胡小青，李善飛，張嘉琦

（中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

山洪災(zāi)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(zāi)害事件調(diào)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(shè)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(zāi)害調(diào)查提供了一種更高效快捷的技術(shù)實施方案及更精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。雖然當前有不少學(xué)者將激光雷達技術(shù)在山洪災(zāi)害調(diào)查領(lǐng)域中進行了嘗試，但概括來說在該領(lǐng)域內(nèi)積累的經(jīng)驗較少，并沒有結(jié)合具體項目應(yīng)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(shù)進行重大山洪災(zāi)害事件的快速調(diào)查，首先給出了重大山洪災(zāi)害事件調(diào)查的完整流程，然后對流程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)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(yīng)用示范，實現(xiàn)了該區(qū)域調(diào)查要素的自動提取，并對災(zāi)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(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、激光測距技術(shù)、測控信息傳輸技術(shù)及無人駕駛飛行等技術(shù)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(nèi)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(zāi)害頻發(fā)區(qū)更具適應(yīng)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(gòu)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(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)能夠獲取彌補GPS信號的中斷失鎖，兩種系統(tǒng)結(jié)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(guān)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(dǎo)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(yīng)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(shè)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(zāi)害調(diào)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(chǔ)，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(chǔ)數(shù)據(jù)去噪、裁剪、拼接等，可獲取完整且質(zhì)量較好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，后期處理則是針對任務(wù)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(zāi)害事件調(diào)查工作并沒有形成一套完整的流程，以及快速獲取調(diào)查要素的一整套完整的處理流程，也沒有針對該應(yīng)用目的的商業(yè)軟件，因此本文提出了一套山洪災(zāi)害調(diào)查要素的完整流程，并對流程中的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，并基于流程及關(guān)鍵技術(shù)進行了軟件研發(fā)。

2 重大山洪災(zāi)害事件快速調(diào)查

重大山洪災(zāi)害事件快速調(diào)查的重點是在較短的時間內(nèi)給出遙感快速調(diào)查的結(jié)論。主要內(nèi)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(zāi)前后的變化，確定山洪災(zāi)害的影響范圍、山洪災(zāi)害的洪水規(guī)模以及水利工程的損毀情況。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)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(zāi)害事件遙感快速調(diào)查結(jié)論。

2.1 山洪災(zāi)害快速調(diào)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(zāi)害事件快速調(diào)查的流程如圖2所示。

由圖2可知，重大山洪災(zāi)害事件快速調(diào)查流程如下。

圖2 重大山洪災(zāi)害事件快速調(diào)查流程Figure2 The process of major mountain flood disasters investigation

（1）首先收集災(zāi)前遙感影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)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(zāi)后無人機影像及點云數(shù)據(jù)，得到應(yīng)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）然后對受災(zāi)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?qū)ο蠓诸愖詣臃诸惙?，輔助人工目視解譯方式，對受災(zāi)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(guān)數(shù)據(jù)。

（4）其次基于圖斑遙感解譯結(jié)果進行重大山洪災(zāi)害事件現(xiàn)場調(diào)查，對室內(nèi)解譯成果進行復(fù)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(diào)查結(jié)果開展水文分析、演算洪水過程，分析成災(zāi)原因和規(guī)模，得到重大山洪災(zāi)害事件調(diào)查結(jié)論。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)與分析

2.2.1 災(zāi)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(zāi)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(zāi)后數(shù)據(jù)獲取及處理

對重點受災(zāi)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(zāi)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(guān)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(shè)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(jié)合災(zāi)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(dǎo)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(shè)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(yīng)計算。

（4）根據(jù)設(shè)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(shè)置采樣區(qū)域，然后以采樣區(qū)域內(nèi)的所有點進行高程的插值。統(tǒng)計采樣區(qū)域范圍內(nèi)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(jié)合災(zāi)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(jié)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(zāi)前后影像對比分析

因災(zāi)前區(qū)域選用的是高分衛(wèi)星影像，災(zāi)后為無人機遙感影像，數(shù)據(jù)源不同，因此受災(zāi)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(jié)果，項目采用面向?qū)ο蠓诸惙ㄟM行分類，同時在分類過程中充分利用基礎(chǔ)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(gòu)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(yīng)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(nèi)轄區(qū)面積30.7km2。

在流域上游（河北境內(nèi)）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(zāi)后遙感快速調(diào)查

3.2.1 災(zāi)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(jié)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(zāi)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(cè)岸壁為石質(zhì)、陡坡、形狀尚整齊，另一側(cè)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(jié)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(guān)系曲線（見圖6）。

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

3.2.2 災(zāi)后遙感調(diào)查

對受災(zāi)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(zāi)害主要造成攔水建筑物受損、溝道岸坡?lián)p毀、農(nóng)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(zāi)前災(zāi)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(diào)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(zāi)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(zāi)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(cè)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(jié)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(fù)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(fù)核（見圖8）。通過目視判讀解譯小流域受災(zāi)前后影像，發(fā)現(xiàn)小流域內(nèi)坡面植被普遍較好，現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果與影像判別結(jié)果一致。

圖8 現(xiàn)場復(fù)核結(jié)果Figure 8 On-site review results

3.4 結(jié)論

將影像判讀結(jié)果進行實地復(fù)核，發(fā)現(xiàn)判讀結(jié)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(jié)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(jié)果也基本保持一致，說明遙感影像快速判讀結(jié)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(fù)核結(jié)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(jié)合實際調(diào)查手段來復(fù)核遙感快速調(diào)查的結(jié)果。對于農(nóng)田果園受淹情況來說，遙感影像調(diào)查結(jié)果與實地復(fù)核結(jié)果基本保持一致，判讀結(jié)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(zāi)情的快速識別。

總體來講，遙感影像在重大山洪災(zāi)害事件快速調(diào)查上起著不可替代的關(guān)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(jié)合現(xiàn)場復(fù)核手段對影像調(diào)查結(jié)果進行復(fù)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(jié)

傳統(tǒng)的人工調(diào)查手段難以對重大山洪事件進行快速、及時的響應(yīng)，且難以宏觀的知曉災(zāi)害發(fā)生區(qū)域，嚴重影響了災(zāi)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(shù)具有覆蓋范圍廣，實時性強等優(yōu)勢，為解決重大山洪災(zāi)害事件的快速調(diào)查提供了新的技術(shù)手段，本文提出了利用無人機激光雷達技術(shù)進行重大山洪災(zāi)害事件的快速調(diào)查，具有一定的現(xiàn)實意義。