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机载激光雷达:次生地灾排查利器

2019 / 11 / 01
今年5月中下旬,福建省多地出现强降雨,其中三明市的局部地区出现大暴雨。受强降雨的影响,地处武夷山脉与戴云山脉之间汇水区的三明市梅列区和三元区多处发生山体滑坡等次生灾害,严重威胁到当地人民群众的生命财产安全。
险情告急,三明市立即启动地质灾害险情Ⅱ级应急响应。一方面,市政府组织有关部门转移受威胁区域人员。另一方面,市自然资源局向福建省自然资源厅寻求应急保障支援,以期获取灾区次生灾害第一手资料,从而辅助抗洪救灾决策工作。
一场“生死时速”的较量在三明市上演。

机载激光雷达星夜驰援三明
三明市地质灾害险情Ⅱ级应急响应启动数日后的5月30日20时左右,远在福州市的福建省招标采购集团权属企业福建经纬测绘地理信息有限公司(下称福建经纬)项目办公室主任张永年接到公司通知,应福建省自然资源厅的要求,紧急组织公司“凌云”战队骨干成员连夜赶往三明市开展地质灾害隐患排查应急保障工作。
福建经纬被福建省自然资源厅“点名”,在张永年看来,此举并不意外。他说:“因为公司拥有最齐全的设备、最优秀的团队、最精良的技术、最亮丽的成绩。”设备上,福建经纬已拥有多架垂直起降固定翼无人机,能克服福建多山环境对起降场地要求高的弊端,同时又能满足长航时的要求;拥有大中小尺寸皆备的多旋翼无人机,能够充分发挥机动、灵活、快速的特点;拥有专业航摄仪,ARS-1000L机载激光雷达系统,倾斜摄影仪,数码相机,满足多种数据获取需求。团队上,“凌云”战队多名骨干成员是原福建省测绘地理信息局应急保障部门的核心成员,拥有丰富的应急保障服务经验。技术上,福建经纬具备提供低空遥感影像的获取、航空航天遥感影像处理、无人机应急测绘保障服务、三维激光扫描数据获取及处理、倾斜摄影与实景三维建模、无人机航拍等综合能力。业绩上,“凌云”战队多名骨干成员不仅参加过古雷PX项目爆燃事故应急保障、泰宁泥石流灾害救援工作,而且参加过省防汛抗旱指挥部、省地震局、省消防总队等部门开展的应急演练。“公司的应急响应速度和应急保障能力得到了省领导的赞许和嘉奖。”张永年说。
经过紧张的准备工作,福建经纬派出了6名“凌云”战队队员连夜驱车赶赴三明市应急现场。为了圆满出色地完成任务,此次选派的成员全是战队的骨干精英,不仅有省内最好的飞手刘林毅,还有团队技术担当尹成。
同时,福建经纬出动了公司最顶尖的设备:垂直起降固定翼无人机1部,多旋翼无人机2部,ARS-1000L机载激光雷达设备1套,可见光相机2部,高清摄像云台1套及其他相应配套设备。值得一提的是,今年2月采购,5月下旬才交货的中海达旗下子公司武汉海达数云技术有限公司研发的ARS-1000L机载激光雷达刚刚到位就“上岗”作业。“应急就是这样,来了就得上。”张永年说。
ARS-1000L机载激光雷达的首秀,在张永年看来,意义非凡:不仅是福建经纬,也是省内首次将机载激光雷达应用于地质灾害应急保障。尽管让新设备“上岗”冒险,但张永年对设备信心十足。“因为设备已做过测试,我们对点云的精度效果很满意。同时,我们作为国企,有义不容辞的社会责任。只要能获取灾区第一手资料,我们就去飞。”他解释道。
当晚8点半左右,尹成携带ARS-1000L机载激光雷达从福州坐动车紧急赶往三明市,途中他还就第二天应急航摄事宜与省空域管制部门、三明市派出所协调。与此同时,福建经纬其他5名应急人员携带其余设备从龙岩测区连夜驱车奔赴三明市。凌晨1点,福建经纬应急分队全员抵到三明市。为了不影响第二天的工作,应急小队连夜加班与三明市自然资源局人员对接,明确了此次需要应急测绘的区域和监测要求。随后,应急分队抓紧着手航线设计、预选起降场地等工作,并对设备进行充电、调试RTK信号,以及购买第二天作业人员在外业作业时所需的干粮和水。
凌晨3点左右,当一切准备工作就绪后,尹成和他的队员们才回酒店休息,养精蓄锐,全力以赴第二天的应急保障服务工作。

