災(zāi)害現(xiàn)場信息空地一體化獲取技術(shù)研究

金 華， 張 亞， 蔡滿春， 張 鵬， 丁 一， 賈振軍， 湯 強(qiáng)

(1.中國人民公安大學(xué), 北京 100038； 2.應(yīng)急管理部國家減災(zāi)中心， 北京 100124)

0 引言

自然災(zāi)害是指給人類生存帶來危害或損害人類生活環(huán)境的自然現(xiàn)象，具有普遍性、區(qū)域性、不確定性、不可避免性、聯(lián)系性等特點(diǎn)[1-2]，一旦發(fā)生，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用裆?。大量研究表明，我國南方地區(qū)的災(zāi)害威脅主要來源于洪澇、泥石流、山體滑坡等，尤其我國西南地區(qū)，地形崎嶇、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、大斜坡多，降水歷時(shí)長，從而導(dǎo)致洪澇、山洪、泥石流災(zāi)害頻發(fā)，西南地區(qū)交通不便，給災(zāi)害信息及時(shí)獲取造成嚴(yán)重阻礙，也就無法迅速對災(zāi)害場景進(jìn)行評估并構(gòu)建相應(yīng)的環(huán)境地圖，導(dǎo)致救援緩慢，損失嚴(yán)重[3-9]。為解決上述災(zāi)情信息提取困難、不及時(shí)等問題，本文在位于西南地區(qū)的云南省大理市白族自治州洱源縣開展無人機(jī)巡航采集災(zāi)情信息，并采用快速拼接、信息制圖、信息提取等技術(shù)深入分析信息數(shù)據(jù)，繪制災(zāi)情位置圖像，為災(zāi)害現(xiàn)場定位和環(huán)境重建提供智能化服務(wù)。

1 信息采集

1.1 采集點(diǎn)和采集要素

洱源縣地處橫斷山脈與云貴高原交界地帶，境內(nèi)山嶺縱橫、層巒疊嶂，湖泊棋布，河流如織，盆地、河谷錯(cuò)落其間，曾多次發(fā)生過地震、山洪泥石流等自然災(zāi)害，根據(jù)該地區(qū)災(zāi)情實(shí)際情況，選擇該地區(qū)三區(qū)域作為災(zāi)情數(shù)據(jù)信息采集點(diǎn)。見表1。

表1 滑坡、洪澇、泥石流災(zāi)情數(shù)據(jù)采集點(diǎn)

如需精準(zhǔn)定位上述3種自然災(zāi)害發(fā)生位置，必須具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)量支持，采集過程中需要針對不同的災(zāi)害類型及所處地理位置選擇代表性數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)類型如表2所示。

表2 滑坡、洪澇、泥石流災(zāi)情信息采集要素表

降水量激增、泥沙淤積、堰塞湖調(diào)蓄洪峰能力下降，是導(dǎo)致堰塞湖脆弱低段出現(xiàn)決口的主要原因，洪水一旦瀉下，周圍村莊等將會被淹沒，山勢陡峻之地將會出現(xiàn)滑坡、泥石流等次生災(zāi)害，造成道路阻塞。自然災(zāi)害的聯(lián)系性表明，一旦洪澇災(zāi)害發(fā)生，其影響面積非常廣。為了精準(zhǔn)定位上述災(zāi)情位置，從災(zāi)害發(fā)生源頭、受災(zāi)地域、次生災(zāi)害發(fā)生地段出發(fā)，確定了上述采集的數(shù)據(jù)類型，對于空間領(lǐng)域較大地域，則采用衛(wèi)星影像代替。

1.2 采集方法

使用DJI M210 V2四旋翼無人機(jī)同步掛載XT2可見光、熱紅外雙光載荷與Yusense MS600 V2多光譜相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，基于DJI Pilot地面站軟件對各區(qū)域進(jìn)行自動航線規(guī)劃。由于牛街鄉(xiāng)和福田村兩處地區(qū)在應(yīng)用示范前不久連續(xù)降雨發(fā)生了滑坡和洪水災(zāi)害，彌茨河橋是“8·6大理洱源縣泥石流災(zāi)害”發(fā)生地，所以選擇三地作為應(yīng)用示范區(qū)。

