Преимущества использования фотограмметрии для оценки риска наводнений

Введение в фотограмметрии при оценке риска наводнений

Наводнение остается одной из самых разрушительных природных опасностей во всем мире, ежегодно нанося ущерб в миллиарды долларов и вытесняя миллионы людей. Точная оценка риска наводнений имеет важное значение для разработки эффективных стратегий смягчения последствий наводнений, планирования устойчивой инфраструктуры и защиты сообществ. Традиционные методы топографической съемки, такие как наземные общие станции или GPS-опросы, могут быть трудоемкими и ограниченными в пространственном охвате. Фотограмметрия появилась в качестве мощной альтернативы, предлагая экономически эффективные и высокоточные средства сбора подробных данных о местности на больших площадях. Преобразуя перекрывающиеся аэрофотоснимки или наземные фотографии в точные трехмерные модели, фотограмметрия позволяет инженерам, гидрологам и городским планировщикам анализировать динамику наводнений с беспрецедентной ясностью. В этой статье рассматриваются преимущества, приложения и будущий потенциал фотограмметрии для оценки риска наводнений.

Что такое фотограмметрия?

Фотограмметрия — это наука о проведении измерений по фотографиям. Фундаментальный принцип предполагает захват нескольких перекрывающихся изображений сцены с разных углов. Специализированное программное обеспечение затем анализирует эти изображения, идентифицируя общие точки по перекрывающимся кадрам. Путем триангуляции этих точек программное обеспечение вычисляет их трехмерные координаты в пространстве, генерируя плотное облако точек. Это облако точек может быть обработано в цифровую модель возвышения (DEM), ортомозаику (геометрически исправленное аэрофотоснимок) или полностью текстурированную 3D-сеть, представляющую местность, растительность, здания и инфраструктуру.

Фотограмметрия может выполняться с использованием различных платформ. В аэрофотограмметрии обычно используются беспилотники (БПЛА) или пилотируемые летательные аппараты, оснащенные камерами высокого разрешения, охватывающие десятки квадратных километров за один полет. Наземная фотограмметрия использует наземные камеры для захвата детальных моделей небольших площадей, таких как мосты, кульверты или фундаменты зданий. Спутниковая фотограмметрия, предлагая более широкий охват, обычно обеспечивает более низкое разрешение по сравнению с воздушными или наземными методами. Выбор платформы зависит от масштаба исследуемой области, требуемой точности и доступного бюджета.

Чем фотограмметрия отличается от лидара

Фотограмметрия часто сравнивается с LiDAR (Light Detection and Ranging), другой технологией дистанционного зондирования, используемой для 3D-картирования. LiDAR использует лазерные импульсы для измерения расстояний до земли, генерируя точечные облака посредством активного зондирования. В то время как LiDAR может проникать в растительность в некоторой степени, она имеет тенденцию быть более дорогой и требует специализированного оборудования. Фотограмметрия, напротив, полагается на пассивные оптические датчики и может производить визуально богатые, цветные 3D-модели по более низкой цене. Во многих приложениях риска наводнения фотограмметрия обеспечивает достаточную точность для моделирования местности, особенно в сочетании с наземными контрольными точками для геореференсирования. Однако в сильно лесистых районах или там, где требуются очень точные данные о поверхности земли, LiDAR все еще может быть предпочтительным методом.

Преимущества использования фотограмметрии для оценки риска наводнений

Принятие фотограмметрии в оценке риска наводнений продолжает ускоряться, что обусловлено ее многочисленными преимуществами по сравнению с обычными методами геодезической съемки.В следующих разделах подробно описаны ключевые преимущества, которые делают фотограмметрию незаменимым инструментом для руководителей пойм, инженеров-строителей и групп реагирования на чрезвычайные ситуации.

Высокая точность и детали

Фотограмметрия предоставляет исключительно подробные топографические данные, часто достигая точности в сантиметровом диапазоне при правильном наземном контроле. Этот уровень точности имеет решающее значение для моделирования риска наводнений, где небольшие изменения высоты могут значительно изменить прогнозируемые масштабы наводнений и скорости потока. Цифровые модели высот высокого разрешения, полученные из фотограмметрии, захватывают тонкие особенности рельефа, такие как дренажные каналы, насыпи и дамбы, которые оказывают сильный контроль над движением паводковых вод. Кроме того, 3D-модели включают наземные функции, такие как здания, растительность и мосты, что позволяет более реалистично гидравлическое моделирование. Способность разрешать мелкомасштабную топографию особенно ценна в городских условиях, где сложные взаимодействия между поверхностным стоком и инфраструктурой должны быть точно представлены.

