無(wú)人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)課程的應(yīng)用與推廣

彭三曦 單慧媚 熊彬

摘要：在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，代表科技前沿的高校，引入高效、高精度的無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)成為高校本科教學(xué)的重要部分。對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)專業(yè)課程，應(yīng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行災(zāi)害體的三維建模、信息提取及災(zāi)害評(píng)價(jià)成為本科教育人才模式的改革創(chuàng)新的重點(diǎn)，更是提高學(xué)生工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力和工程創(chuàng)新能力的重要手段。本文結(jié)合桂林理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)專業(yè)新技術(shù)、新方法的課程建設(shè)與推廣實(shí)例，總結(jié)分析無(wú)人機(jī)技術(shù)在科學(xué)研究和實(shí)踐應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)，突顯無(wú)人機(jī)技術(shù)在本科教學(xué)中人才培養(yǎng)的重要性，為地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)專業(yè)教學(xué)與實(shí)踐教育提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)技術(shù)；地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)；三維建模；信息提取

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）14-0094-03

一、引言

桂林理工大學(xué)是一所以中央與地方共建、廣西壯族自治區(qū)管理為主的綜合性高校，源于1956年原國(guó)家重工業(yè)部在廣西組建的桂林地質(zhì)學(xué)校，地質(zhì)學(xué)科突出。1978年更名為桂林冶金地質(zhì)學(xué)院，1993年更名為桂林工學(xué)院，2009年正式更名為桂林理工大學(xué)。地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)課程是以自然科學(xué)和地球科學(xué)為理論基礎(chǔ)，以地質(zhì)調(diào)查、工程問(wèn)題、數(shù)學(xué)地質(zhì)方法和災(zāi)害體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為主要手段。該課程適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的需要，培養(yǎng)側(cè)重于地質(zhì)災(zāi)害的穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)，突出空中、地面、地下、陸地背景下，各種方法技術(shù)相互配合，交叉滲透，已形成科學(xué)合理、立體交叉的現(xiàn)代化綜合技術(shù)和方法。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的課程建設(shè)和發(fā)展，桂林理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)課程已經(jīng)形成一套成熟的教學(xué)課程，使學(xué)生具備地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與計(jì)算、災(zāi)害體評(píng)價(jià)、災(zāi)害治理與設(shè)計(jì)等技術(shù)能力。實(shí)現(xiàn)了理論知識(shí)和工作實(shí)踐的有效結(jié)合，為用人單位所喜愛。然而，隨著科技的快速發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)中運(yùn)用傳統(tǒng)的地質(zhì)羅盤、皮尺等工具進(jìn)行的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查已經(jīng)不能滿足地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)所要求的高效率和高精度的需求。單純地采用傳統(tǒng)學(xué)科的講授和野外實(shí)踐教學(xué)，已經(jīng)不能滿足社會(huì)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)專業(yè)人才能力的需求。無(wú)論是生產(chǎn)單位、科研機(jī)構(gòu)或者是高等學(xué)校，迫切需要大量掌握快速進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)的人才，能夠熟練進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)三維建模、三維信息提取以及二次開發(fā)的人才。如何高效、高精度地進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，特別是高陡、危險(xiǎn)區(qū)域的評(píng)價(jià)，一直是地質(zhì)工作者面臨的一大難題，而無(wú)人機(jī)技術(shù)的航空攝影、三維建模及三維信息提取能有效地解決這個(gè)問(wèn)題[1-3]。

綜上，本文以桂林理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)課程為例，結(jié)合其在無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用課程建設(shè)與推廣過(guò)程，總結(jié)分析了無(wú)人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)的應(yīng)用實(shí)踐的課程建設(shè)與內(nèi)容，對(duì)比分析地質(zhì)災(zāi)害中無(wú)人機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢(shì)，為地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)課程的本科教學(xué)與實(shí)踐教育提供理論基礎(chǔ)。

二、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)課程建設(shè)

