應(yīng)用無人機(jī)數(shù)字影像地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查技術(shù)研究

陳原

（廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣東廣州 510000）

無人機(jī)航攝系統(tǒng)具有：①地型地貌影響較小，工作方式靈活快速。②無人機(jī)平臺(tái)可根據(jù)測量內(nèi)容搭載不同的設(shè)備，靈活性高，適應(yīng)性強(qiáng)。③無人機(jī)飛行高度較低，故影像分辨率較其他遙感模式高。④體積及重量小，方便攜帶，轉(zhuǎn)場快速。目前，小型無人機(jī)對地觀測系統(tǒng)在國際上也已成為熱門課題，并在實(shí)際應(yīng)用中逐步完善其性能及操作規(guī)范。

當(dāng)前，國內(nèi)的無人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方面已有大量的應(yīng)用，但主要集中在如下幾個(gè)視角：①大規(guī)模、大范圍的地質(zhì)災(zāi)害，如三峽庫區(qū)群發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查[1]、中俄原油管道凍脹融沉災(zāi)害遙感影像特征及分布規(guī)律[2]。②與周邊場地特征區(qū)別較大、人類建筑相對稀少且場地特征較為明顯的區(qū)域，如水利工程、礦山礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害研究。③主要關(guān)注航拍數(shù)據(jù)的衍生品，如正射圖像（DOM）的精度、數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字表面模型（DSM），較少關(guān)注該類數(shù)據(jù)的深化應(yīng)用。

下面以廣東省廣州市某地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害評估項(xiàng)目為例，具體說明無人機(jī)在城市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究中的作用，用實(shí)踐證明在滿足作業(yè)規(guī)范的要求下，無人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中輔助野外踏勘及內(nèi)業(yè)制圖具有良好的實(shí)用效果，并通過矢量化加工，形成數(shù)字地圖，進(jìn)行地災(zāi)模擬計(jì)算。證明該項(xiàng)技術(shù)具備廣闊的使用前景。

1 研究區(qū)概況

項(xiàng)目所屬場地為廣州市黃埔區(qū)，黃埔區(qū)地處北回歸線以南，東經(jīng)113°27′39″～113°27′51″，北緯 23°2′25″～23°9′55″之間。東至東江與東莞市麻涌鎮(zhèn)相望，東北部與增城市新塘鎮(zhèn)接壤，南部臨珠江與番禺市相鄰，西部與天河區(qū)東圃鎮(zhèn)相連，北部大田山麓與白云區(qū)蘿崗鎮(zhèn)毗鄰。東西寬17.4km，南北相距13.5km，總面積為119.42km2（約合18萬畝），其中陸地面積占77%，水域面積占23%雨量全區(qū)年降雨量1694mm，主要集中在4～9月，這6個(gè)月占全年降雨量的82%。4～6月為前汛期，主要是鋒面雨；7～9月為后汛期，主要是對流降雨和臺(tái)風(fēng)雨。場地內(nèi)水網(wǎng)密布，有較深厚的淤泥、淤泥質(zhì)土堆積。

2 無人機(jī)航攝系統(tǒng)

2.1 飛行平臺(tái)

飛行平臺(tái)選擇賽爾HEX-3旋翼型無人機(jī)，由機(jī)體、操縱系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)3部分組成，主要是為成像設(shè)備提供可靠且穩(wěn)定的搭載平臺(tái)，其主要性能見圖1。

圖1

2.2 傳感器

傳感器的選擇既要能滿足拍攝精度的要求，又要考慮與搭載平臺(tái)的連接情況，本次航攝所選用的相機(jī)為GoPro Hero 3+Black，相關(guān)參數(shù)見表2。

表2

2.3 地面監(jiān)控系統(tǒng)

該部分主要由手提電腦、監(jiān)控軟件、遙控設(shè)備、支架、地面站電源組成。主要任務(wù)包括控制無人機(jī)的起飛降落；監(jiān)測傳感器的工作狀態(tài)，確保采集的數(shù)據(jù)符合要求；控制飛行器在運(yùn)行過程中的工作狀態(tài)，包括飛行的航向、高度、速度等一系列指標(biāo)。

2.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

該部分由影像處理軟件完成，本次采用的是某國產(chǎn)軟件，可完成遙感數(shù)據(jù)的拼接、融合、鑲嵌、畸變糾正等，并可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為正射影像圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字線劃圖。本項(xiàng)目還利用該軟件所搭載的組件完成了沉降危險(xiǎn)區(qū)的計(jì)算及分級工作。

3 制作正射影像圖

無人機(jī)在低空攝影數(shù)據(jù)采集，并使用某正版攝影測量內(nèi)業(yè)處理軟件，利用無人機(jī)低空攝影時(shí)采集的POS數(shù)據(jù)及GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行空三加密測量、微分糾正，制作DOM圖生成正射投影，獲得整個(gè)測區(qū)的DEM數(shù)據(jù)。對整個(gè)測區(qū)有效影像進(jìn)行影像疊加、融合，使整個(gè)測區(qū)顏色均勻、色調(diào)一致，并對圖形上的土質(zhì)、市政道路、水系、居民地等屬性信息進(jìn)行糾正，并進(jìn)行成果整理，形成工作底圖（即數(shù)字正射影像圖）并對正射影像進(jìn)行校正，并將有效區(qū)域進(jìn)行剪切，影像分辨率為0．046m，能夠達(dá)到1∶1000比例尺的精度要求。所生成的正射影像圖面清晰，不存在重影、紋理或斷裂等現(xiàn)象，亦無扭曲變形，圖像真實(shí)，符合相關(guān)規(guī)范要求。