“三步”摸清测区灾情
次日的阴雨天气给福建经纬应急分队执行任务制造了麻烦。然而,灾情紧迫,应急小队需要尽快完成三明市主城区约12平方公里的无人机应急保障任务。
经过商讨,应急分队决定冒雨飞行。“当时,在应急状态下,时间就是生命,所以我们评估只要飞行的可行性超过70%,就会起飞获取数据。”尹成说。得益于丰富的应急保障经验,到达任务区的应急小队搭建事先携带的帐篷,做好起飞前的准备工作。
根据福建经纬应急保障流程,应急分队将分三步完成此次应急保障任务。
第一步,应急分队起飞搭载高清摄像云台的多旋翼无人机,实时将拍摄的测区画面传输到地面站,供前线指挥部决策。“让现场的领导和群众对测区情况有一个大概了解,让他们看到灾情其实并没有想象中那么严重,这样不至于其因不了解情况而产生恐慌情绪。”张永年说。
第二步,应急分队起飞搭载可见光相机的垂直起降固定翼无人机,拍摄测区高清照片,第一时间制作出第一张正射影像图,方便前线指挥部全面掌握灾情。“比如滑坡造成的损失有多大,从而判断灾害的等级是多少,进而匹配相应的救援措施。”张永年说。
第三步,应急分队起飞搭载ARS-1000L机载激光雷达设备的多旋翼无人机,获取测区高密度点云数据制作高精度数字高程模型,从而分析出未来可能发生滑坡的隐患区域和可能性,为指导灾区未来几天的工作部署提供决策支撑。“通过模型,我们不仅可以演算出滑坡发展变化趋势,而且还能推算出后续次生灾害发展路径,这样就能有效减少人民群众生命财产安全隐患,这就是机载激光雷达设备的价值所在。”张永年指出,福建经纬引进机载激光雷达设备的想法萌生于2016年5月8日发生的泰宁泥石流灾害。当时,无人机团队参与了应急保障服务,第一时间获取了灾区正射影像图。“事后,我们在总结的时候,发现当自然灾害发生后,我们只提供可见光影像的作用是有限的。所以我们就思考在今后参与灾害应急救援时,一定要获取灾区高密度激光点云来制作高精度数字高程模型,这更助于我们对灾害的分析”,张永年说,“同时,激光雷达设备具备无可比拟的优势,它不受天气影响,白天黑夜都能作业,可以从容应对复杂的灾区环境。并且它还可以组合可见光相机,这样一次飞行可以同时获取影像和点云数据,大大提高作业效率。”
于是今年,在了解到海达数云有成熟的机载激光雷达设备后,福建经纬第一时间采购了ARS-1000L机载激光雷达系统。张永年指出,福建经纬之所以选择与海达数云合作,除了设备优良的性能优势外,多平台应用的产品设计是主要原因。“这套设备既可以放在无人机飞行平台上用,也可以放在车上、摩托车上用,甚至人背着也可以用。”引进后,福建经纬成为省内第一家引入多平台激光扫描设备的单位,使其具备了空地一体化和二三维一体化测绘能力。
为了第一时间获取测区的灾情,福建经纬应急分队分两组同步进行作业。当雨变小后,两组队员立即起飞无人机升空作业。负责第一步和第二步流程的小组,率先起飞搭载高清摄像云台的多旋翼无人机,之后使用搭载可见光相机的垂直起降固定翼无人机获取了12平方公里区域的原始影像,并交由数据处理人员在2小时内制作了应急保障“第一张图”。另一组使用搭载ARS-1000L机载激光雷达设备的多旋翼无人机对三明市自然资源局重点关注区域进行扫描,以获取高密度点云数据。同时,应急分队还安排一名技术人员去实地测量控制点和碎步点。“目的有两个,一个是验证获取的点云精度。另一个是在某些区域点云密度不够的情况下,作为成果数据的有效补充,保证数据的可靠性。”尹成说。
正当应急保障作业在紧张进行时,大雨骤然而至,应急分队不得不终止作业任务。尽管未能完成全部任务,福建经纬第一天取得的灾区第一张正射影像图等应急保障成果,得到了现场指挥部的肯定。