Эффективность затрат

По сравнению с традиционными наземными съемками фотограмметрия может значительно сократить время и затраты, необходимые для сбора данных. Фотограмметрия на основе дронов может охватывать несколько квадратных километров за один полет, тогда как наземному экипажу может потребоваться несколько дней или недель для обследования одной и той же области с общей станцией или ровером GPS. Расходы на оборудование для камер высокого разрешения и БПЛА относительно низки по сравнению с системами LiDAR или пилотируемыми самолетами. Кроме того, рабочие процессы после обработки становятся все более автоматизированными, что позволяет небольшой команде генерировать конечные результаты, такие как DEM и ортофотоснимки в течение нескольких часов после сбора данных. Для муниципалитетов и инженерных фирм, работающих в условиях ограниченного бюджета, эта экономия затрат делает подробные оценки риска наводнений более доступными и действенными.

Скорость сбора данных

При оценке риска наводнений часто имеет решающее значение своевременность. Во время наводнений данные в режиме реального времени или вблизи реального времени могут информировать об аварийном реагировании и оценке ущерба. Фотограмметрия с использованием беспилотников позволяет быстро развертывать в пострадавших районах, захватывая изображения с высоким разрешением, которые могут быть обработаны в обновленные модели местности в течение нескольких часов. Эта скорость также полезна на этапе планирования, где необходимо быстро оценить несколько потенциальных мест разработки или выравнивания защиты от наводнений. Возможность обследования больших площадей в одном вылете снижает риск застойности данных, гарантируя, что модели отражают самые современные наземные условия. По мере изменения правил и моделей развития повторные обследования могут проводиться с минимальными логистическими накладными расходами, поддерживая постоянный мониторинг и адаптивное управление.

3D визуализация и коммуникация с заинтересованными сторонами

Одним из наиболее убедительных преимуществ фотограмметрии является ее способность создавать визуально интуитивно понятные 3D-модели. В отличие от традиционных контурных карт или 2D-планов, фотореалистичные 3D-мешочки позволяют заинтересованным сторонам, включая политиков, членов сообщества и инвесторов, легко понять сценарии наводнений. Интерактивные веб-зрители или настольные приложения могут отображать степени затопления, наложенные на 3D-площадку, позволяя пользователям «пролетать» через пострадавшие районы и понимать, какие структуры, дороги или критические объекты будут затронуты. Эта улучшенная визуализация способствует более обоснованному принятию решений и помогает сообщать технические результаты неспециализированной аудитории. Для публичных встреч, оценки воздействия на окружающую среду или разрешений приложений фотограмметрические модели служат мощными инструментами для объяснения сложных рисков наводнений.

Анализ исторических данных и обнаружение изменений

Фотограмметрия поддерживает продольные исследования, позволяя обнаруживать изменения с течением времени. Сравнивая фотограмметрические модели разных лет, аналитики могут количественно оценить топографические изменения из-за естественных процессов (например, эрозия берега реки, осаждение осадка) или антропогенной деятельности (например, городское развитие, классификация, строительство леви). При оценке риска наводнений эта способность бесценна для мониторинга того, как развиваются характеристики поймы. Например, повторные исследования могут показать, что развитие вверх по течению уменьшило естественную емкость поймы, увеличивая риск наводнения вниз по течению. Аналогичным образом, можно отслеживать постепенную агрегацию речного канала, информируя графики технического обслуживания для дноуглубительных работ или модернизации защиты от наводнений. Архивные аэрофотоснимки также могут быть обработаны с использованием фотограмметрии для реконструкции исторических моделей рельефа, расширяя запись изменения ландшафта назад несколько десятилетий.

Применение в управлении наводнениями

Фотограмметрия поддерживает широкий спектр мероприятий по управлению наводнениями, от планирования и проектирования до реагирования на чрезвычайные ситуации и восстановления. В следующих приложениях подчеркивается, как технология используется на практике.