作為桂林理工大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)的老牌優(yōu)勢(shì)學(xué)科，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)延續(xù)水文地質(zhì)工程地質(zhì)專業(yè)教學(xué)模式，重點(diǎn)針對(duì)廣西等西南巖溶地區(qū)的巖溶塌陷、高陡邊坡的危巖防治、滑坡防治進(jìn)行學(xué)科建設(shè)與學(xué)生培養(yǎng)；作為廣西地區(qū)唯一的精品課程，培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生能夠獨(dú)立擔(dān)負(fù)工程技術(shù)或工程管理的能力，畢業(yè)生普遍得到用人單位的好評(píng)。經(jīng)過(guò)不斷地完善教學(xué)機(jī)制和增強(qiáng)師資力量，我校地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)課程得到長(zhǎng)足進(jìn)步。近幾年來(lái)，隨著消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)及相關(guān)三維建模軟件的普及與推廣，無(wú)人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的科研和工程應(yīng)用教學(xué)中受到重視并得以發(fā)展。目前，該課程的教學(xué)重點(diǎn)主要有三方面：高陡邊坡危巖的穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)、滑坡的勘察與防治以及巖溶塌陷的評(píng)價(jià)與防治。同時(shí)，要求學(xué)生掌握三維建模的軟件使用和運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的有關(guān)問(wèn)題。

（一）高陡邊坡危巖穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

高陡邊坡危巖的調(diào)查與穩(wěn)定性分析是地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性調(diào)查的重要內(nèi)容，包括理論學(xué)習(xí)和野外實(shí)際應(yīng)用。該部分內(nèi)容要求學(xué)生熟練掌握危巖體的現(xiàn)場(chǎng)勘察、結(jié)構(gòu)面的測(cè)量、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與歸納、赤平投影圖的繪制以及危巖的穩(wěn)定性分析與防治?，F(xiàn)場(chǎng)勘察包括熟練運(yùn)用地質(zhì)羅盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角測(cè)量，數(shù)據(jù)的記錄與統(tǒng)計(jì)；赤平投影圖的繪制包括赤平投影的基本原理、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)技術(shù)（如：CAD、南方cass和理正軟件）的應(yīng)用；危巖的穩(wěn)定性分析包括掌握危巖發(fā)生的基本原理、危巖在不同工況情況下的穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)以及危巖崩落時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡；危巖體的防治包括根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)處理。

（二）滑坡的勘察與防治

在掌握滑坡的特征、誘發(fā)因素及治理措施理論知識(shí)基礎(chǔ)上，通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，讓學(xué)生具備運(yùn)用理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為工程實(shí)踐的能力。野外現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)主要包括：觀察滑坡的基本特征、測(cè)量與記錄滑坡的規(guī)模、分析滑坡的誘發(fā)因素、設(shè)計(jì)滑坡的治理措施、對(duì)比分析滑坡治理費(fèi)用及提出治理設(shè)計(jì)方案。學(xué)生在滑坡勘察與防治的設(shè)計(jì)報(bào)告中，需要運(yùn)用CAD、南方cass軟件及理正軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)等高線的制作、滑坡體土方量的計(jì)算以及如削方減載等相應(yīng)治理措施的設(shè)計(jì)與費(fèi)用估算。每一步驟都要求學(xué)生掌握充分的理論知識(shí)，確保學(xué)生能夠進(jìn)行獨(dú)立承擔(dān)指導(dǎo)項(xiàng)目開展工作的技術(shù)能力。

（三）巖溶塌陷的評(píng)價(jià)與防治

在掌握巖溶塌陷發(fā)生的地質(zhì)背景、誘發(fā)因素及治理措施理論知識(shí)基礎(chǔ)上，通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，讓學(xué)生具備運(yùn)用理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為工程實(shí)踐的能力。野外現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)主要包括：巖溶塌陷發(fā)生的規(guī)模、各塌陷間的內(nèi)在聯(lián)系、巖溶塌陷區(qū)域覆蓋層厚度、治理措施與建議，分析塌陷區(qū)域覆蓋層厚度，地下水位、水位季節(jié)性波動(dòng)幅度、巖溶易發(fā)區(qū)劃分與評(píng)價(jià)、巖溶塌陷治理等相關(guān)知識(shí)。學(xué)生在巖溶易發(fā)性評(píng)價(jià)與治理的過(guò)程中，需要運(yùn)用CAD、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及Arcgis等軟件進(jìn)行作圖、評(píng)估與設(shè)計(jì)。巖溶塌陷評(píng)估與治理設(shè)計(jì)的每一步驟都要求學(xué)生掌握充分的理論知識(shí)，確保學(xué)生能夠進(jìn)行獨(dú)立承擔(dān)指導(dǎo)項(xiàng)目開展工作的技術(shù)能力。

