崩滑流典型灾害无人机应急测绘系统分析

王 斌 王英谋

(1.广东省国土资源测绘院,广东 广州 510663;2.自然资源部华南亚热带自然资源监测重点实验室,广东 广州 510663;3.广东省自然资源科技协同创新中心,广东 广州,510663)

0 引言

应急测绘为各类突发性自然灾害提供基础性地理信息服务,是综合开展防灾减灾工作的重要组成部分,现代测绘技术和地理信息成果现已成为准确掌握突发自然灾害灾情险情的重要手段,是实施减灾救灾工作的基础依据与保障[1-2]。广东省位于中国最南部,属热带和亚热带季风气候区,海洋和大陆对气候造成明显影响,全年湿热多雨,夏季多台风,降雨时间长、强度大,热带气旋、暴雨洪涝、低温雨雪冰冻、局部地区干旱等自然灾害频发[3-6]。仅2019年广东省共发现地质灾害隐患点5 865处,威胁总人口27.77万人,潜在经济损失82.73亿元[7]。防灾减灾形势严峻,为快速保障应急测绘时效性、成果可靠性,对无人机应急测绘系统选型提出迫切需求。传统全野外地形点采集方式提供应急测绘保障响应不及时、成果较为单一、人员安全存在一定风险,已难以满足救灾应急要求。灾害应急无人机监测系统逐步成为应急测绘保障服务主要方式[8]。当前国内无人机应急测绘系统以多旋翼小型机为主体,运行成本低、执行任务灵活[9],但在抗风能力、姿态稳定度、续航能力等方面还存在一定局限[10-11],固定翼小型机在起降场地勘察等方面增加了作业难度,普遍依赖以往应急救灾经验和人员自身技术水平[12],大载荷复合翼无人机应急系统逐渐成为应对自然灾害恶劣环境新的发展方向[13-14]。

2010年以来广东省为有效应对以崩滑流为主要灾种的斜坡变形破坏突发自然灾害[15],加速推进应急测绘保障能力建设。引进多型固定翼、旋翼、复合翼无人机应急测绘系统,搭载机载激光雷达测量系统、大幅面框幅式数码航摄系统、多平台传感器集成系统,有力支撑了突发自然灾害应急测绘保障工作。基于此本文系统总结分析典型突发灾种无人机应急测绘系统选型指标和关键技术,形成应对典型灾种有效应急测绘系统选型方案,对改进优化应急测绘保障工作十分必要,对地表变形破坏灾害以及台风洪涝、森林防火防旱灾害也具有参考意义。

1 无人机应急测绘系统组成

无人机应急测绘系统主要包括固定翼、多旋翼和复合翼无人机系统,具有反应快、机动灵活、适合不同灾害环境下作业等优点,是传统航空摄影测量技术新的发展领域。固定翼无人机应急测绘系统主要适用大型(特大型)灾害现场数据获取,国家应急测绘保障能力建设省级单项工程建设主要满足短航时大载荷复合翼无人机应急测绘迫切需求[16]。该系统是突发事件现场信息的重要获取渠道之一,主要承担中小型自然灾害及重点区域遥感影像获取,由飞行器、传感器分系统、指挥控制平台分系统、综合保障平台分系统等部分组成,如图1所示。多旋翼无人机应急测绘系统作为近年来发展快速发展起来的高新技术,可垂直起降、定点悬停[17],对场地要求较低,云雨影响较小,对高位远程、人不能至的小型灾害数据获取具有明显优势,主要由飞行平台、控制系统、任务载荷及数据处理系统组成[18-19]。

图1 无人机应急测绘系统组成

飞行平台(飞行器)是实现系统技术指标的基本平台,可同时搭载光学传感器及激光系统、光电吊舱、定位定姿系统等传感器,并接受无人机及相关载荷的控制指令,对飞行姿态和设备工作状态进行控制。传感器分系统是无人机系统的核心组成部分,由光电吊舱、轻型大面阵航摄或激光系统、任务计算机三部分构成。指挥控制平台分系统由指控设备和视距数据链组成,其通过视距数据链完成地面控制指令的生成及发送、无人飞行器系统设备状态的接收与显示,以及对光学面阵传感器和光电吊舱的远程状态进行监测和控制。综合保障平台分系统由数据处理软件和数据处理硬件组成,其功能主要包括航线设计,以及对传感器获取的数据进行现场快速处理,满足突发事件现场信息的获取需求。