Картографирование по пойме

Точные карты пойменных пойм являются основой управления рисками наводнений. Фотограмметрии DEM обеспечивают данные высокого разрешения, необходимые для определения зон опасности наводнений, очерчения наводнений и расчета базовых наводнений. Регулирующие агентства, такие как FEMA (Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям) в Соединенных Штатах все чаще принимают фотограмметрии в качестве действительного источника данных для карт страховки наводнений (FIRMs), при условии, что данные соответствуют определенным стандартам точности. Детальные ортофотоснимки, полученные из фотограмметрических обследований, также помогают идентифицировать типы земельного покрова, строительные следы и инфраструктуру, которые влияют на гидравлическое моделирование, делая полученные карты более надежными и защитимыми.

Проектирование защиты от наводнений

При проектировании дамб, паводков, ливневых бассейнов или систем ливневых вод инженерам требуются точные топографические данные для расчета объемов хранения, пропускной способности и структурных нагрузок. Фотограмметрия обеспечивает комплексные модели поверхности, необходимые для гидравлического и гидрологического моделирования, такие как HEC-RAS, TUFLOW или InfoWorks ICM. Проектные команды могут использовать 3D модели местности для оптимизации выравнивания, минимизации затрат на земляные работы и выявления потенциальных проблем строительства. После строительства, как построенные обследования с использованием фотограмметрии проверяют, что защитные средства соответствуют спецификациям проектирования и предоставляют обновленные данные для будущего обслуживания и оценки рисков.

Оценка ущерба и реагирование на чрезвычайные ситуации

После наводнения быстрая оценка ущерба имеет решающее значение для распределения спасательных ресурсов, приоритизации ремонта и обработки страховых требований. Аэрофотограмметрия, проводимая сразу после отступления паводковых вод, может фиксировать степень затопления, осаждения мусора, структурных отказов и эрозии. Сравнивая 3D-модели после события с данными о предсобытии, аналитики могут количественно оценить изменения в состоянии здания, топографические изменения и эффективность защиты от наводнений. Эта цель, высокоточная запись поддерживает более точные оценки ущерба и помогает определить области, где меры по смягчению последствий нуждаются в подкреплении. Менеджеры по чрезвычайным ситуациям также используют фотограмметрии для картирования доступных маршрутов и определения местоположения перемещенных лиц.

Городское планирование и контроль развития

Быстрая урбанизация часто увеличивает риск наводнений, заменяя проницаемые поверхности непроницаемыми крышами и тротуарами, уменьшая естественное затухание стока. Фотограмметрия позволяет планировщикам оценивать влияние предлагаемых разработок на местную гидрологию. Интегрируя фотограмметрические модели с моделями управления ливневыми водами, планировщики могут обеспечить, чтобы новые подразделения включали адекватную инфраструктуру задержания, инфильтрации или транспортировки. Правила зонирования могут быть проинформированы подробными картами опасности наводнений, полученными из фотограмметрии, уводя развитие от зон высокого риска или требуя повышенных конструкций зданий. Этот активный подход уменьшает будущий ущерб от наводнений и помогает общинам соблюдать экологические и строительные кодексы.

Тематические исследования и примеры из реального мира

Несколько проектов по всему миру демонстрируют эффективность фотограмметрии для оценки риска наводнений. В Нидерландах, где защита от наводнений является национальным приоритетом, дроны, оснащенные фотограмметрическими камерами, использовались для обследования дамб и дамб, обнаружения деформаций сантиметрового масштаба, которые могли бы указывать на потенциальные сбои. Полученные 3D-модели сравниваются с историческими данными для мониторинга структурного здоровья и приоритизации подкреплений. В США город Хьюстон, штат Техас, использовал фотограмметрии дронов для картирования подверженных наводнениям заливных и дренажных сетей после урагана Харви, предоставляя данные высокого разрешения, которые улучшили систему предупреждения о наводнениях в городе и планирование капитального ремонта. Аналогично, в Бангладеш исследователи объединили фотограмметрии со спутниковыми данными о количестве осадков для создания карт риска для внезапных наводнений в холмистых регионах, помогая местным сообществам подготовиться к экстремальным событиям.

