微型多旋翼無人機(jī)在水電勘察中的應(yīng)用

鐘 果,黃 翠,劉云鵬

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

微型多旋翼無人機(jī)在水電勘察中的應(yīng)用

鐘 果,黃 翠,劉云鵬

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

近年來，無人機(jī)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用使得攝影測繪技術(shù)取得了快速的發(fā)展，而針對野外地質(zhì)調(diào)查和水電勘察，無人機(jī)的相關(guān)應(yīng)用起步還較晚，本文在結(jié)合筆者實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對微型多旋翼無人機(jī)目前在水電工程勘察方面的應(yīng)用進(jìn)行歸納闡述，在如何利用無人機(jī)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查以及無人機(jī)從設(shè)計(jì)研制初期，如何針對該類特殊用戶群體對機(jī)體進(jìn)行改良定制等方面，提出一些思路。

多旋翼；微型無人機(jī)；地質(zhì)勘察；水電勘察

0 前 言

由于微型多旋翼無人機(jī)具有快速機(jī)動(dòng)、操作簡單、使用成本低、危險(xiǎn)性小、能獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，近年來在各民用領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前在工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域也逐步開始使用無人機(jī)作為調(diào)查手段，但還是多用于地形測繪和遙感等輔助調(diào)查，對工程地質(zhì)勘察的核心少有涉及。無人機(jī)究竟應(yīng)如何用于工程勘察特別是水電勘察領(lǐng)域，本文在結(jié)合現(xiàn)今技術(shù)條件的前提下提出了一些思路。

1 無人機(jī)類型及水電勘察環(huán)境簡介

無人機(jī)，簡稱UAV(Unmanned Aerial Vehicle)，指不載有操作人員、利用空氣動(dòng)力起飛、可以自主飛行或遙控駕駛、可以一次使用也可以回收使用的、攜有致命或非致命有效負(fù)載的飛行器。目前國內(nèi)外無人機(jī)相關(guān)技術(shù)飛速發(fā)展，無人機(jī)系統(tǒng)種類繁多、用途廣、特點(diǎn)鮮明，致使其在尺寸、質(zhì)量、航程、航時(shí)、飛行高度、飛行速度、任務(wù)等多方面都有較大差異。由于無人機(jī)的多樣性，出于不同的考量會有不同的分類方法(見表1)。

本文中所述無人機(jī)，綜合上述分類方法，可歸納為微型多旋翼民用無人機(jī)(以下簡稱“無人機(jī)”)，其任務(wù)范圍多為超近程、低空領(lǐng)域。無人機(jī)一般由飛機(jī)平臺系統(tǒng)、有效載荷系統(tǒng)(信息采集系統(tǒng))和地面控制系統(tǒng)三大部分組成。飛機(jī)平臺系統(tǒng)和有效載荷系統(tǒng)組成了整個(gè)飛行器，根據(jù)負(fù)載能力和實(shí)現(xiàn)任務(wù)的不同，一個(gè)平臺可以搭載相應(yīng)一套或多套有效載荷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能。

水電工程多位于高山峽谷地區(qū)，崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。受山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展限制，通常山高路險(xiǎn)、交通不便，同時(shí)植被發(fā)育、通視條件差。許多重要地質(zhì)現(xiàn)象依靠人力往往無法抵近進(jìn)行實(shí)地觀察和調(diào)查，即便能夠開展調(diào)查的區(qū)域也通常難度巨大或存在安全隱患，地質(zhì)勘察工作存在諸多困難和制約因素。特別是雅魯藏布江下游河段、金沙江中上游河段、雅礱江中上游河段等未來水電開發(fā)的熱門地區(qū)相應(yīng)問題更加突出。同時(shí)，隨著近幾年相關(guān)大型水電工程逐漸建成發(fā)電，不斷涌現(xiàn)出大量高壩大庫，運(yùn)營期庫岸地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作也應(yīng)運(yùn)而生。但水庫長度動(dòng)輒數(shù)十公里，涉及面積廣，利用傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查手段，往往需要投入大量人力資源，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，如何快速進(jìn)行庫岸調(diào)查也是一項(xiàng)亟需解決的現(xiàn)實(shí)問題。

