無人機(jī)激光雷達(dá)在洪澇災(zāi)害中的應(yīng)用研究

王 芳，李會(huì)然，楊 雪，姬海君

（武警后勤學(xué)院，天津300309）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007—2016年國際上發(fā)生的200起重特大自然災(zāi)害中，洪澇災(zāi)害約占42%[1]。洪澇災(zāi)害已成為當(dāng)今世界主要的自然災(zāi)害之一，因此抗洪搶險(xiǎn)已成為世界各地的熱點(diǎn)問題。我國地處東亞地區(qū)，幅員遼闊，氣候、地形差異大，大部分地區(qū)在大陸季風(fēng)氣候（降雨時(shí)間集中、強(qiáng)度大）影響下，洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生[2]。2020年全國16個(gè)省區(qū)198條河流發(fā)生超警以上洪水，多于常年同期。重慶綦江上游干流及四川大渡河直流小金川更是發(fā)生了超歷史洪水[3]。截至2020年7月9日14時(shí)，洪澇災(zāi)害造成安徽、江西、湖北、湖南、廣東、廣西、重慶、四川、貴州等27省（區(qū)、市）3 020萬人受災(zāi)，141人死亡失蹤，172.1萬人緊急轉(zhuǎn)移安置，60.1萬人需緊急生活救助；2.2萬間房屋傾塌，25.1萬間房屋出現(xiàn)不同程度損壞；農(nóng)作物受災(zāi)面積2 667 000 hm2；直接經(jīng)濟(jì)損失617.9億元[3]。因此全力做好防洪減災(zāi)和搶險(xiǎn)救援工作已成為迫在眉睫的任務(wù)。在險(xiǎn)情發(fā)生前，及時(shí)完善水利設(shè)施、加固堤壩、組織好人員疏散，可以有效防止人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。洪水暴發(fā)后，實(shí)時(shí)掌握災(zāi)情發(fā)生的范圍、程度和險(xiǎn)點(diǎn)，及時(shí)采取抗洪搶險(xiǎn)行動(dòng)，就能最大限度地減少損失。但是目前部隊(duì)配備的抗洪搶險(xiǎn)裝備還較為落后，經(jīng)常依靠人力看水勢、查險(xiǎn)情、找決口、尋險(xiǎn)段[4]，因此需要進(jìn)一步發(fā)展信息化、智能化的搶險(xiǎn)救援裝備。

隨著激光和探測技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)日趨成熟，已廣泛應(yīng)用于資源勘探、城市規(guī)劃、水利工程、環(huán)境監(jiān)測和防震減災(zāi)等領(lǐng)域[5]。但由于水分子對光波具有強(qiáng)烈的吸收和散射效應(yīng)，激光雷達(dá)在水中應(yīng)用還有許多問題需要解決。根據(jù)對光波在水中傳輸特性的研究[6]，發(fā)現(xiàn)波長為470~580 nm的藍(lán)綠光在水中具有較好的傳播特性，衰減系數(shù)最小，說明水中存在類似于大氣窗口的透光窗口，這為研制激光水下探測系統(tǒng)提供了可行性基礎(chǔ)。目前，激光雷達(dá)在軍事上已用于水下潛艇和魚雷的探測，并實(shí)現(xiàn)了海底地貌測繪[7]。激光雷達(dá)傳統(tǒng)的搭載平臺(tái)包括載人飛機(jī)、船舶、衛(wèi)星等，最常用的搭載平臺(tái)是載人飛機(jī)。隨著無人機(jī)技術(shù)的日趨成熟，且因其具有成本低、起降方便、操作簡單、飛行高度較低等優(yōu)勢而逐漸發(fā)展為新興的常用搭載平臺(tái)。機(jī)載激光雷達(dá)是集激光、全球定位和慣性導(dǎo)航3種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，是將激光技術(shù)與現(xiàn)代光電技術(shù)相結(jié)合的先進(jìn)探測技術(shù)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字高程模型。為了提高洪澇災(zāi)害中的搶險(xiǎn)救援能力，本文對無人機(jī)激光雷達(dá)在洪澇災(zāi)害中的應(yīng)用展開研究。

1 激光雷達(dá)的組成及工作原理

1.1 組成

激光雷達(dá)是激光探測與測距系統(tǒng)的簡稱，是集激光測距與雷達(dá)探測兩者優(yōu)點(diǎn)于一身的可視化雷達(dá)。激光雷達(dá)主要由搭載設(shè)備的遙感平臺(tái)、激光掃描測距系統(tǒng)、定位定向系統(tǒng)、同步控制單元以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5個(gè)部分組成[8]，有時(shí)為獲取目標(biāo)影像還需集成成像裝置。

