无人机遥感在黑龙江特大洪水应急监测中的应用

黄筱 张林杰 冯刚 练金亮

摘要：

传统的洪水应急监测方法往往会受到地形、天气等环境条件限制，不能及时获取灾害现场的详细信息。无人机因其具有灵活性强、时间分辨率高和响应迅速等特点，应用于洪水应急监测具有独特优势。以2021年6月黑龙江上游发生的特大洪水为例，阐述了无人机遥感在洪涝灾害淹没范围描述、防洪堤坝渗漏定性及定量分析中的应用情况。结果表明：无人机遥感能够有效且快速地获取洪峰过境前、后的洪水淹没面积变化，及时发现渗漏隐患点，为灾情处置决策提供数据支撑。

关键词：

无人机； 遥感系统； 特大洪水； 应急监测； 数字正射影像； 黑龙江省

中图法分类号：TP79

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.006

文章编号：1006-0081（2023）03-0034-05

0 引 言

传统的洪水应急监测难以实现快速、完整、重复的灾情信息获取。相较于传统测量方式以及航空遥感技术、有人机遥感技术，无人机遥感技术具有灵活性强、安全高效、时间分辨率高、响应迅速等特点。利用无人机遥感技术可在灾害发生后迅速准确获取灾情信息，为救灾指挥机构的正确决策提供重要依据。近年来，无人机遥感系统发展迅速，成为了自然灾害灾前、灾中、灾后空间数据获取的重要手段，已成功应用到地质灾害调查［1］、灾害应急监测［2］、灾损调查与评估［3-4］、滑坡调查评估［5］、灾害应急救援［6］等诸多领域中。无人机遥感在自然灾害调查中的应用包括灾害详细调查和灾害应急监测两个方面［7-9］。灾害详细调查主要是灾后利用数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM） 和数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，DOM）进行灾损调查与评估，对成果精度要求较高。而灾害应急监测主要是灾中利用仅经自由网平差后的无人机遥感影像，生成灾区现场全景影像，用以辅助应急救援和灾害评估，对成果精度要求较低［1］。目前，无人机遥感系统在自然灾害中的应用研究主要集中于滑坡、泥石流、地震等山地灾害，而针对洪水应急监测的研究较少。本文以2021年6月黑龙江上游发生的特大洪水为例，为无人机遥感系统在洪水应急监测中的应用提供实践参考。

1 应急监测概况

2021年6月，受持续强降雨及额尔古纳河、石勒喀河来水共同影响，黑龙江上游发生特大洪水。黑龙江干流及支流额木尔河、盘古河、呼玛河、塔河均发生超保证水位洪水，多为建站以来第1位或第2位洪水［7］。据不完全统计，仅大兴安岭地区与黑河市两地，农作物受灾面积6.76万hm2，受灾农房2 175户，11个县（区）3.03万人受灾，紧急转移安置1.96万人，并造成多处水利工程、公路、桥涵等基础设施受损［10］。

灾害发生后，国家应急部迅速组织了专家组赶赴黑龙江进行险情详查和预测分析，为应急抢险工作提供技术支撑。经相关部门商讨决定，本次应急监测选择了黑龙江呼玛县、三卡乡、红色边疆农场3个受灾较为严重的县城或乡镇作为应急监测分析的主要区域。

2 洪水无人机监测指标

洪涝灾害发生后往往会导致灾害现场通讯、交通中断，测量人员与装备难以及时到达，采用传统测量方式无法使救灾指挥机构及时有效掌握灾害现场情况。而无人机具有灵活性强、响应迅速等优势，在洪水应急监测中具有实际应用价值［11］。

无人机主要用于对受灾区域内的监测对象进行快速监测，包括水体和防洪堤坝渗漏监测。其中，水体监测主要是获取洪峰过境前后的淹没范围信息［12］；防洪堤坝渗漏监测则是基于水体监测获得的洪峰过境前后淹没范围信息确定堤坝渗漏位置。

