论文成果｜同济大学团队发布首款滑坡实景感知四足机器人

论文成果｜同济大学团队发布首款滑坡实景感知四足机器人｜Landslides

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同济大学刘春教授领衔的测绘与地理信息学院「时空智能感知研究团队」，在国家自然科学基金重点项目“泛化点云的高维张量空间语义认知与建图”的资助下，自主研发和改造了首款用于野外滑坡实景感知的四足机器人原型。它融合了先进的测绘遥感技术与机器人控制技术，设计“运动规划”“探索跟踪”“语义感知”三个模块，在滑坡灾害“天-空-地”观测网络的基础上完善了“实景感知”环节，从而进一步提升了滑坡调查的自动化与交互性，助力地质灾害的综合应急与防控。

图1 滑坡灾害“天-空-地-实景”观测网络

目前，该研究成果“Landslide robotics: a prototype for interactive and sustainable geohazard investigation”正式发表于地质灾害领域的国际顶刊《Landslides》。博士研究生邵晓航作为论文第一作者，刘春教授担任论文通讯作者，陆平、厉彦一和艾克然木作为论文的共同作者。

图2 论文成果发表

论文信息：

Shao Xiaohang, Liu Chun*, Lu Ping, Li Yanyi, Akram Akbar. Landslide robotics: a prototype for interactive and sustainable geohazard investigation[J]. Landslides, 2024: 1-18.

论文主要内容

在当今科技飞速发展的时代，自动化智能平台正引领着滑坡研究的技术变革。你是否想过，机器人技术能在灾害隐患早期识别方面发挥怎样的作用呢？

滑坡灾害的“三查”体系中，基于卫星和无人机的遥感技术难免受到重访周期、观测角度、植被覆盖等因素的限制，野外实地的原位观测仍然是不可或缺的手段，尤其在人类活动频繁的城市山地带滑坡场景，地质灾害链与城市工程链相互作用易引发叠加放大效应，这就更需要建立对灾害场景的精细化实景感知模型。

该研究将机器人技术与遥感技术相结合，旨在提高滑坡隐患实景感知的自动化水平，降低潜在风险，减少人力负担，进一步探索对地质灾害的可持续感知和交互式监测新途径。

图3 滑坡机器人空地协同的实景感知过程

本文提出的原型系统由“运动规划”“探索跟踪”“语义感知”三个部分组成。在“运动规划”模块中，本研究基于机器人操作系统(ROS)实施了四足机器人的运动导航方案；在“探索跟踪”模块中，它基于观测节点和运动边的图模型来配置原位测量任务，采用先进的 SLAM 技术确保实景感知数据的快速配准与场景重建；在“语义感知”模块中，它从图像、点云两个角度分解全景立方体，提取灾害相关语义部件，构建语义地图以满足落石分布、崖壁形态、不连续性等隐患精细化分析与评估。

图4 原型系统技术模块

本研究在苏州的城市山地带开展了滑坡灾害调查实践。研究区域为苏州市政府划定的重点防灾区，过去 20 年间人类活动频繁，历经矿产开采、生态治理、城镇建设、隧道挖掘等地形地貌变化；长年的雨水和风化作用又导致裸露的坡体不稳定、岩体缝隙扩散现象。基于本研究的滑坡机器人原型，我们实现了对植被覆盖区域的高精度点云场景重建，并且结合无人机低空观测可更加全面地展现滑坡信息，最终基于树木、落石、崖壁等分割出的灾害语义部件，实现了对树木倾斜姿态、滚石滑坡源、裂缝发育形态的精细化分析。

总结与展望

通过对滑坡机器人的新技术探索，我们总结了四足机器人在滑坡研究中的贡献。滑坡机器人可在滑坡评估和加固减灾方面有所贡献，尤其是为Li-DAR或InSAR遥感结果提供地面实景信息。从另一个角度来看，四足机器人平台可通过不同的负载满足多样化的任务需求。例如，在灾害评估中滑坡机器人最被看重的是其专业的测绘能力；而在滑坡调查或控制爆破等安全相关任务中，将非常看重机器人的交互性，以保证与人以及其他平台的有效协调。

图5 滑坡机器人技术的潜在应用展望

图a 修改自（Qiang Xu et al. 2023）

本文对滑坡灾害机器人技术的研究也揭示了其在自然灾害引发技术事故（NATECH）风险场景下的应用前景。此时，专业的测绘结果仍然是其中的基础产品，但应特别关注紧急情况下的机器人定位和导航方案。NATECH中的安全事故非常受关注，如地面空洞探测和火灾后救援，因此，可以考虑设计搭载机械臂增强交互性。此外，如果巧妙地设计四足机器人的巡逻方案，再结合专业的气味检测或读数采样仪器，四足机器人将有望在安全巡检和灾害预防方面发挥强大作用。