三、無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用推廣

消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的民用普及化給地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)帶來(lái)了一次全新革命。無(wú)人機(jī)自帶定位系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)可靠，一臺(tái)智能手機(jī)即可實(shí)時(shí)操作，成為當(dāng)前獲取目標(biāo)體空間數(shù)據(jù)的一種重要方式。無(wú)人機(jī)具有輕巧、成本低、分辨率高、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、高危地區(qū)探測(cè)、影像實(shí)時(shí)傳輸及機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)而深受學(xué)者的喜愛，在防災(zāi)減災(zāi)、地理測(cè)繪、農(nóng)業(yè)林業(yè)、水利水電、公路交通等方面發(fā)揮著重要作用，是人機(jī)航空遙感和衛(wèi)星遙感的有力補(bǔ)充[4-6]。因此，利用小型無(wú)人機(jī)獲取地質(zhì)體空間幾個(gè)信息具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

利用消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)課程的改革和建設(shè)。課程主要步驟為：首先利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜航拍，通過(guò)無(wú)人機(jī)相片處理軟件Agisoft photoscan/contxt computer /Pix4D mappter建立災(zāi)害體的三維模型和解譯三維坐標(biāo)，并評(píng)定解譯的幾何信息精度。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)GIS、CAD坐標(biāo)提取插件等輔助軟件大量提取邊坡體各結(jié)構(gòu)面的幾何信息，以實(shí)際應(yīng)用于災(zāi)害體的評(píng)價(jià)。

（一）無(wú)人機(jī)技術(shù)獲取災(zāi)害體地質(zhì)信息

1.消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的傾斜航拍技術(shù)。傳統(tǒng)的測(cè)繪航拍為正射影像，而高陡邊坡體結(jié)構(gòu)面/滑坡體結(jié)構(gòu)面/巖溶塌坑面的獲取要求無(wú)人機(jī)從目標(biāo)體的側(cè)面進(jìn)行拍攝，并配合一定的傾斜度調(diào)整，即無(wú)人機(jī)的傾斜航拍，有別于傳統(tǒng)意義上的正射影像。另外，研究無(wú)人機(jī)航拍的飛行路線，相機(jī)檢校和畸變校正等拍攝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效飛行[7]。

2.三維實(shí)景模型的建立和三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化。無(wú)人機(jī)自帶GPS定位系統(tǒng)，利用Agisoft photoscan/contxt computer/Pix4D mappter無(wú)人機(jī)相片處理軟件，建立目標(biāo)體的三維實(shí)景模型，進(jìn)而提取和轉(zhuǎn)化目標(biāo)體的三維坐標(biāo)，用于工程實(shí)際。

3.完成結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計(jì)算程序的編寫，實(shí)現(xiàn)從實(shí)景模型提取結(jié)構(gòu)面幾何信息。基于不共線的三點(diǎn)確定一個(gè)平面的原理，運(yùn)用編程軟件Visual Basic編寫了結(jié)構(gòu)面傾向、傾角計(jì)算程序，結(jié)合CAD坐標(biāo)提取插件，進(jìn)行實(shí)景模型點(diǎn)云的三維坐標(biāo)提取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)景模型結(jié)構(gòu)面的幾何參數(shù)提取。

4.評(píng)定目標(biāo)體結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)的精度，從而進(jìn)行工程實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)基礎(chǔ)測(cè)量理論分析和典型實(shí)物試拍，進(jìn)行拍攝技術(shù)和測(cè)量精度的測(cè)試和驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)野外目標(biāo)體的結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)的提取，為后續(xù)的地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與相應(yīng)處理提供精確數(shù)據(jù)。

（二）硬件設(shè)施

無(wú)人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)課程的技術(shù)推廣需要具備基礎(chǔ)的硬件設(shè)備，包括消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)和高性能的計(jì)算機(jī)[7]。我校近年來(lái)對(duì)這方面的建設(shè)日益重視，分別投入經(jīng)費(fèi)和場(chǎng)地進(jìn)行課程的發(fā)展與建設(shè)。目前已經(jīng)購(gòu)買3臺(tái)專業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)，正在招標(biāo)購(gòu)買6臺(tái)精靈4pro小型無(wú)人機(jī)，此外，配備3臺(tái)128G內(nèi)存的工作站和工作站機(jī)房，工作站用于進(jìn)行相片處理軟件Agisoft photoscan/contxt computer/Pix4D mappter/Arcgis等的運(yùn)行。