(1)牛街鄉(xiāng)

該任務(wù)區(qū)域?yàn)閮?nèi)流河床兩岸，為洪澇隱患場景，地物類型主要包括工業(yè)區(qū)、水體、道路與山地等。具體航線設(shè)計(jì)與飛行參數(shù)見圖1、表3。

圖1 牛街鄉(xiāng)自動規(guī)劃航線

表3 飛行參數(shù)

(2)福田村

該任務(wù)區(qū)域?yàn)榛率転?zāi)區(qū)，為滑坡與次生災(zāi)害場景，地物類型主要包括住宅、道路、山地等。具體航線設(shè)計(jì)與飛行參數(shù)見圖2、表3。

圖2 福田村自動規(guī)劃航線

(3)彌茨河橋

該任務(wù)區(qū)域?yàn)轼P羽鎮(zhèn)彌茨河橋，為泥石流隱患場景，地物類型主要包括水體、農(nóng)田、住宅、山地等。具體航線設(shè)計(jì)與飛行參數(shù)如圖3、表3。

圖3 彌茨河橋自動規(guī)劃航線

按照上述航跡規(guī)劃中自動生成的飛行航線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)獲取可見光、熱紅外、多光譜三種數(shù)據(jù)源，飛行結(jié)束后，從SD卡中拷貝至工作站，具體數(shù)據(jù)量見表4。

表4 三地區(qū)彌茨河橋數(shù)據(jù)量

2 數(shù)據(jù)處理

在分析整理所獲取的數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合處理目的和成果要求，軟件以POS數(shù)據(jù)為引導(dǎo)，原始影像為輸入數(shù)據(jù)，按照應(yīng)用示范影像快拼生產(chǎn)技術(shù)流程，經(jīng)過空三加密和實(shí)時(shí)快速處理實(shí)現(xiàn)快拼圖的制作。

由于受到圖像獲取條件的限制，較大場景的整幅圖像需要借助多幅圖像得到全面的信息，因此，無論福田村還是牛街鄉(xiāng)、彌茨河橋(居民點(diǎn))的可見光原始影像效果圖均為12張，每張的采集角度各異，以便完全覆蓋這些領(lǐng)域，見圖4、圖5、圖6。

圖4 福田村可見光原始影像效果圖

圖5 牛街鄉(xiāng)可見光原始影像效果圖

圖6 彌茨河橋可見光原始影像效果圖

(1)影像快速拼接

① 處理過程

對小型旋翼無人機(jī)搭載的傳感器影像進(jìn)行快拼，數(shù)據(jù)基本情況如表5所示。

表5 三地?cái)?shù)據(jù)基本資料

② 試驗(yàn)過程

在分析整理所獲取的數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合處理目的和成果要求，軟件以POS數(shù)據(jù)為引導(dǎo)，原始影像為輸入數(shù)據(jù)，按照應(yīng)用示范影像快拼生產(chǎn)技術(shù)流程，經(jīng)過空三加密和實(shí)時(shí)快速處理實(shí)現(xiàn)快拼圖的制作。試驗(yàn)中選擇可見光、多光譜和熱紅外，可見光的特點(diǎn)是優(yōu)于70%航向重疊、40%旁向重疊的航空影像；多光譜包含6個(gè)帶的光譜信息圖像；熱紅外是灰度影像，陽光反射的溫度越高，在紅外線遙感影像中越亮，吸收熱量強(qiáng)，反射溫度越低，紅外線遙感影像越暗。數(shù)據(jù)處理的主要目標(biāo)是通過多源數(shù)據(jù)展示災(zāi)情發(fā)生地的空間信息、受災(zāi)程度信息，為決策者提供決策依據(jù)。