表1 無人機(jī)的分類

目前國內(nèi)無人機(jī)市場在影視航拍、農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢、警用安防等領(lǐng)域發(fā)展最為迅速，工程領(lǐng)域僅測繪技術(shù)應(yīng)用方面較為廣泛，專門用于工程地質(zhì)勘察類的應(yīng)用有限。究其原因，一是工程地質(zhì)勘察工作所需資料涉及面廣且內(nèi)容深入，僅依靠無人機(jī)搭載的任務(wù)設(shè)備高空獲取的資料有限，不能進(jìn)行有效的分析工作；二是工程地質(zhì)勘察一般設(shè)計(jì)范圍大、地形地貌及地質(zhì)條件復(fù)雜，無人機(jī)對其適應(yīng)性有限；三是無人機(jī)自身性能及設(shè)備硬件等因素限制。但無人機(jī)同時(shí)具有快速機(jī)動(dòng)、操作簡單、使用成本低、危險(xiǎn)性小、能獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，對于高山峽谷、植被發(fā)育地區(qū)及高寒地區(qū)等人力難以工作的地區(qū)適應(yīng)性強(qiáng)，利用無人機(jī)加載的任務(wù)設(shè)備也可以獲取地質(zhì)專業(yè)所需的部分資料。因此，研究如何有效利用無人機(jī)的上述優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合水電地質(zhì)勘察的任務(wù)特點(diǎn)，取長補(bǔ)短，使其能在常規(guī)人工作業(yè)難度大的高山峽谷地區(qū)部分代替人工進(jìn)行野外作業(yè)，有效地獲取地質(zhì)資料是具有實(shí)用意義的。

2 無人機(jī)在水電勘察中的應(yīng)用

目前在水電勘察工作中，對無人機(jī)參與的工作項(xiàng)定位多為輔助調(diào)查，有的甚至未明確出現(xiàn)在任務(wù)工作項(xiàng)里，即認(rèn)為無人機(jī)在水電勘察中僅為獲取相關(guān)資料的一種新手段，而非一種新工藝或新技術(shù)，因此并未對其進(jìn)行嚴(yán)格限制和約束，而無人機(jī)進(jìn)行工程勘察本身也可滿足現(xiàn)有勘察規(guī)范，只是作為一種飛行器，需另行滿足民航相關(guān)法律法規(guī)。目前用于地質(zhì)勘察的無人機(jī)搭載設(shè)備多鏡頭或相機(jī)等影像拍攝類工具，多任務(wù)云臺不僅對無人機(jī)硬件提出了很高的要求，使用及維護(hù)成本也較高，在現(xiàn)階段仍未推廣，因此主要就搭載拍攝類設(shè)備的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

2.1 危險(xiǎn)源調(diào)查

水電建設(shè)中，如從建筑物垂直高度劃分，一般認(rèn)為有地下建筑物、臨河高度的地面建筑物(包括臨時(shí)建筑)、蓄水高度的永久建筑物和蓄水位以上的建筑物。而相應(yīng)的調(diào)查區(qū)域也可進(jìn)行類似的劃分，顯然地下建筑區(qū)域不能通過無人機(jī)實(shí)現(xiàn)工程勘察工作，而從臨河高度開始至蓄水位以上高度的區(qū)域，均可作為無人機(jī)調(diào)查的工作范圍。實(shí)際工作中，低高程區(qū)域包括臨河高度至蓄水高度之間的區(qū)域，相對來說交通條件及相關(guān)設(shè)施如水、電供給都更為完善，調(diào)查也更為便利，因此一般也可靠傳統(tǒng)人工調(diào)查方式進(jìn)行野外作業(yè)。這里重點(diǎn)關(guān)注的是高高程區(qū)域即蓄水位以上的區(qū)域，水電設(shè)計(jì)中除設(shè)計(jì)需要的水工建筑以外，人工邊坡、環(huán)境邊坡及需整治的泥石流溝、崩塌體及危巖體、滑坡及蠕滑變形體等，都屬于關(guān)注的對象。在遭遇特殊地形地貌條件時(shí)，傳統(tǒng)勘察手段往往在高高程區(qū)域難以開展，如遇懸崖陡壁、倒坡、植被茂密或冰雪覆蓋時(shí)，又或上方有落石、塌方或雪崩等危險(xiǎn)源存在時(shí)，均無法進(jìn)行勘探工作。此外即便無上述地形或地質(zhì)條件，由于高高程區(qū)域建筑物少、重要性相對偏低，如一些環(huán)境邊坡，雖需治理但由于設(shè)置便道等相關(guān)投入過高，對對象認(rèn)識及資料少導(dǎo)致方案的不確定性，都使相關(guān)勘察工作不能正常開展，也為以后埋下了一定的隱患。