（1） 淹没范围。洪水的淹没范围是指洪灾发生时被洪水淹没在水面以下的受淹区域，目前利用遥感影像监测水体的方法主要有单波段法、多波段法以及水体指数法等［12］。针对不同的遥感影像（如光学影像、微波影像）应采用不同的水体监测方法。

（2） 防洪堤坝渗漏。在防洪堤坝修建完成后，往往由于位置和材料的原因而易发生渗漏，尤其在洪灾发生水位上涨后，坝身挡水时必然出现渗水，如果渗水面积过大或出现渗流破坏，将随着流速加快而引发防洪堤坝渗漏险情。

3 技术路线

利用无人机遥感系统快速获取洪峰过境前后两期受灾区航测数据成果，然后基于无人机影像数据、POS数据，经自由网空三数据处理，生成高分辨率正射影像数据。最后利用遥感解译与空间分析技术对洪峰过境前后的高分辨率正射影像进行分析、对比，获取监测指标信息，实现无人机洪水应急监测。技术路线如图1所示。

4 数据采集

本次無人机遥感系统主要用于采集高分辨率正射影像，使用便捷高效的多旋翼轻小型无人机飞马E2000和大疆精灵4 RTK。其中，E2000搭载E-CAM2000航测模块，大疆精灵4 RTK搭载CMOS传感器，无人机遥感系统具体相关参数见表1。

2021年6月21日组织航摄人员赶赴现场，22日晚间到达呼玛县，当晚完成航线初步规划。在航飞过程中，结合现场实际情况对初步设计的航线进行了相应的调整，最终航线示意见图2。

根据不同区域的灾情设定了不同分辨率，将呼玛县划分成了呼玛堤防与呼玛县城两个区块，设定的分辨率分别为4 cm和8 cm。三卡乡划分为三卡堤防与三卡乡两个区块，设定分辨率分别为4 cm和6 cm。红色边疆农场则统一设定为6 cm的分辨率。其中，高分辨率影像主要是为查看堤坝等重点防洪设施的渗漏情况，而低分辨率影像主要用以查看乡镇或县城的全局受灾情况。具体航线相关参数见表2。

外业航摄人员于2021年6月29日顺利完成了预选地点呼玛县、三卡乡、红色边疆农场的所有遥感影像数据采集工作。洪峰过境前与洪峰过境后航摄面积共93.5 km2，累计飞行32架次，采集了16 866张遥感影像，具体各区域分块的工作量见表3。

5 数据处理与信息提取

经检查，获取的影像数据色彩均匀、亮度一致、清晰且能够满足本次防洪抢险应急监测要求。对于获取的影像数据，利用飞马无人机管家软件制作呼玛县、三卡乡、红色边疆农场预选地点的数字正射影像图。处理影像数据之前，采用载波相位事后差分技术（Post-processed kinematic，PPK）解算无人机影像的POS数据，以确保影像POS精度。

完成影像POS数据的事后差分解算后，将其与影像数据、相机文件导入飞马无人机管家中的智拼图模块，经自由特征提取及匹配、自由网空三解算、匀色及镶嵌数等据处理步骤后，可输出数字正射影像图。受测区地形环境的影响，以及为了保证影像数据的时效性，未进行加入地面控制点的区域网空三平差数据处理工作。

无人机洪水应急检查指标主要包括：淹没范围、防洪堤坝渗漏信息。监测信息提取包括遥感解译和综合分析。以无人机低空航摄数据处理生成的洪峰过境前后高分辨率DOM为底图，基于ArcGIS采用人机交互方式进行解译，提取洪峰过境前后淹没界线、淹没范围以及淹没面积信息。根据解译出的洪峰过境前后淹没范围、面积，结合防洪堤坝位置，综合分析出防洪堤坝渗漏位置以及面积。

通过处理无人机遥感系统采集的洪峰前、后影像数据，得到了高分辨率的DOM，并对其进行人机交互判读，统计了呼玛县、三卡乡以及红色边疆农场洪峰过境前、后的淹没面积变化，分别见图3～5。