机载激光雷达“揪出”灾害易发点
第三天的三明市依旧阴雨绵绵,整装待发的福建经纬应急分队抓住天气转好的间隙,一方面使用固定翼无人机继续对测区进行监测,另一方面起飞搭载着ARS-1000机载激光雷达设备的多旋翼无人机,继续对三明市自然资源局重点关注区域进行扫描。
受天气影响,福建经纬承接的应急保障任务一直持续到第四天才完成。本次应急保障任务,共完成无人机起降8架次的福建经纬为三明市自然资源局应急指挥部提供了两大应急成果。
第一项成果——借助无人机发现滑坡点。福建经纬利用十几天前对三明市主城区进行高分辨率航空摄影生产的正射影像图和本次应急生产的“第一张图”进行比对,总共发现了241处滑坡点,并统计了每一处滑坡点的面积,其中滑坡面积大于10000平方米的有4处,5000至10000平方米的有10处,2000至5000平方米的有30处,为三明市自然资源局应急指挥部提供了第一手受灾情况评估报告。
第二项成果——借助机载激光雷达排查灾害易发点。福建经纬通过在高精度数字高程模型上面,将滑坡点分布与高程、坡度、坡向、径流相结合进行分析,得到了地表径流的路径和最终汇水地点,发现了城区低洼易积水的区域,并根据地表径流流经区域的排水承载力提供了合理建议。其中,高程方面,监测区域滑坡的高发区域在225米~425米范围内;坡度方面,监测区域滑坡的高发区域在30度~40度范围内;坡向方面,监测区域滑坡的高发区域为西、西南两个方向;径流距离方面,监测区域滑坡的高发区域在0米~50米范围内。
“根据这两项成果,应急指挥部就能知晓哪些地方发生了滑坡,哪些地方有可能会发生滑坡,这样他们就能有针对性地开展防灾减灾工作。”张永年说。借助福建经纬两项应急保障成果,三明市在此次抗洪救灾中,实现了最大限度地减少因地质灾害造成人民群众生命财产损失的目标。事后,这两项应急保障成果得到了福建省自然资源厅和三明市自然资源局的高度赞扬。
同时,出色完成首秀的ARS-1000L机载激光雷达系统得到了福建经纬的肯定。“设备确实发挥了作用。”张永年说,公司下一步将在应急演练中安排设备夜间作业,充分发挥激光雷达无可比拟的优势。此外,福建经纬还将开展激光雷达培训,提高自身点云数据处理与分析能力。
在用好ARS-1000L机载激光雷达系统之余,为了充分发挥测绘地理信息技术优势在防灾减灾的作用,福建经纬正在谋划两件大事:一件是打造一个集空天地一体化监测系统、机载激光雷达系统、统一管理系统、预警预报系统、舆情系统等于一身的福建省一体化防灾减灾管理平台;另一件是壮大无人机“凌云”战队,将省内优质无人机和操控手资源整合起来,汇聚在“凌云”战队旗下,形成一支分散于全省各地的人才队伍,进而形成一支强大的县市一体化应急保障服务团队,以便为未来更严重、更复杂的各类自然灾害提供最及时的应急保障服务。
“这两件事一旦做成,福建省防灾减灾能力将会得到明显提升。”张永年坦言,当自然灾害来临时,无论是个人,还是企业,只要能发挥作用,都要贡献自己的一份力量,福建经纬当然也不例外。正在用行动践行这份责任的福建经纬,立志为护航八闽大地做出更大贡献,张永年对此信心满满。


来源:2019年中海达《定位》杂志秋季刊


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