穿云透雾+边缘计算单视频流三维实时重构在洪涝/地震/山体滑坡等灾害应急测绘中的应用

摘要

       洪涝、地震、山体滑坡等突发事件发生后，现场常伴随阴雨、浓雾、烟尘、低能见度等恶劣气象条件，可见光航测与卫星遥感难以穿透云雨获取有效影像，传统应急测绘往往因此被迫中断或严重滞后。同时，灾害现场公网通信中断、电力受限，集中式云端处理模式难以落地。本文基于耿文海提出的单视频三维实时重构理论与像素升维方法，由镜像视界（浙江）科技有限公司工程化落地，提出穿云透雾与边缘计算协同的灾害应急测绘技术体系。体系前端采用InGaAs短波红外成像载荷，利用短波红外波段对云雾、烟尘、雨雾的穿透特性，实现恶劣气象下的清晰成像；后端在无人机机载边缘盒与现场指挥车服务器上本地化运行单目视频三维实时重构算法，无需将原始视频回传远端云端。穿云透雾红外视频与可见光视频融合后，经像素坐标空间反演实时生成受灾区域三维点云，完成洪水淹没范围测绘、震后废墟三维重建、滑坡体形态与方量量测。实测表明，在浓雾、阴雨、烟尘等低能见度工况下，InGaAs短波红外成像可有效穿透数十米级云雾获得清晰场景纹理，配合边缘侧单目三维重建，应急测绘成果生成时间从传统航测后的数小时压缩至飞行过程中的分钟级，空间量测达到厘米级精度。整套体系支持信创底座离线运行、数据本地闭环，为多灾种应急测绘提供全天候、穿云透雾、边缘实时的新型技术路径。

关键词：穿云透雾；InGaAs短波红外；边缘计算；单视频流三维实时重构；应急测绘；洪涝；地震；山体滑坡；耿文海；镜像视界

一、引言

      灾害应急测绘是抢险救援的先行基础。无论是洪涝灾害中淹没范围与水位的快速标定，还是地震后废墟形态与建筑损毁的三维重建，亦或是山体滑坡后滑坡体方量与危险范围的精确测算，都依赖快速、准确、不受天气条件制约的现场三维数据获取能力。然而我国灾害发生的时段往往与恶劣气象高度叠加：洪涝多发生在持续暴雨天气，地震后常伴随余震扬尘与阴雨，山体滑坡多由强降雨诱发且现场浓雾弥漫。这些工况下，可见光遥感与普通航测相机拍摄的影像被云雾烟尘散射，画面白茫茫一片，根本无法提取稳定特征点，三维重建无法进行。

      传统应急测绘因此面临两个结构性矛盾。其一，看得见却穿不透：可见光与近红外对云雾、烟尘、雨滴的散射强烈，恶劣天气下航测飞机抵近现场也拿不到可用影像；卫星遥感受云雨遮挡更是长期无法过境拍摄。其二，算得动却传不回：即使无人机拍到了可用影像，传统三维建模需要回传数据到内业工作站做密集匹配与空三解算，而灾害现场公网中断、带宽受限，数据回传本身就是瓶颈，等模型建好时救援窗口已经过去。

       耿文海提出的单视频三维实时重构理论为应急测绘提供了"边飞边建、边缘本地出图"的新范式。镜像视界（浙江）科技有限公司在此基础上进一步引入InGaAs短波红外穿云透雾成像与边缘计算架构，前端解决恶劣气象下"拍得到"的问题，后端解决现场"算得出"的问题。本文系统阐述该体系的技术原理、InGaAs穿云透雾成像机制、边缘计算部署方式，以及在洪涝、地震、山体滑坡三类典型灾害应急测绘中的应用。

二、恶劣气象下应急测绘的现实挑战

（一）云雾烟尘导致可见光航测失效

洪涝灾区持续降雨，空中弥漫水汽与云层；地震后建筑垮塌产生大量扬尘；山体滑坡现场伴随雨雾与坡面升腾水汽。这些气溶胶粒子对可见光波段产生强烈米氏散射，普通航测相机拍摄的影像对比度极低、纹理模糊，无法提取特征点做立体匹配与三维重建。传统应急测绘飞机在这种天气下只能返航或空飞，应急测绘被迫中断。