該類勘察工作可歸納為危險(xiǎn)源調(diào)查，高程高、范圍較集中、精度要求高是其特點(diǎn)，而微型多旋翼無人機(jī)恰能取長避短發(fā)揮自身優(yōu)勢，對傳統(tǒng)勘察進(jìn)行有效的補(bǔ)充。首先微型多旋翼續(xù)航時(shí)間有限，目前市面常見的此類機(jī)型中，續(xù)航時(shí)間一般為15～25 min，而在高山峽谷地帶，受氣壓、溫度影響，續(xù)航能力會有不同程度的下降，加上預(yù)留的安全返回時(shí)間，實(shí)際作業(yè)時(shí)間就只有10 min左右，但對范圍集中的對象可在一個(gè)架次內(nèi)進(jìn)行有效觀測。其次旋翼無人機(jī)相對固定翼而言，可進(jìn)行懸停操作，因此在操作精度上較高，可用環(huán)拍方式對單一對象進(jìn)行多角度、全方位觀測。

利用無人機(jī)進(jìn)行危險(xiǎn)源調(diào)查時(shí)，應(yīng)提前對現(xiàn)場地形地貌進(jìn)行了解，并對現(xiàn)場起飛條件進(jìn)行判斷，如是否為敏感區(qū)域、GPS衛(wèi)星信號狀態(tài)、場地起降條件、地面電磁干擾情況、氣象條件等。地形地貌是規(guī)劃航線的基礎(chǔ)，在高山峽谷區(qū)需注意的兩個(gè)飛行參數(shù)分別是相對高差和水平距離，這也是一個(gè)機(jī)型的基本性能參數(shù)之一。峽谷區(qū)相對高差一般較大，如需觀測點(diǎn)與起降點(diǎn)超過了設(shè)備機(jī)型的上限，一般解決方式是上升至機(jī)型升限，對搭載可上仰的航拍設(shè)備進(jìn)行上仰操作以進(jìn)行觀測，也可操作無人機(jī)后退直到觀測點(diǎn)落入航拍設(shè)備范圍內(nèi)，但該操作會大大降低觀測精度。另一個(gè)解決辦法是提高起降點(diǎn)高度，即在可滿足起飛要求的最高點(diǎn)進(jìn)行起降。水平距離在續(xù)航時(shí)間足夠的前提下一般僅影響設(shè)備圖傳及操作信號，但在峽谷地區(qū)如遭遇起降點(diǎn)河谷狹窄、高高程目標(biāo)區(qū)域河谷寬闊的情況，則易出現(xiàn)遮擋或超視距飛行，極大影響飛行安全，此時(shí)如采用原有設(shè)備作業(yè)難度較大。目前市面已出現(xiàn)搭載可變焦的航拍設(shè)備的機(jī)型，使用該類機(jī)型仍可保持機(jī)體在河谷上方作業(yè)而非抵進(jìn)操作，對續(xù)航時(shí)間及安全飛行都大為有利。