（三）版權(quán)購(gòu)買

為快速處理和獲取地質(zhì)災(zāi)害體的三維數(shù)據(jù)信息，需要運(yùn)用Agisoft photoscan/contxt computer/Pix4D mappter/Arcgis等軟件進(jìn)行災(zāi)害體的三維模型建立、三維模型的信息提出以及災(zāi)害體的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與防治措施設(shè)計(jì)。因此，我校投入巨大的課程建設(shè)費(fèi)用用于購(gòu)買正版軟件的使用權(quán)。

四、問(wèn)題與分析

近兩年來(lái)，桂林理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)課程在無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用與推廣的課程建設(shè)方面取得了較好的發(fā)展，但是存在的問(wèn)題也比較突出。地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的課程建設(shè)與推廣迫切需要加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)。高校教師是主要授課者，師資隊(duì)伍的專業(yè)水平代表一個(gè)專業(yè)的教學(xué)水平，也是課程建設(shè)的主要內(nèi)容，因此，師資隊(duì)伍建設(shè)是課程建設(shè)和持續(xù)發(fā)展的有力保證。目前，我校地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的師資力量主要集中在以傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行災(zāi)害體的評(píng)價(jià)，而在無(wú)人機(jī)的航線規(guī)劃、三維實(shí)景模型的建立與信息提取、軟件的二次開發(fā)與利用方面缺少人才。課程建設(shè)與推廣碰到的問(wèn)題主要體現(xiàn)在老教授對(duì)新興的無(wú)人機(jī)技術(shù)具有排斥心理，同時(shí)，不能迅速掌握相關(guān)的飛行技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件處理能力，而動(dòng)手能力強(qiáng)、計(jì)算機(jī)較強(qiáng)的教師，缺乏專業(yè)積累和工程實(shí)踐。這個(gè)問(wèn)題的主要原因是消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的普及與推廣最近幾年才興起，應(yīng)用到工程實(shí)踐較少，三維實(shí)景建模的軟件更新速度快，具有計(jì)算機(jī)背景的對(duì)口教師較少。

目前，加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)課程的師資隊(duì)伍建設(shè)可通過(guò)以下兩個(gè)方面進(jìn)行，一是對(duì)現(xiàn)有青年教師進(jìn)行各種無(wú)人機(jī)飛行操作和三維實(shí)景建模的培訓(xùn)，讓他們熟練掌握無(wú)人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)鼓勵(lì)以老帶新，在請(qǐng)教本課程老教授專業(yè)積累的過(guò)程，展現(xiàn)無(wú)人機(jī)技術(shù)的高效性與實(shí)用性，消除老教授對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)的排斥心理；二是積極引進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的專家，保持接觸最前沿的科學(xué)研究和保證無(wú)人機(jī)技術(shù)在災(zāi)害評(píng)價(jià)的工程實(shí)際應(yīng)用，為此，桂林理工大學(xué)也出臺(tái)了一系列引進(jìn)專業(yè)的高薪待遇。

五、展望

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是我們不可回避的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，嚴(yán)重地影響國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生產(chǎn)安全。在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展和無(wú)人機(jī)普及的背景下，無(wú)人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)領(lǐng)域帶來(lái)了全新的變革。它能高效、精準(zhǔn)地獲取災(zāi)害體的三維地質(zhì)信息，特別是在高陡邊坡區(qū)域的災(zāi)害體。因此，熟練掌握無(wú)人機(jī)技術(shù)對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)課程，乃至地質(zhì)類課程的課程建設(shè)、人才培養(yǎng)與可持續(xù)發(fā)展都至關(guān)重要。信息化技術(shù)的高速增長(zhǎng)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)課程提出了新的要求，針對(duì)性地進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的研究都有益于應(yīng)用型人才和研究型人才的能力提高，也成為該課程所面臨的主要問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展所需。此外，對(duì)于具備本專業(yè)基礎(chǔ)的本科生甚至研究生，都日益認(rèn)識(shí)到新科技、新技術(shù)帶來(lái)的課程建設(shè)與技術(shù)變革，越發(fā)迫切的期望能掌握相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)能力。

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[5]彭大雷，許強(qiáng)，董秀軍，等.無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量在黃土滑坡調(diào)查評(píng)估中的應(yīng)用[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2017，（03）：319-330.

[6]吳楠，韓東.無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害安全檢查中的應(yīng)用.四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，2016，（02）：316-319.

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