圖2 場地正射影像

4 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查技術(shù)與方法

4.1 收集相關(guān)資料及編寫工作大綱

本階段的任務(wù)是包括區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、工程規(guī)劃方案、氣象等資料，特別是評估區(qū)范圍內(nèi)的工程勘察資料，并進(jìn)行整理分析，研究評估區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件；在研究所收集資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行野外踏勘，編寫工作大綱，確定評估工作的重點(diǎn)和中心。

4.2 野外地質(zhì)災(zāi)害綜合調(diào)查

野外踏勘是初步了解工程區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件和地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀，觀察工程范圍及周邊的地形、地貌、地層巖石、不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災(zāi)害等，初步掌握地質(zhì)環(huán)境條件的復(fù)雜程度，并根據(jù)有關(guān)基礎(chǔ)資料和建設(shè)項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)資料對評估項(xiàng)目進(jìn)行工程分析。

4.2.1 制作調(diào)查底圖

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的工作底圖是合情、合理進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作的主要圖件。采用無人機(jī)正射影像圖作為底圖，一可利用其地形地貌特點(diǎn)突出，色彩豐富，特殊地標(biāo)易于辨認(rèn)的特點(diǎn)，對場地實(shí)際情況進(jìn)行分析，并規(guī)劃踏勘線路，提高工作效率；二可對技術(shù)人員難以到達(dá)的地區(qū)進(jìn)行拍攝，保證重要信息點(diǎn)不至遺漏；三可為成果整理階段提供基礎(chǔ)資料，是一個(gè)有益的實(shí)際應(yīng)用。

4.2.2 實(shí)地調(diào)查

實(shí)地調(diào)查時(shí)采用追蹤法，對評估區(qū)范圍內(nèi)典型的地質(zhì)環(huán)境及主要的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)記錄、拍照，還根據(jù)實(shí)際地形地物變化情況對底圖進(jìn)行校正，同時(shí)也結(jié)合調(diào)查結(jié)果初步分析已發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的性質(zhì)、影響及危害程度等。

在實(shí)地調(diào)查階段，也可采用無人機(jī)進(jìn)行輔助，進(jìn)入人員難以進(jìn)入的區(qū)域，進(jìn)行局部重點(diǎn)調(diào)查提高踏勘的速度及效率。

圖3 矢量化成圖（局部）

4.3 成果資料整理及匯編

本次調(diào)查利用無人機(jī)室內(nèi)資料整理工作方法主要分兩步：4.3.1成果資料整理

成果資料整理是在收集、研究區(qū)域地質(zhì)環(huán)境資料的基礎(chǔ)上，綜合分析勘察、設(shè)計(jì)、區(qū)域資料及本次野外調(diào)查成果，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估報(bào)告及圖件的編寫和編繪。

本次采用無人機(jī)第一階段的正射影像圖作為底圖，在某國產(chǎn)軟件上進(jìn)行地圖的矢量化，將與評估相關(guān)的資料進(jìn)行整理錄入，并根據(jù)屬性情況進(jìn)行整理分析，形成多屬性、數(shù)字化的底圖。

相較于傳統(tǒng)的整理方式，數(shù)字化底圖不但能根據(jù)需要對地圖信息進(jìn)行提取，方便快速的完成多來源、多種類的資料的整合及勘誤，且能將文字資料與圖像資料結(jié)合在一起，使各種信息體現(xiàn)得更加直觀。并借助該軟件的相關(guān)功能，完成必要的分析計(jì)算（如崩塌、滑坡的影響區(qū)域的預(yù)測計(jì)算、沉降危險(xiǎn)區(qū)域等級劃分等）。

4.3.2 編制報(bào)告及圖件

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估的目的和要求，通過資料綜合分析、計(jì)算等工作，編制地質(zhì)災(zāi)害分布圖、地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合分區(qū)評估圖及地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估報(bào)告。

圖4 打印成果圖

5 結(jié)束語

經(jīng)對比，本項(xiàng)目使用無人機(jī)所需工期僅為傳統(tǒng)方法的1/3，在成圖效果及調(diào)查效率的提升方面尤為顯著。本項(xiàng)目成果完全滿足相關(guān)規(guī)范的要求，并成功通過專家評審。

采用無人機(jī)無人機(jī)數(shù)字影像進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，既使地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作更科學(xué)、更高效，同時(shí)也為將該技術(shù)使用至不同類型的地質(zhì)調(diào)查工作提供實(shí)例。

[1]楊娟.多軸旋翼無人機(jī)航攝在三峽庫區(qū)群發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查監(jiān)測中的應(yīng)用探析[J].中國錳業(yè)，2017，35（01）：147～151.

[2]任延光.中俄原油管道凍脹融沉災(zāi)害遙感影像特征及分布規(guī)律[J].山西建筑，2017，43（16）：94～96.