2.2 地質(zhì)邊界識別

地表地質(zhì)邊界的確定和劃分是水電地質(zhì)勘察中的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，其成果對設(shè)計(jì)、施工和工程布置都有著重要影響。在一些特殊地形或地貌條件下，傳統(tǒng)野外作業(yè)手段受到嚴(yán)重限制，如:峽谷地區(qū)坡降及落差大的泥石流溝，不僅無法攀爬至后緣的形成區(qū)，在流通區(qū)進(jìn)行調(diào)查時(shí)也冒著落石、崩塌的危險(xiǎn)；又如:平面面積較大、地表荊棘覆蓋的區(qū)域，作業(yè)人員難以在地表進(jìn)行穿越或多僅進(jìn)行單線穿越，調(diào)查覆蓋面及精度難以得到保障。該類工作可歸納為地質(zhì)邊界調(diào)查，范圍較大、精度要求相對較低是其特點(diǎn)。此時(shí)若根據(jù)調(diào)查對象的特點(diǎn)，利用無人機(jī)可實(shí)時(shí)進(jìn)行傳輸、高危地區(qū)探測、成本低、高分辨率、機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行輔助調(diào)查，不僅可對人工無法觀測的高陡區(qū)域進(jìn)行大范圍掃描式影像記錄，對難以穿越的平坦地貌區(qū)也可進(jìn)行類似操作。

無人機(jī)航拍進(jìn)行地質(zhì)邊界識別主要利用了不同巖性或不同成因的覆蓋層間具有不同光譜的特性，進(jìn)行人工選擇性識別。識別對象如為高差大的地質(zhì)體，則可按高處航拍與低處現(xiàn)場調(diào)查相結(jié)合的方式，驗(yàn)證航拍區(qū)的邊界成果，使成果更加真實(shí)可靠；而如觀測對象高差不大，并具備現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查的條件，則可航拍取得整個(gè)觀測區(qū)的影像資料，根據(jù)具體地質(zhì)條件進(jìn)行觀測區(qū)布點(diǎn)，并在觀測點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場調(diào)查，輔以航拍資料進(jìn)行地質(zhì)體邊界識別工作。以上工作一般需利用無人機(jī)影像資料配合軟件后期制作DOM正射影像圖，并在拍攝時(shí)布置相控點(diǎn)，利用已有的該區(qū)域測繪地形圖或DEM、DOM等數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)，以保證最終成果可用于實(shí)際工程。完成正射影像一般需保證60%的航向重疊率、30%的旁向重疊率，而如需保證重疊率一般是采用地面站對無人機(jī)進(jìn)行規(guī)劃控制，這里主要包括航線規(guī)劃及拍攝任務(wù)規(guī)劃。

需要說明的是，由于生成的正射影像主要是應(yīng)用于地質(zhì)邊界識別，分米級甚至米級在目前已完全能達(dá)到精度要求，而無需如測繪類應(yīng)用一般進(jìn)行精細(xì)的精度校正；其次，高分辨率圖像數(shù)據(jù)量相當(dāng)大，而且隨著地面分辨率提高，需要傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)量呈幾何級數(shù)增長，數(shù)據(jù)碼數(shù)率也迅速增長，目前圖像的高速傳輸已經(jīng)成為制約無人機(jī)應(yīng)用的重要問題之一，因此在能順利完成地質(zhì)邊界識別的前提下，盡量選用合理的分辨率，不僅能減輕后期數(shù)據(jù)處理量，在飛行中也可最大限度地優(yōu)化航線和拍片數(shù)量。