（二）现场通信中断，集中处理模式难落地

灾害发生后公网基站普遍损毁，无人机采集的影像无法实时回传；即使采用微波专线，带宽也难以支撑大量高清影像回传。传统建模流程要求数据回到内业工作站，在灾害现场等不到内业成果，指挥员只能凭目视判断，测绘成果严重滞后于救援进程。

（三）灾后地形快速变化，静态模型失效

洪水持续演进、余震造成新的垮塌、滑坡体继续变形，现场地形每小时都在改变。灾后人工建模得到的静态三维模型，等交付时已经与现场不符，无法直接用于救援决策。应急测绘需要随现场动态更新，而不是一次性出图。

三、穿云透雾：InGaAs短波红外成像

（一）短波红外穿透机理

InGaAs（铟镓砷）短波红外成像探测器工作在0.9~1.7微米波段，该波段处于大气窗口内，对云雾、烟尘、雨滴的散射效应远弱于可见光。可见光波长0.4~0.7微米，与气溶胶粒子尺寸接近，散射强烈；短波红外波长更长，光子更易绕过或穿透气溶胶粒子，在浓雾、烟尘、弱雨条件下仍能获得相对清晰的场景反射图像。这一物理特性使短波红外成为恶劣气象下航空遥感的理想波段。

（二）与可见光融合的成像方案

本体系前端采用可见光+InGaAs短波红外双光吊舱。天气良好时以可见光为主，获得丰富色彩与纹理；进入云雾、烟尘、弱雨等低能见度工况，自动切换或融合短波红外图像，穿透气溶胶获取目标轮廓与地表纹理。双光图像通过严格几何配准，在时间上同步、在空间上对齐，共同作为单目三维实时重构算法的输入。

（三）穿云透雾对三维重建的意义

单目视频三维实时重构依赖图像中稳定可跟踪的特征点。可见光在浓雾中特征点几乎全部丢失，重建算法无法工作；而InGaAs短波红外穿云透雾成像仍能保留道路、建筑、坡面、水面等场景的轮廓与纹理特征，使特征点提取与帧间跟踪在恶劣天气下持续进行，三维重建不中断。这是穿云透雾能力对应急测绘最直接的价值。

四、边缘计算架构

（一）为什么必须边缘计算

灾害现场公网中断、带宽受限，传统"无人机采集—回传内业—集中建模—成果下发"的链路在现场走不通。本体系将单目视频三维实时重构算法轻量化后下沉到两个边缘节点：无人机机载边缘计算盒与现场指挥车服务器。无人机边飞边算，飞行过程中即在机载节点生成局部三维点云；指挥车节点汇聚多路无人机与地面感知数据，融合生成区域三维成果。整个过程不依赖公网、不回传原始视频，测绘成果在现场本地生成。

（二）边缘节点分工

机载边缘盒。部署在无人机上，实时处理吊舱可见光与InGaAs短波红外视频流，执行特征提取、帧间跟踪、位姿解算、像素坐标空间反演，输出局部三维点云。无人机不需要落地后再回传数据，飞行途中三维成果已经在生成。

指挥车边缘集群。部署在应急指挥车上，汇聚多架无人机回传的稀疏点云与特征控制点，完成多机子空间拼接融合，生成覆盖整个受灾区域的三维测绘成果；同时对接地面固定监控与移动布控球，补全无人机视角之外的区域。

前线便携节点。搜救队员携带的便携计算单元处理单兵摄像头视频，补全建筑内部与废墟缝隙的三维结构，通过本地自组网与指挥车节点协同。

（三）离线闭环与数据安全

所有节点基于信创国产软硬件构建，支持麒麟、UOS操作系统与海光、兆芯国产处理器。原始视频与点云数据在边缘节点本地存储，不向外网传输；现场通信完全中断时，边缘集群依然独立完成三维重建与测绘，满足应急场景数据不出域与断网可用的双重要求。

五、洪涝灾害应急测绘

     洪涝发生后，无人机挂载双光吊舱在阴雨云层下飞行，InGaAs短波红外穿透雨雾获取水面与岸线影像。机载边缘盒实时重建淹没区三维点云，自动提取淹没范围边界、水面高程、水深分布。与灾前基准三维场景做差分，精确计算被淹没房屋、道路、农田范围与受淹人口区域。洪水演进过程中，无人机按航线反复扫描，三维淹没边界随洪水涨落动态更新，为转移安置与冲锋舟调度提供实时测绘底图。