2 崩滑流典型灾害应急测绘系统选型指标

应急测绘系统选型主要指标以无人机应急信息获取平台、传感器分系统为主体,是崩滑流典型地质灾害现场多源数据获取的重要技术组成。无人机应急信息获取平台配备多型号无人机系统,实现短时间全省无人机应急监测服务,对尺寸、任务载荷、起降条件、航速航时升限以及抗风性提出更高要求[20]。传感器分系统用于应急测绘多源数据采集,如可见光影像、高清视屏、定位定姿数据和激光点云数据等[21-22]。人机应急测绘保障系统配置及关键指标如表1所示。

表1 无人机应急测绘保障系统配置及关键指标

2.1 多旋翼无人机应急测绘系统

中小型崩塌、滑坡地质灾害发生现场一般伴随云雾、降雨天气,航摄通视性较差,多旋翼无人机应急测绘系统主要从环境适应性、安全性、传感器互换通用性及航摄成图效率进行衡量。应急环境主要考虑抗风防雨、起降续航以及最大载荷能力几个方面,比如四旋翼无人机搭载(microdrones 4,MD4)索尼可换镜头相机(interchangeable lens camera whit E-mount,ILCE)与大疆经纬(M600,matrice 600)搭载睿铂相机(digital group3,DG3)作业飞行时间均不足30 min,对高位远程人不能至灾体的适应性存在一定局限。应急操作安全主要体现是否支持动态后处理测量/实时动态测量(post processed kinematic/real time kinematic,PPK/RTK)、远距离通信、自动避障等功能指标上,MD4+ILCE暂不支持PPK/RTK定位导航,M600+DG3通讯距离长达30 km,支持PPK/RTK定位导航以及自动避障返航等安全性能表现更优。传感器互换通用性主要考虑无人机平台搭载任务设备种类及传感器互换通用性指标上,MD4-1000平台最大起飞重量7 kg,任务载荷3 kg,除搭载ILCE-QX1L五拼倾斜相机、DG3倾斜相机,对于重量及接口云台要求稍高如高光谱成像仪、激光雷达则较难以使用。航摄成图效率是应急测绘必然内在要求,快速的数据获取及处理是支撑减灾救灾决策重要依据,主要考虑航摄规划设计、巡航速度与智能控制水平、相机焦距及曝光时间、数据传输效率与成图制图效率等参考指标,MD4+ILCE相机焦距正射20 mm、倾斜35 mm,最小曝光间隔大于4 s,M600+DG3相机焦距正射28 mm、倾斜43 mm,最小曝光间隔大于0.8 s,均采用五镜头统一拷贝方式进行数据下载及智能化处理成图。

2.2 短航时复合翼及固定翼应急测绘系统

大中型崩塌、滑坡、泥石流地质灾害具有危害范围广、破坏性强的特点,及时快速获取灾区大范围地形及房屋破坏、流量土方、洪水淹没是应急测绘重要任务,是配置短航时复合翼及固定翼应急测绘系统选型重要考虑因素。由于从灾区周边区域起飞,航高比旋翼无人机更高,甚至达到4 000 m巡航高度,应急环境适应性主要体现动力燃料、巡航速度、实用升限、任务载荷等主要指标,如爱生近程无人机218(aisheng asn 218,ASN218)与纵横垂起无人机30(change world30,CW30)均采用燃油动力,相较ZC3C电动引擎续航及稳定性方面更优,同时ASN218具有80 kg最大起飞重量,任务载荷超过20 kg,可搭载光电吊舱,配置可见光、热红外视频传感器。两款复合翼方案均设计支持PPK/RTK高精度定位导航,具有很强的安全性能。特别是挂载如RIGEL大测距广视场角激光雷达系统能提供灾区高密度点云数据,分类处理高精度数字高程模型(digital elevation model,DEM)成果,套合叠加灾前三维模型为计算灾害体发生土方量淹没范围提供数据支撑,

