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機載激光雷達:次生地災排查利器

2019 / 11 / 01
今年5月中下旬,福建省多地出現強降雨,其中三明市的局部地區出現大暴雨。受強降雨的影響,地處武夷山脈與戴云山脈之間匯水區的三明市梅列區和三元區多處發生山體滑坡等次生災害,嚴重威脅到當地人民群眾的生命財產安全。
險情告急,三明市立即啟動地質災害險情Ⅱ級應急響應。一方面,市政府組織有關部門轉移受威脅區域人員。另一方面,市自然資源局向福建省自然資源廳尋求應急保障支援,以期獲取災區次生災害第一手資料,從而輔助抗洪救災決策工作。
一場“生死時速”的較量在三明市上演。

機載激光雷達星夜馳援三明
三明市地質災害險情Ⅱ級應急響應啟動數日后的5月30日20時左右,遠在福州市的福建省招標采購集團權屬企業福建經緯測繪地理信息有限公司(下稱福建經緯)項目辦公室主任張永年接到公司通知,應福建省自然資源廳的要求,緊急組織公司“凌云”戰隊骨干成員連夜趕往三明市開展地質災害隱患排查應急保障工作。
福建經緯被福建省自然資源廳“點名”,在張永年看來,此舉并不意外。他說:“因為公司擁有最齊全的設備、最優秀的團隊、最精良的技術、最亮麗的成績。”設備上,福建經緯已擁有多架垂直起降固定翼無人機,能克服福建多山環境對起降場地要求高的弊端,同時又能滿足長航時的要求;擁有大中小尺寸皆備的多旋翼無人機,能夠充分發揮機動、靈活、快速的特點;擁有專業航攝儀,ARS-1000L機載激光雷達系統,傾斜攝影儀,數碼相機,滿足多種數據獲取需求。團隊上,“凌云”戰隊多名骨干成員是原福建省測繪地理信息局應急保障部門的核心成員,擁有豐富的應急保障服務經驗。技術上,福建經緯具備提供低空遙感影像的獲取、航空航天遙感影像處理、無人機應急測繪保障服務、三維激光掃描數據獲取及處理、傾斜攝影與實景三維建模、無人機航拍等綜合能力。業績上,“凌云”戰隊多名骨干成員不僅參加過古雷PX項目爆燃事故應急保障、泰寧泥石流災害救援工作,而且參加過省防汛抗旱指揮部、省地震局、省消防總隊等部門開展的應急演練。“公司的應急響應速度和應急保障能力得到了省領導的贊許和嘉獎。”張永年說。
經過緊張的準備工作,福建經緯派出了6名“凌云”戰隊隊員連夜驅車趕赴三明市應急現場。為了圓滿出色地完成任務,此次選派的成員全是戰隊的骨干精英,不僅有省內最好的飛手劉林毅,還有團隊技術擔當尹成。
同時,福建經緯出動了公司最頂尖的設備:垂直起降固定翼無人機1部,多旋翼無人機2部,ARS-1000L機載激光雷達設備1套,可見光相機2部,高清攝像云臺1套及其他相應配套設備。值得一提的是,今年2月采購,5月下旬才交貨的中海達旗下子公司武漢海達數云技術有限公司研發的ARS-1000L機載激光雷達剛剛到位就“上崗”作業。“應急就是這樣,來了就得上。”張永年說。
ARS-1000L機載激光雷達的首秀,在張永年看來,意義非凡:不僅是福建經緯,也是省內首次將機載激光雷達應用于地質災害應急保障。盡管讓新設備“上崗”冒險,但張永年對設備信心十足。“因為設備已做過測試,我們對點云的精度效果很滿意。同時,我們作為國企,有義不容辭的社會責任。只要能獲取災區第一手資料,我們就去飛。”他解釋道。
當晚8點半左右,尹成攜帶ARS-1000L機載激光雷達從福州坐動車緊急趕往三明市,途中他還就第二天應急航攝事宜與省空域管制部門、三明市派出所協調。與此同時,福建經緯其他5名應急人員攜帶其余設備從龍巖測區連夜驅車奔赴三明市。凌晨1點,福建經緯應急分隊全員抵到三明市。為了不影響第二天的工作,應急小隊連夜加班與三明市自然資源局人員對接,明確了此次需要應急測繪的區域和監測要求。隨后,應急分隊抓緊著手航線設計、預選起降場地等工作,并對設備進行充電、調試RTK信號,以及購買第二天作業人員在外業作業時所需的干糧和水。
凌晨3點左右,當一切準備工作就緒后,尹成和他的隊員們才回酒店休息,養精蓄銳,全力以赴第二天的應急保障服務工作。