1.2 工作原理

激光雷達(dá)是一種主動(dòng)遙感設(shè)備，其工作原理如圖1所示。激光器在激光電源的激勵(lì)下發(fā)出激光束，激光束的一部分經(jīng)光束控制系統(tǒng)到達(dá)發(fā)射天線，另一部分直接進(jìn)入探測器。脈沖激光照射到目標(biāo)物體反射后由接收天線接收，經(jīng)探測器與發(fā)射激光一同進(jìn)入數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)，利用發(fā)射和接收的激光時(shí)間差計(jì)算出待測距離。激光雷達(dá)測量海水深度時(shí)，可分別測出水面距離和水底距離，進(jìn)而可得到水深數(shù)據(jù)。

圖1 激光雷達(dá)的工作原理框圖

激光雷達(dá)可以高度準(zhǔn)確地定位激光束照射在物體上的光斑，然后將接收到的目標(biāo)反射回波信號與發(fā)射信號進(jìn)行比較，通過數(shù)據(jù)處理獲得目標(biāo)的距離、方位、高度、速度、姿態(tài)及形狀等參數(shù)。激光雷達(dá)相比普通雷達(dá)，具有工作頻率高、方向性好、分辨力高、隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，更重要的是其體積小、質(zhì)量輕，可以搭載到任意平臺(tái)上，使用更加靈活方便。

2 激光雷達(dá)應(yīng)用于內(nèi)河水域的可行性分析

目前，激光雷達(dá)已成功應(yīng)用于海洋測量，并可以滿足國際海道測量協(xié)會(huì)要求的“30 m以內(nèi)水深測量誤差不超過0.3 m，大于30 m水深相對誤差不超過1%”[9]。江河和海洋的主要成分都是水，相比海洋，江河水域中鹽濃度更低，水面更為平靜，水深較淺。因此海洋光學(xué)窗口同樣適用于內(nèi)河水域。以下針對江河與海洋的區(qū)別，對激光雷達(dá)應(yīng)用于內(nèi)河水域的可行性進(jìn)行研究。

（1）內(nèi)河與海洋水體構(gòu)成比較。光波在水中傳輸時(shí)衰減嚴(yán)重，主要是水體對光波的吸收和散射效應(yīng)造成的。海洋水體中對光產(chǎn)生吸收和散射的主要成分包括純水、溶解物質(zhì)、懸浮顆粒物和有機(jī)體[10]。內(nèi)河水體中造成吸收和散射的主要成分是純水、浮游植物、懸浮顆粒物和有色溶解有機(jī)物，與海洋相近，主要區(qū)別在于鹽濃度和有機(jī)物成分。內(nèi)河水體在洪水期渾濁度較高，從洪水期經(jīng)平水期到枯水期渾濁度會(huì)逐步下降。目前激光雷達(dá)對潔凈海水的最大測量深度可達(dá)50 m，渾濁度會(huì)對內(nèi)河水體水深測量造成較大影響，除洪水期外，其他時(shí)期的測量深度與海水測量深度相當(dāng)[5]。

（2）內(nèi)河與海洋水面波動(dòng)情況對比。海洋受潮汐影響，水面會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重起伏，會(huì)對測量結(jié)果造成影響，當(dāng)水面越趨于平靜時(shí)，測量精度就越高。相比海洋，內(nèi)河水面較為平靜，受水面波動(dòng)的影響較小，因此應(yīng)用激光雷達(dá)測量的精度更高。

（3）內(nèi)河與海洋水下植被的差異比較。水下植被會(huì)降低水體透明度[11]，對激光有吸收和散射效應(yīng)，影響激光穿透能力，從而降低測量精度。另外，植被還會(huì)反射和折射激光，造成回波信號大幅衰減。因此，當(dāng)水下植被發(fā)達(dá)、分布密集時(shí)，激光雷達(dá)測量結(jié)果會(huì)受到嚴(yán)重影響。但是只要植被間存在間隙，激光即可通過狹小間隙到達(dá)水底，獲得水底回波信號。然而植被會(huì)造成回波信號噪聲增多，需要通過濾波手段選取正確的水底回波信號。相比海洋，內(nèi)河水下植被較少，因此更有利于激光雷達(dá)獲取水底回波信號。

通過對比內(nèi)河與海洋的水體構(gòu)成、水面波動(dòng)和水下植被，發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)用于江河水域的探測是可行的。

3 無人機(jī)激光雷達(dá)在洪澇災(zāi)害中的應(yīng)用

3.1 防洪減災(zāi)