Ⅰ可見光處理效果

可見光處理速度快、可提取信息豐富。

Ⅱ多光譜影像處理效果

光譜信息豐富，可以提取更為復(fù)雜的地物類。提取效果見圖7、圖8。

圖7 福田村多光譜原始影像效果圖

圖8 牛街鄉(xiāng)多光譜原始影像效果圖

Ⅲ熱紅外影像處理效果

提取反射率較高，提取溫度較高的或者相反的地物類。提取效果見圖9、圖10、圖11。

圖9 福田村熱紅外原始影像效果圖

圖10 牛街鄉(xiāng)熱紅外原始影像效果圖

圖11 彌茨河橋熱紅外原始影像效果圖

(2)災(zāi)情信息制圖

根據(jù)災(zāi)種、災(zāi)情信息類型，此次試驗(yàn)過程中，以云南災(zāi)情信息采集點(diǎn)三區(qū)域真實(shí)案例為依據(jù)，以該三區(qū)域的快拼影像以及災(zāi)情矢量信息為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合災(zāi)情應(yīng)急制圖的專題符號庫和模板庫，快速實(shí)現(xiàn)相應(yīng)災(zāi)害專題圖的制作。專題圖中體現(xiàn)事故發(fā)生地、災(zāi)害發(fā)生范圍、居民點(diǎn)位置等信息，同時(shí)對事件的詳細(xì)信息進(jìn)行描述。

采用處理過程階段的快拼結(jié)果影像進(jìn)行災(zāi)情信息提取，其數(shù)據(jù)基本情況如表6所示。

表6 三地?cái)?shù)據(jù)基本資料

Ⅰ福田村

對快拼結(jié)果數(shù)據(jù)通過災(zāi)情信息提取子系統(tǒng)進(jìn)行滑坡位置提取，得到圖12結(jié)果圖。

圖12 滑坡位置

經(jīng)過災(zāi)情產(chǎn)品生產(chǎn)子系統(tǒng)得到滑坡位置。

Ⅱ牛街鄉(xiāng)

對快拼結(jié)果數(shù)據(jù)通過災(zāi)情信息提取子系統(tǒng)進(jìn)行泥石流范圍提取，得到圖13結(jié)果圖。

圖13 洪水范圍

經(jīng)過災(zāi)情產(chǎn)品生產(chǎn)子系統(tǒng)得到洪水范圍。

Ⅲ彌茨河橋

對快拼結(jié)果數(shù)據(jù)通過災(zāi)情信息提取子系統(tǒng)進(jìn)行洪水范圍提取，得到圖14結(jié)果圖。

圖14 快拼效果

經(jīng)過災(zāi)情產(chǎn)品生產(chǎn)子系統(tǒng)得到泥石流位置。

對快拼結(jié)果數(shù)據(jù)通過災(zāi)情信息提取子系統(tǒng)進(jìn)行居民點(diǎn)位置提取，得到圖15結(jié)果圖。

圖15 居民點(diǎn)位置

經(jīng)過災(zāi)情產(chǎn)品生產(chǎn)子系統(tǒng)得到泥石流范圍及未被掩埋居民點(diǎn)位置。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 影像快速拼接處理效率

處理效率如表7所示。

表7 影像快拼效率表

3.2 災(zāi)情信息制圖處理效率

處理效率如表8所示。

表8 災(zāi)情信息制圖效率表

4 總結(jié)

此次試驗(yàn)成功地實(shí)現(xiàn)了對自然災(zāi)害的精準(zhǔn)定位，并構(gòu)建了相應(yīng)的環(huán)境地圖，在數(shù)據(jù)處理過程中數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)制圖、數(shù)據(jù)提取時(shí)間迅速，可以在第一時(shí)間有效地對受害災(zāi)情進(jìn)行準(zhǔn)確定位，為后續(xù)搶險(xiǎn)救災(zāi)提供數(shù)據(jù)支撐，做到精準(zhǔn)防災(zāi)、迅速救災(zāi)。不過試驗(yàn)也有不足之處，沒有在災(zāi)害發(fā)生的時(shí)刻去采集數(shù)據(jù)，而是災(zāi)后去采集。后續(xù)相關(guān)研究學(xué)者如果條件允許，可以嘗試采集災(zāi)害發(fā)生現(xiàn)場當(dāng)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善相關(guān)研究。