2.3 其他應(yīng)用

除了危險(xiǎn)源調(diào)查及地質(zhì)邊界識別外，目前在水電勘察中還在探索一些新的無人機(jī)應(yīng)用方向，如:邊坡、滑坡等地表變形及位移監(jiān)測。由于目前無人機(jī)可獲取厘米級甚至更高精度的影像，因此使得對一些傳統(tǒng)方式難以監(jiān)測、規(guī)模較大的地質(zhì)體作變形監(jiān)測工作有了可能。該技術(shù)主要還是建立在前期傳統(tǒng)調(diào)查后對變形體有一定認(rèn)識的基礎(chǔ)上，采取多架次多時(shí)段對監(jiān)測對象進(jìn)行航拍掃描，生成三維地表模型并對比不同時(shí)刻模型的變化情況加以分析，可真實(shí)展現(xiàn)裂縫長度、寬度及發(fā)展情況等。該項(xiàng)技術(shù)同樣可應(yīng)用于危險(xiǎn)源調(diào)查、地質(zhì)體產(chǎn)狀輔助測量：對于傳統(tǒng)方式難以獲取的一些宏觀地質(zhì)體產(chǎn)狀，利用數(shù)字?jǐn)z影測量、空三加密法等手段生成數(shù)字高程模型(DEM)，提取產(chǎn)狀相關(guān)的點(diǎn)的坐標(biāo)和高程要素，通過計(jì)算得到地質(zhì)體產(chǎn)狀，并可根據(jù)長大節(jié)理面、構(gòu)造面以及地表裂縫等對象不同的產(chǎn)狀信息進(jìn)行空間走向及展布情況預(yù)測。該技術(shù)是危險(xiǎn)源調(diào)查和地質(zhì)體邊界調(diào)查的有力補(bǔ)充，因?yàn)闊o邊界的地質(zhì)體資料和無產(chǎn)狀的地質(zhì)界面資料都是不完整的，只有不斷豐富和完善調(diào)查對象的地質(zhì)信息，才能對其進(jìn)行分析判斷，最終為工程所用。

3 總 結(jié)

以上均為現(xiàn)階段水電勘察或地質(zhì)勘察工作中無人機(jī)的一些應(yīng)用，雖大多仍在起步階段，認(rèn)識或理解仍有不足，但從中可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

(1)由于地質(zhì)勘察工作自身的復(fù)雜性，無人機(jī)現(xiàn)階段乃至今后一段時(shí)期內(nèi)暫不能完全替代人工進(jìn)行工程勘察工作，但可作為一種先進(jìn)的輔助手段對傳統(tǒng)勘察工作進(jìn)行有力地補(bǔ)充。

(2)目前使用無人機(jī)進(jìn)行地質(zhì)勘察，更多的仍是搭載拍攝設(shè)備，生成數(shù)碼航空類影像數(shù)據(jù)，并在后期經(jīng)過人工或軟件自動(dòng)化處理，輸出包括數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字高程模型(DEM)、正射影像(DOM)及真正射影像(TDOM)、三維影像圖、三維地表模型等二維、三維可視化數(shù)據(jù)，所用應(yīng)用都是基于以上產(chǎn)品或其中間成果的。

(3)目前地質(zhì)勘察類應(yīng)用仍是以測繪成果為基礎(chǔ)并基于其上的，后期專門用于處理地質(zhì)信息如自動(dòng)生成地質(zhì)對象產(chǎn)狀、完成對地質(zhì)體邊界的識別等方面的軟件十分有限，這樣大大增加了后期數(shù)據(jù)處理的工作量，可專門針對這類應(yīng)用進(jìn)行軟件開發(fā)。

(4)目前利用無人機(jī)對地質(zhì)勘察中的對象僅停留在觀測層面，如何能利用無人機(jī)進(jìn)行對觀測對象的取樣或主動(dòng)進(jìn)行捕獲，這是獲取更詳細(xì)的地質(zhì)資料必須邁出的重要一步，望能在今后的無人機(jī)設(shè)計(jì)研制中加以考慮。

[1] 孫毅.無人機(jī)駕駛員航空知識手冊[M].北京:中央民航出版社,2014.

[2] 李定松.無人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用[J].北京測繪,2015(4).

2017-01-16

鐘果(1983-)，男，四川成都人，高級工程師，從事工程地質(zhì)相關(guān)工作。

P231

B

1003-9805(2017)02-0053-04