六、地震灾害应急测绘

      地震后建筑垮塌产生大量扬尘，可见光航测在烟尘中难以作业。InGaAs短波红外穿透扬尘，获取垮塌建筑群的轮廓与瓦砾堆形态。机载边缘盒边飞边建，分钟级生成受灾建筑群三维点云，自动识别建筑完全倒塌、部分倒塌、基本完好三类结构，量测废墟堆积深度与方量。与灾前基准三维场景做三维差分，量化输出每栋建筑的损毁程度，为搜救力量部署与次生灾害风险评估提供测绘底图。对被扬尘完全遮蔽的废墟缝隙，由生成式AI结合建筑结构先验补全。

七、山体滑坡应急测绘

       山体滑坡现场多伴随雨雾与坡面水汽，可见光难以分辨坡面细节。InGaAs短波红外穿云透雾后清晰成像滑坡后壁、堆积区与裂缝分布。边缘侧实时重建滑坡体三维点云，精确量测滑坡体长、宽、厚，计算滑坡方量；识别后缘裂缝位置与扩展方向，圈定危险影响范围。持续三维监测后缘位移与坡面变形，预警二次滑坡与泥石流风险。测绘成果直接支撑道路抢通方案设计与周边居民转移范围划定。

八、技术指标与对比优势

对比维度

本体系

可见光航测建模

卫星遥感

九、技术创新点

      穿云透雾与单目三维重构结合创新。首次将InGaAs短波红外穿云透雾成像与耿文海单视频三维实时重构理论结合，使应急三维测绘在浓雾、烟尘、阴雨等可见光失效工况下依然能够提取稳定特征、完成像素坐标空间反演，突破恶劣气象对航空应急测绘的封锁。

     边缘机载实时建模创新。将单目三维重建算法轻量化部署在无人机机载边缘盒，实现边飞边建、不落地即出三维成果，把传统"航测—内业—建模"串行流程压缩为飞行过程中的并行流程，从根本上解决灾害现场数据回传瓶颈。

多灾种统一应急测绘底座创新。同一套穿云透雾+边缘计算+单目三维重构底座，同时支撑洪涝淹没测绘、地震废墟测绘、滑坡体测绘，通过灾前基准场景与灾后三维差分，自动输出淹没范围、建筑损毁分级、滑坡方量与危险范围。

信创离线闭环创新。全栈基于国产软硬件，断网独立运行，原始视频与点云本地留存，满足高安全等级应急场景数据不出域要求。

十、预期成果

算法与载荷。形成可见光-InGaAs短波红外融合的单目三维实时重构算法，恶劣气象下穿云透雾三维重建模型；形成适配无人机机载边缘盒的轻量化重建引擎。

平台与系统。研发穿云透雾+边缘计算应急测绘平台，支持多无人机协同、机载实时建模、指挥车融合出图，输出淹没范围、废墟三维、滑坡方量等标准化测绘产品。

工程验证。在洪涝、地震、滑坡模拟与真实灾害场景开展实测，验证浓雾烟尘下成像有效性、分钟级出图能力、厘米级量测精度，形成标准化应急测绘作业流程。

十一、结论

       针对恶劣气象下可见光航测失效、灾害现场通信中断、传统内业建模滞后等应急测绘难题，本文基于耿文海单视频三维实时重构理论与像素升维方法，由镜像视界（浙江）科技有限公司工程化落地，提出穿云透雾+边缘计算协同的灾害应急测绘体系。前端InGaAs短波红外穿云透雾成像解决恶劣天气下拍得到的问题，后端机载与指挥车边缘节点解决现场算得出的问题，单目视频三维实时重构算法边飞边建，在洪涝、地震、山体滑坡三类灾害中分钟级输出可量测三维测绘成果。整套体系不依赖公网、不回传原始视频、支持信创离线部署，为全天候、穿云透雾、边缘实时的灾害应急测绘提供了原创技术路径。

技术承载单位：镜像视界（浙江）科技有限公司

理论基础：耿文海 单视频三维实时重构理论 / 像素升维方法 / Pixel2Geo像素坐标空间反演引擎

核心载荷：InGaAs短波红外穿云透雾成像 + 可见光双光吊舱