3 崩滑流典型灾害应急测绘系统应用分析

崩塌、滑坡、泥石流等典型斜坡变形破坏突发自然灾害有其各自特征,需配置选用不同的无人机应急测绘系统。崩塌是高陡斜坡上的天然岩土体在重力作用下突然脱离母体崩落、滚动、堆积坡脚(沟谷)的地质现象,坡体前缘临空,坡度大于45°,坡面上一般有多组新发展的裂缝,其上建筑物、植被有新的变形迹象,裂隙发育或存在易滑软弱结构面,如2015年台风“彩虹”新诱发山体崩塌造成房屋倒塌[23]。表现规模一般较小,需获取灾后精细地形及评估破坏程度信息,一般选用多旋翼无人机应急测绘系统。滑坡是斜坡上的天然岩土体受河流冲刷、地下水活动、地震及降雨等因素影响,在重力作用下沿一定的软弱面(软弱带)整体向下滑动的地质现象,如2022年河源市龙川县上坪、麻布岗山体滑坡[24]。坡体的坡度介于25°～45°之间,前缘附近地面出现隆起变形或鼓胀裂缝,后缘出现拉张裂缝,斜坡两侧侧缘出现羽状剪切或拉张裂缝,其上建构筑物出现倾斜、开裂状况,树木存在“马刀树”或“醉汉林”等迹象,获取倾斜及高密度激光点云数据可以清晰调查灾体跌坎、擦痕、位移等信息,根据规模大小及作业天气选择多旋翼无人机应急测绘系统、短航时复合翼应急测绘系统为优先序的作业方案。泥石流是因降雨诱发在沟谷或坡面产生的一种携带有大量泥沙、石块等固体物质的特殊洪流,如2013年广东省兴宁市铁山嶂矿区特大型泥石流灾害[25],具有爆发突然、历时短暂和破坏力强的特点,形成一般具备汇水、物源和沟道条件,上游坡面或沟谷中存在大量松散岩土体或存在崩塌、滑坡隐患,且处于不稳定状态。为避免人员作业安全隐患、综合系统测控距离、续航起降等条件,有效获取并评估灾体发生规模及威胁程度,一般选用短航时复合翼应急测绘系统。

多旋翼无人机应急测绘系统应对中小型崩塌、滑坡具有明显优势,起降灵活简便。常用的MD4-1000四旋翼无人机挂载索尼ILCE-QX1L五拼倾斜相机(记为MD4+ILCE方案),以及M600六旋翼无人机挂载DG3倾斜相机(记为M600+DG3)两种配置组合,是应急救灾现场获取灾体倾斜三维模型、正射影像较为成熟方案,如表2所示。

表2 多旋翼无人机应急测绘系统两种方案比较

图2即采用M600+L1获取的灾体激光点云数据,图3即采用M600+DG3相机获取的载体倾斜三维模型。

图2 M600+L1小型滑坡灾害彩色点云

图3 M600+DG3小型滑坡灾害倾斜三维模型

短航时复合翼应急测绘系统建设是近年来国家及省级应急测绘保障机制建设重要内容,要求具有短距离飞行与控制、突发事件现场遥感信息获取以及数据快速处理功能。能够从突发事件现场周边起飞,具备较好的续航能力(不小于3 h)和中距离控制(大于100 km)能力,对起飞条件要求较低。能够应对复杂天气和地形环境影响,最大限度地保障航空应急测绘工作的有效开展,同时适合低空低速飞行,满足无人机航空摄影作业要求。早期中测无人机遥感系统(zhongce-3c,ZC3C)电动固定翼无人机搭载索尼ILCE-7R镜头因其对跑道弹射伞降、设备磨损影像较大,已逐步退出主流无人机应急测绘选型配置方案,更多采用如ASN218/CW30垂起复合翼系列,具有安全性高、作业方便、适应性强等优势,表3对三种典型短航时复合翼及固定翼应急测绘系统进行了比较。

表3 复合翼及固定翼无人机应急测绘系统三种方案比较

4 结束语

广东省斜坡变形灾害集中发生在山区坡脚,受切坡建房等人类工程活动影响较大。地质灾害频发多发,崩塌、滑坡、泥石流典型地质灾害占比高,总结提出适合广东省突发自然灾害应急测绘保障不同灾害类型无人机应急测绘系统选型指标是必要的。本文分别归纳了多旋翼无人机应急测绘系统和固定翼复合翼无人机应急测绘系统组成及其特点,以及主要灾害应用场景选型参考指标,为快速准确获取应急指挥所需基础地理信息资料提供解决方案。随着科学技术快速更新发展,以产品化系留无人机应急测绘指挥系统,以及长距离高速带宽数据无线回传技术试验验证,依靠地面线缆供电,可以24 h不中断地停留在空中执行通讯、照明和指挥任务,是无人机应急测绘系统走向综合指挥系统发展之路。