В Соединенном Королевстве Агентство по охране окружающей среды использовало аэрофотограмметрии для создания национальных наборов данных о высоте, которые лежат в основе картирования риска наводнений для миллионов объектов. Интеграция фотограмметрии с другими источниками данных, включая LiDAR и данные речных датчиков, позволяет постоянно обновлять карты наводнений по мере изменения ландшафтов. Эти примеры иллюстрируют, как фотограмметрия при систематическом развертывании может давать высококачественные данные, которые информируют политику, спасают жизни и уменьшают экономические потери.

Проблемы и соображения

Несмотря на множество преимуществ, фотограмметрия не лишена ограничений. Технология опирается на видимый свет, то есть съемки не могут проводиться при сильном облачном покрове, тумане или ночью. Растительность также может представлять проблемы: плотные лесные навесы заслоняют поверхность земли, приводя к пробелам или неточностям в модели возвышения. В таких средах могут потребоваться LiDAR или наземные съемки для дополнения фотограмметрии. Кроме того, точность фотограмметрических моделей зависит от использования точек наземного управления (GCP), которые должны быть точно обследованы с помощью GPS. Без адекватных GCP модель может страдать от ошибок масштаба или искажений, снижая ее надежность для моделирования наводнений. Обработка данных также требует специализированного программного обеспечения и квалифицированного персонала, хотя удобные инструменты становятся все более распространенными.

Еще одним соображением является хранение данных и управление ими. Фотограмметрия высокого разрешения генерирует большие объемы изображений и данных облака точек, которые должны эффективно храниться, резервироваться и обрабатываться. Организации, использующие фотограмметрии, должны инвестировать в адекватные вычислительные ресурсы и устанавливать четкие рабочие процессы для обработки данных. Наконец, необходимо соблюдать нормативные ограничения на операции с беспилотниками, такие как ограничения воздушного пространства, проблемы конфиденциальности и требования к сертификации пилотов, чтобы обеспечить соблюдение законодательства. Тем не менее, при надлежащем планировании и экспертизе, эти проблемы могут быть решены, чтобы разблокировать все преимущества технологии.

Будущее фотограмметрии в оценке риска наводнений

Достижения в сенсорной технологии, искусственном интеллекте и облачных вычислениях обещают расширить роль фотограмметрии в оценке риска наводнений. Камеры с более высоким разрешением и улучшенной радиометрической чувствительностью позволят еще более точно определять рельеф местности, в то время как многоспектральная фотограмметрия может захватывать здоровье растительности и влагу почвы, обогащая модели наводнений дополнительными переменными окружающей среды. Разработаны алгоритмы машинного обучения для автоматизации классификации покрова и обнаружения ущерба от наводнений с помощью фотограмметрических моделей, снижая требуемые ручные усилия. Обработка в режиме реального времени на борту беспилотных летательных аппаратов или с помощью краевых вычислений может обеспечить немедленные карты масштабов наводнений во время чрезвычайных операций. По мере того, как стоимость БПЛА и программного обеспечения будет продолжать падать, фотограмметрия станет более доступной для небольших сообществ и развивающихся стран, демократизируя доступ к высококачественным данным о рисках наводнений. При интеграции с датчиками IoT, спутниковыми данными и гидрологическими моделями фотограмметрия станет центральным компонентом интеллектуальных систем управления наводнениями, которые обеспечивают

Заключение

Фотограмметрия зарекомендовала себя как ценный и универсальный инструмент для оценки риска наводнений, предлагая высокую точность, экономию затрат, быстрый сбор данных и убедительную 3D-визуализацию. От картирования пойм и оборонного проектирования до оценки ущерба и городского планирования, ее приложения разнообразны и действенны. Хотя существуют проблемы, связанные с погодой, растительностью и наземным контролем, они могут решаться с помощью тщательного планирования обследований и дополнительных методов. По мере развития технологии фотограмметрия будет играть все более центральную роль в оказании помощи сообществам в понимании, подготовке и реагировании на риски наводнений. Для инженеров, планировщиков, политиков и менеджеров по чрезвычайным ситуациям инвестирование в возможности фотограмметрии является активным шагом к созданию более устойчивых и безопасных сред.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к USGS Photogrammetry Resources , Environmental Management Agency’s Flood Mapping Guidelines, и Международное общество фотограмметрии и дистанционного зондирования публикации.