经统计监测指标发现：呼玛县防洪堤10 km至12 km+500 m处洪峰后新增渗水面积0.41 km2、防洪堤12 km+500 m至15 km处新增渗水面积0.062 km2；三卡乡防洪堤首、尾洪峰后新增渗水面积0.31 km2以及红色边疆农场防洪堤7 km+100 m至16 km+800 m处新增渗水面积0.528 km2，具体统计情况见表4。上述地点存在明显隐患，需要及时采取处理措施。将上述隐患点向上反馈并预警后，得到了有效处置。

6 结 语

本次调查对黑龙江呼玛县、三卡乡、红色边疆农场的洪水灾情开展了无人机监测，对洪水水体和防洪堤坝渗漏监测指标进行了监测提取。结果表明：基于无人机的洪水应急监测方法，能有效快速准确获取洪峰过境前后洪水水体面积变化和防洪堤坝渗漏情况，可将洪水影响情况进行量化，有利于指导防洪救灾决策判断。轻小型无人机遥感系统在洪水应急监测中具有精确、快速、有效的优点，大大提高了监测效率，对于突发灾害的应急调查、预警、分析评估、决策咨询等具有参考意义。

参考文献：

［1］ 金鼎坚，支晓栋，王建超，等.面向地质灾害调查的无人机遥感影像处理软件比较［J］.国土资源遥感，2016，28（1）：183-189.

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［5］ 彭大雷，许强，董秀军，等.无人机低空摄影测量在黄土滑坡调查评估中的应用［J］.地球科学进展，2017，32（3）：319-330.

［6］ 雷添杰，李长春，何孝莹.无人机航空遥感系統在灾害应急救援中的应用［J］.自然灾害学报，2011，20（1）：178-183.

［7］ 孙振勇，王世平，彭万兵.无人机低空遥感技术在水文应急演练中的应用［J］.水利水电快报，2017，38（6）：32-35.

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［9］ 张芸硕.无人机遥感技术在水库泄洪预警系统中的应用［J］.水利技术监督，2017，25（4）：38-40.

［10］ 王思远，关保多.黑龙江上游“2021·06”暴雨洪水分析［J］.水利科学与寒区工程，2021，4（6）：169-172.

［11］ 赵鹏辉，李俊杰，叶唐进，等.轻小型无人机遥感在高山峡谷区山地灾害应急监测中的应用［J］.防灾减灾工程学报，2021，41（3）：448-454.

［12］ 王成，钟良.基于无人机超标准洪水应急监测［C］∥第十一届防汛抗旱信息化论坛论文集.安徽：中国水利学会减灾专业委员会，2021.

（编辑：李 慧）

Application of UAV remote sensing system in emergency monitoring of catastrophic flood in Heilongjiang Province

HUANG Xiao，ZHANG Linjie，FENG Gang，LIAN Jinliang

（PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited，Guiyang 550081，China）Abstract：

The traditional flood emergency monitoring methods are often limited by the terrain，weather and other environmental conditions，which can not obtain the detailed information of the disaster site in time.UAV（Unmanned Aerial Vehicle） has unique advantages in flood emergency monitoring because of its strong flexibility，high time resolution and rapid response.Taking the catastrophic flood in the upper reaches of Heilongjiang Province in June 2021 as an example，this paper expounded the application of UAV remote sensing in the description of flood disaster inundation range，qualitative and quantitative analysis of flood dike leakage.The results showed that UAV remote sensing can effectively and quickly obtain the changes of flood inundation area before and after the flood peak crossing，and timely identified the hidden leakage points，providing data support for disaster disposal decisions.

Key words：

unmanned aerial vehicle； remote sensing system； catastrophic flood； emergency monitoring； digital orthophoto map；Heilongjiang Province

收稿日期：

2022-04-24

作者简介：

黄 筱，男，高级工程师，主要从事无人机的应用研究。E-mail：814018785@qq.com

通信作者：

张林杰，男，主要从事激光数据处理与三维建模相关工作。 E-mail：zhanglj7@foxmail.com