“三步”摸清測區災情
次日的陰雨天氣給福建經緯應急分隊執行任務制造了麻煩。然而,災情緊迫,應急小隊需要盡快完成三明市主城區約12平方公里的無人機應急保障任務。
經過商討,應急分隊決定冒雨飛行。“當時,在應急狀態下,時間就是生命,所以我們評估只要飛行的可行性超過70%,就會起飛獲取數據。”尹成說。得益于豐富的應急保障經驗,到達任務區的應急小隊搭建事先攜帶的帳篷,做好起飛前的準備工作。
根據福建經緯應急保障流程,應急分隊將分三步完成此次應急保障任務。
第一步,應急分隊起飛搭載高清攝像云臺的多旋翼無人機,實時將拍攝的測區畫面傳輸到地面站,供前線指揮部決策。“讓現場的領導和群眾對測區情況有一個大概了解,讓他們看到災情其實并沒有想象中那么嚴重,這樣不至于其因不了解情況而產生恐慌情緒。”張永年說。
第二步,應急分隊起飛搭載可見光相機的垂直起降固定翼無人機,拍攝測區高清照片,第一時間制作出第一張正射影像圖,方便前線指揮部全面掌握災情。“比如滑坡造成的損失有多大,從而判斷災害的等級是多少,進而匹配相應的救援措施。”張永年說。
第三步,應急分隊起飛搭載ARS-1000L機載激光雷達設備的多旋翼無人機,獲取測區高密度點云數據制作高精度數字高程模型,從而分析出未來可能發生滑坡的隱患區域和可能性,為指導災區未來幾天的工作部署提供決策支撐。“通過模型,我們不僅可以演算出滑坡發展變化趨勢,而且還能推算出后續次生災害發展路徑,這樣就能有效減少人民群眾生命財產安全隱患,這就是機載激光雷達設備的價值所在。”張永年指出,福建經緯引進機載激光雷達設備的想法萌生于2016年5月8日發生的泰寧泥石流災害。當時,無人機團隊參與了應急保障服務,第一時間獲取了災區正射影像圖。“事后,我們在總結的時候,發現當自然災害發生后,我們只提供可見光影像的作用是有限的。所以我們就思考在今后參與災害應急救援時,一定要獲取災區高密度激光點云來制作高精度數字高程模型,這更助于我們對災害的分析”,張永年說,“同時,激光雷達設備具備無可比擬的優勢,它不受天氣影響,白天黑夜都能作業,可以從容應對復雜的災區環境。并且它還可以組合可見光相機,這樣一次飛行可以同時獲取影像和點云數據,大大提高作業效率。”
于是今年,在了解到海達數云有成熟的機載激光雷達設備后,福建經緯第一時間采購了ARS-1000L機載激光雷達系統。張永年指出,福建經緯之所以選擇與海達數云合作,除了設備優良的性能優勢外,多平臺應用的產品設計是主要原因。“這套設備既可以放在無人機飛行平臺上用,也可以放在車上、摩托車上用,甚至人背著也可以用。”引進后,福建經緯成為省內第一家引入多平臺激光掃描設備的單位,使其具備了空地一體化和二三維一體化測繪能力。
為了第一時間獲取測區的災情,福建經緯應急分隊分兩組同步進行作業。當雨變小后,兩組隊員立即起飛無人機升空作業。負責第一步和第二步流程的小組,率先起飛搭載高清攝像云臺的多旋翼無人機,之后使用搭載可見光相機的垂直起降固定翼無人機獲取了12平方公里區域的原始影像,并交由數據處理人員在2小時內制作了應急保障“第一張圖”。另一組使用搭載ARS-1000L機載激光雷達設備的多旋翼無人機對三明市自然資源局重點關注區域進行掃描,以獲取高密度點云數據。同時,應急分隊還安排一名技術人員去實地測量控制點和碎步點。“目的有兩個,一個是驗證獲取的點云精度。另一個是在某些區域點云密度不夠的情況下,作為成果數據的有效補充,保證數據的可靠性。”尹成說。
正當應急保障作業在緊張進行時,大雨驟然而至,應急分隊不得不終止作業任務。盡管未能完成全部任務,福建經緯第一天取得的災區第一張正射影像圖等應急保障成果,得到了現場指揮部的肯定。