將無人機(jī)激光雷達(dá)應(yīng)用到洪澇災(zāi)害調(diào)查工作中，可以為災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)提供重要的基礎(chǔ)資料，達(dá)到防洪減災(zāi)的目的。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，無人機(jī)激光雷達(dá)可獲取山區(qū)復(fù)雜三維地形環(huán)境下的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖2（a）所示。無人機(jī)激光雷達(dá)獲取數(shù)據(jù)速度快、精度高，數(shù)據(jù)成果可為山洪災(zāi)害的暴雨洪水量計(jì)算、災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)提供支撐。無人機(jī)激光雷達(dá)已成功用于河南欒川縣山洪災(zāi)害調(diào)查，并可以推廣到全國各地[13]。利用無人機(jī)激光雷達(dá)獲取全國各大小流域周邊的沿河村落房屋輪廓、位置和河道斷面數(shù)據(jù)構(gòu)建的地形地貌圖如圖2（b）所示[13]。根據(jù)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析可得出需要重點(diǎn)防范洪澇災(zāi)害的地區(qū)，進(jìn)而采取水利工程措施防止災(zāi)害發(fā)生。當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，為快速采取應(yīng)急反應(yīng)，必須及時(shí)了解災(zāi)區(qū)情況，這時(shí)利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以為制訂搶險(xiǎn)方案提供決策依據(jù)。

圖2 無人機(jī)激光雷達(dá)獲取的地形地貌

3.2 險(xiǎn)情排查

無人機(jī)激光雷達(dá)操作靈活、反應(yīng)迅速，能夠?qū)崟r(shí)傳輸探測數(shù)據(jù)。在汛期，對于危險(xiǎn)及交通不便的區(qū)域，無人機(jī)激光雷達(dá)可以迅速到達(dá)現(xiàn)場，及時(shí)得到汛情并實(shí)時(shí)監(jiān)視汛情走向。此外，無人機(jī)激光雷達(dá)還可以迅速對堤岸開展大范圍、全時(shí)域監(jiān)控，關(guān)注水位上漲情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏洞、裂縫，防止出現(xiàn)漫溢、決口等險(xiǎn)情。

例如，2004年廣西桂平發(fā)生洪澇災(zāi)害，無人機(jī)遙感救援小組趕赴現(xiàn)場進(jìn)行遙感監(jiān)測調(diào)查，迅速得到了災(zāi)區(qū)受災(zāi)情況的影像，這是國內(nèi)第一次運(yùn)用無人機(jī)遙感對洪澇災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測[14]。無人機(jī)激光雷達(dá)可實(shí)時(shí)地向防汛指揮部傳送汛情信息，為指揮部做出決策提供數(shù)據(jù)支撐，降低由于對汛情了解較少而造成的損失；還可替代人工巡堤，查看險(xiǎn)情，保證人員的生命安全。

3.3 人員搜救

無人機(jī)激光雷達(dá)能夠?qū)崟r(shí)回傳汛情信息，使救援人員更加全面地了解現(xiàn)場情況，幫助救援人員及時(shí)組織救援工作，提高救援效率、降低救援風(fēng)險(xiǎn)，保證救援人員的安全。

搶險(xiǎn)救援中，通常使用直升機(jī)或搜救艇搜尋被困人員，效率較低。當(dāng)受災(zāi)群眾被困在樹上或者洪水水流湍急時(shí)，搜救很難完成，而且直升機(jī)起降不便，飛行受天氣影響較大。使用無人機(jī)激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)大范圍搜救，及時(shí)快速找到被困人員：激光可以穿過縫隙，探測到被樹木遮擋的人員；無人機(jī)飛行高度比直升機(jī)更低，可以有效避開一些遮擋物。另外，激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)水下、陸地同時(shí)探測，有效擴(kuò)大搜救范圍[15]；無人機(jī)還可搭載救生裝備[16]（如圖3所示），找到被困人員的同時(shí)即可實(shí)施救援，進(jìn)一步提高了救援效率。

圖3 無人機(jī)搭載救生裝備搜救[16]

