像，并通过RiscanPro软件实时输出，以方便浏览和网络发布。图4所示为叠加影像后的堰塞体的点云图及左岸三维立体模型。

图4　叠加影像后的堰塞体的点云图及左岸三维立体模型图

3.3水下地形测量

由于船体、机器等庞大笨重，现场决策组根据无人机低空遥感资料，制定了从木洞河右岸，堰塞体上游约50 m的下河最优路线。并根据DOM图获取了河心线坐标，很快制定了水下测量计划方案。堰塞湖测量小组在堰塞体坝前布置测船，搭载GPS和数字化测深仪，调试无线控制设备和计算机，及时展开了堰塞体河道地形测量。并对获取数据实时处理，现场传输堰塞湖相关成果至指挥部。图5为堰塞湖水下地形图及建模计算数据［7］。

图5　堰塞湖水下地形图及堰塞湖关键数据

4　结 论

通过此次水文应急演练监测显示，多源空间信息技术能及时、有效地应对中小河流突发暴雨洪水造成的突发水事件，提供有力的技术支撑作用，确保处置安全有效。多源空间信息技术主要表现出以下特点:

（1）监测技术智能一体，联动决策。

在多源空间信息技术则依据测量需求自由搭载多种声、光、电磁传感设备，依靠先进嵌入式计算机技术、传感器技术、无线通讯技术和智能控制技术组成了内外业一体化的测量平台。不同仪器相互取长补短，相互配合，为指挥决策实施提供依据。

（2）数据获取:多元性、综合性、大面积的同步观测

多源空间信息技术测量平台可以将不同仪器的测量数据融合在一起，用户不仅可以直接获得点数据的实时三维坐标。还可以同时获取测区的点云数据、DSM、DOM、DEM、DRG、DLG等各类数据产品。继而获得测区的地质地貌、地形植被、水文土壤等各类综合信息。

（3）效率快，精度高，经济效益扩大。

多源空间信息技术初期投入的费用比传统监测仪器要大很多，但与传统的方法相比，可以大大地节省人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。数据产品运用广泛，附加值也较高。

（4）降低了作业强度，提高了安全性能。

多源空间信息技术采用了大量非触源式作业模式，仪器替代了人员到达危险困难区域进行数据采集。一定程度上提高了测量技术人员作业安全系数。同时依靠强大的计算机处理技术，大大减轻了测量技术人员的外业、内业工作强度。

随着监测技术、计算机技术、人工智能技术的不断发展与提高，相信多源空间信息技术势必会在今后的应急抢险救灾中大展身手，更好地发挥科技进步的优势，更快地提供真实可靠的数据，更好地服务于水文应急监测。

参考文件

［1］于广婷，白立飞.基于三维激光扫描技术的大比例尺地形图绘制方法［J］.现代测绘，2012，35（S）：97～99.

［2］白立飞，于广婷，卢晓龙等.三维激光扫描技术在青岛市房地产开发中的应用［J］.山东国土资源，2011，27（3）：41～43.

［3］陈波，徐超，温增平.三维激光扫描技术在震害调查中的应用［J］.震灾防御技术，2015，10（1）：87～93.

［4］孙振勇，李俊，张燕.基于GPS无验潮水深测量在自然河段冲淤变化的精度探讨［J］.北京测绘，2016，02（1）：87～93.

［5］赵建虎.现代海洋测绘［M］.武汉：武汉大学，2008.110～114.

［6］阳凡林，赵建虎.GPS验潮中波浪的误差分析和消除［J］.海洋测绘，2003，23（3）：1～4.

［7］孙振勇，包波，樊晓涛.GPS-RTK技术在河道演变观测中的应用探讨［C］.中国测绘学会九届三次理事会暨2007年“信息化测绘论坛”学术年会论文集海洋测绘.北京：中国测绘学会，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

孙振勇（1985—），男，工程师，主要从事水文测绘、河道勘测等工作。