機載激光雷達“揪出”災害易發點
第三天的三明市依舊陰雨綿綿,整裝待發的福建經緯應急分隊抓住天氣轉好的間隙,一方面使用固定翼無人機繼續對測區進行監測,另一方面起飛搭載著ARS-1000機載激光雷達設備的多旋翼無人機,繼續對三明市自然資源局重點關注區域進行掃描。
受天氣影響,福建經緯承接的應急保障任務一直持續到第四天才完成。本次應急保障任務,共完成無人機起降8架次的福建經緯為三明市自然資源局應急指揮部提供了兩大應急成果。
第一項成果——借助無人機發現滑坡點。福建經緯利用十幾天前對三明市主城區進行高分辨率航空攝影生產的正射影像圖和本次應急生產的“第一張圖”進行比對,總共發現了241處滑坡點,并統計了每一處滑坡點的面積,其中滑坡面積大于10000平方米的有4處,5000至10000平方米的有10處,2000至5000平方米的有30處,為三明市自然資源局應急指揮部提供了第一手受災情況評估報告。
第二項成果——借助機載激光雷達排查災害易發點。福建經緯通過在高精度數字高程模型上面,將滑坡點分布與高程、坡度、坡向、徑流相結合進行分析,得到了地表徑流的路徑和最終匯水地點,發現了城區低洼易積水的區域,并根據地表徑流流經區域的排水承載力提供了合理建議。其中,高程方面,監測區域滑坡的高發區域在225米~425米范圍內;坡度方面,監測區域滑坡的高發區域在30度~40度范圍內;坡向方面,監測區域滑坡的高發區域為西、西南兩個方向;徑流距離方面,監測區域滑坡的高發區域在0米~50米范圍內。
“根據這兩項成果,應急指揮部就能知曉哪些地方發生了滑坡,哪些地方有可能會發生滑坡,這樣他們就能有針對性地開展防災減災工作。”張永年說。借助福建經緯兩項應急保障成果,三明市在此次抗洪救災中,實現了最大限度地減少因地質災害造成人民群眾生命財產損失的目標。事后,這兩項應急保障成果得到了福建省自然資源廳和三明市自然資源局的高度贊揚。
同時,出色完成首秀的ARS-1000L機載激光雷達系統得到了福建經緯的肯定。“設備確實發揮了作用。”張永年說,公司下一步將在應急演練中安排設備夜間作業,充分發揮激光雷達無可比擬的優勢。此外,福建經緯還將開展激光雷達培訓,提高自身點云數據處理與分析能力。
在用好ARS-1000L機載激光雷達系統之余,為了充分發揮測繪地理信息技術優勢在防災減災的作用,福建經緯正在謀劃兩件大事:一件是打造一個集空天地一體化監測系統、機載激光雷達系統、統一管理系統、預警預報系統、輿情系統等于一身的福建省一體化防災減災管理平臺;另一件是壯大無人機“凌云”戰隊,將省內優質無人機和操控手資源整合起來,匯聚在“凌云”戰隊旗下,形成一支分散于全省各地的人才隊伍,進而形成一支強大的縣市一體化應急保障服務團隊,以便為未來更嚴重、更復雜的各類自然災害提供最及時的應急保障服務。
“這兩件事一旦做成,福建省防災減災能力將會得到明顯提升。”張永年坦言,當自然災害來臨時,無論是個人,還是企業,只要能發揮作用,都要貢獻自己的一份力量,福建經緯當然也不例外。正在用行動踐行這份責任的福建經緯,立志為護航八閩大地做出更大貢獻,張永年對此信心滿滿。


來源:2019年中海達《定位》雜志秋季刊


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