4 無人機(jī)激光雷達(dá)在洪澇災(zāi)害中應(yīng)用的優(yōu)勢

無人機(jī)激光雷達(dá)在洪澇災(zāi)害中的應(yīng)用廣泛，可用于防洪減災(zāi)、險(xiǎn)情排查以及人員搜救方面。特別是在堤岸險(xiǎn)情排查方面，相比其他方法，其優(yōu)勢突出。目前常用的洪澇災(zāi)害災(zāi)情偵察技術(shù)主要有人工巡查、洪澇災(zāi)害監(jiān)測站監(jiān)測、無人機(jī)影像遙感以及衛(wèi)星遙感監(jiān)測。人工巡查效率低，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測，而且人員生命安全受到威脅。洪澇災(zāi)害監(jiān)測站可以監(jiān)測氣象、水文等信息，但位置相對固定，無法覆蓋全區(qū)域。無人機(jī)影像遙感成本低、覆蓋面較監(jiān)測站更廣，但是對于夜晚和下雨天能見度較低時(shí)，拍攝畫面不清晰，對于微小裂隙無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而且無法獲得水下圖像。衛(wèi)星監(jiān)測包括雷達(dá)和影像兩個(gè)方面，其覆蓋范圍廣，且可實(shí)時(shí)監(jiān)測，但是同樣受天氣影響，而且不能監(jiān)測到堤岸裂隙或潰堤等險(xiǎn)情。與普通光學(xué)攝像機(jī)相比，激光雷達(dá)獲取數(shù)據(jù)精度更高，受天氣和環(huán)境影響較小，夜間可獲得更清晰的圖像，更重要的是可進(jìn)行水下測量。無人機(jī)激光雷達(dá)集雷達(dá)和影像的特點(diǎn)于一身，既可以獲得圖像信息，又能獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，靈活、高效且使用方便。災(zāi)前可進(jìn)行地形地貌測繪，用于防洪減災(zāi)；災(zāi)時(shí)可進(jìn)行水位和堤岸情況監(jiān)測，用于險(xiǎn)情排查；災(zāi)后可進(jìn)行被困人員搜救，用于搶修救援。

5 無人機(jī)激光雷達(dá)應(yīng)用于洪澇災(zāi)害存在的問題及建議

無人機(jī)激光雷達(dá)在獲取數(shù)據(jù)時(shí)靈活、快速，在近海和內(nèi)河水域探測方面取得了許多研究成果。但是研究發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)激光雷達(dá)在應(yīng)用中還存在一些問題，主要包括：

（1）受水質(zhì)影響。洪水中存在大量的泥沙，嚴(yán)重影響水體的透明度，不僅會(huì)增加對激光的吸收和散射作用，而且會(huì)給回波信號帶來更多的噪聲干擾。對此，Richter等[17]提出利用普通雷達(dá)輔助激光雷達(dá)進(jìn)行測量，用普通雷達(dá)測量出渾濁水質(zhì)造成的能量損耗，將這部分補(bǔ)償給激光雷達(dá)測量的結(jié)果，從而得到準(zhǔn)確的水深結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果為在平靜水面條件下，當(dāng)飛行高度為300 m時(shí)，對渾濁水質(zhì)進(jìn)行測量，測量深度可達(dá)5 m。

（2）受天氣和環(huán)境影響。無人機(jī)本身受周圍環(huán)境影響較大，當(dāng)出現(xiàn)較多障礙物且大風(fēng)天氣都會(huì)影響無人機(jī)的穩(wěn)定性，無人機(jī)出現(xiàn)俯仰、傾斜和抖動(dòng)時(shí)就會(huì)影響測量精度，因此進(jìn)行高精度的姿態(tài)校正是處理數(shù)據(jù)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)[18]。且大風(fēng)天氣時(shí)，水面波動(dòng)會(huì)增強(qiáng)，水面位置的精確獲取會(huì)受到影響，進(jìn)而影響最終的水深測量結(jié)果，因此需要在回波信號處理技術(shù)中完善潮汐影響算法，克服大風(fēng)造成的水面波動(dòng)。雨天時(shí)，雨滴會(huì)對激光產(chǎn)生吸收和散射，從而增加光波的損耗，因此雨天就要增大激光出射功率，提高回波識(shí)別能力，進(jìn)而提高水底回波提取精度。

6 總結(jié)與展望

無人機(jī)激光雷達(dá)因其快速、機(jī)動(dòng)、高效、全覆蓋的優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于海洋測繪領(lǐng)域，包括沿岸淺水區(qū)水深測量、水下障礙物探測、近岸工程建設(shè)和海岸帶管理等。本文通過對比內(nèi)河與海洋水體構(gòu)成、水面波動(dòng)以及水下植被，理論上證實(shí)了無人機(jī)激光雷達(dá)應(yīng)用于內(nèi)河水域的可行性。

對于抗洪搶險(xiǎn)，無人機(jī)激光雷達(dá)有其獨(dú)特的優(yōu)勢，除了靈活、高效外，還可實(shí)現(xiàn)對河堤裂隙、管涌等情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，且覆蓋范圍遠(yuǎn)大于人工監(jiān)測，最重要的是能夠保證巡查、搜救人員的生命安全。無人機(jī)激光雷達(dá)可以對江河水域及其周邊村落情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取重點(diǎn)防范區(qū)域的三維地形地貌激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建測繪模型，為防洪減災(zāi)提供重要幫助。它還可以用于執(zhí)行救援任務(wù)，直接探測被困人員，對陸上和水下人員進(jìn)行搜救，及時(shí)提供救援。隨著無人機(jī)和激光雷達(dá)的不斷發(fā)展，相關(guān)技術(shù)會(huì)越來越成熟，逐漸實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，并將在洪澇災(zāi)害中發(fā)揮更重要的作用。