適用于地質(zhì)災害調(diào)查的微型無人機航線控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

馬 娟，張鳴之，馮 振，黃 喆，薛躍明，石愛軍，邵 海

(中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

我國是地質(zhì)環(huán)境脆弱、地質(zhì)災害多發(fā)的國家之一，滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)面積約占國土面積的65%。國土資源部從1999年開始，在地質(zhì)災害嚴重的縣(市)，陸續(xù)部署開展了縣市地質(zhì)災害調(diào)查與區(qū)劃工作[1]，截至2017年，完成1 502個縣(市、區(qū))的1∶5萬地質(zhì)災害詳細調(diào)查和29 942處隱患點的勘查。我國共查明地質(zhì)災害287 916處，其中，滑坡142 377處，崩塌68 419處，泥石流33 524處，地面塌陷、地裂縫、地面沉降等43 596處[2]。傳統(tǒng)的地質(zhì)災害野外調(diào)查手段是使用羅盤、地質(zhì)錘等工具，基于紙質(zhì)地形圖進行野外數(shù)據(jù)采集，然后室內(nèi)整理手工編錄等[3-5]，這種工作方式已經(jīng)不能滿足日益增長的快速獲取信息的需求，以及國家精細化地質(zhì)調(diào)查的要求，地質(zhì)災害調(diào)查的精度、廣度、深度有待于進一步提高。隨著信息技術的發(fā)展，掌上機、無人機、InSAR、高精度遙感等技術在地質(zhì)災害領域已有了不同程度的應用[6-8]，但也存在一些問題。以無人機遙感技術為例：一是地質(zhì)災害調(diào)查人員通常為地質(zhì)專業(yè)出身，學習無人機操控技術難度較大；二是市場無人機操作培訓價格高，難以在地質(zhì)調(diào)查隊伍中普及；三是無人機設備搭載多鏡頭傾斜相機的價格較高，難以在野外地質(zhì)調(diào)查小組中形成標配推廣。因此亟需設計研發(fā)一套適用于我國地質(zhì)災害野外調(diào)查的無人機遙感調(diào)查技術方法。

筆者所在的團隊通過長期跟蹤地質(zhì)調(diào)查隊伍,開發(fā)出一套地質(zhì)災害調(diào)查微型無人機航線控制系統(tǒng)，用于解決無人機技術在地質(zhì)災害調(diào)查中運用的普適性問題。系統(tǒng)基于市面現(xiàn)有成型微型無人機硬件技術，通過開發(fā)適用于地質(zhì)災害調(diào)查無人機航線規(guī)劃及拍攝模式，使用無人機快速、及時獲取地質(zhì)災害隱患點影像數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)處理軟件，生成地質(zhì)災害隱患點及其周圍環(huán)境的正射影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)以及三維模型等，有利于地質(zhì)災害調(diào)查人員獲取地質(zhì)災害隱患點及其周邊精準數(shù)據(jù)。

1 地質(zhì)災害調(diào)查無人機數(shù)據(jù)采集流程

根據(jù)無人機數(shù)字航空攝影測量與遙感外業(yè)技術規(guī)范要求，地質(zhì)災害調(diào)查無人機數(shù)據(jù)采集流程[9-10]見圖1。

圖1 無人機數(shù)據(jù)采集流程Fig.1 Process of UAV data acquisition

資料收集：收集工作區(qū)地形圖、前期遙感影像及解譯圖和區(qū)域基本資料等，主要目的是為了解地質(zhì)災害調(diào)查區(qū)域相對高差數(shù)據(jù)、周邊環(huán)境概況，以確保采集作業(yè)安全。如果調(diào)查區(qū)域缺乏以上資料，建議第二步現(xiàn)場踏勘時手動飛行至調(diào)查區(qū)域上空進行概況調(diào)查。

現(xiàn)場踏勘：依據(jù)收集的資料確定無人機起降場地及地面控制人員安全有效的控制位置，預規(guī)劃航線同時進行GPS信號檢測。

航線規(guī)劃：按照實際需要的地面分辨率進行設計，根據(jù)無人機的性能參數(shù)以及地質(zhì)災害調(diào)查區(qū)域的地形特征進行航線規(guī)劃，航線能完整覆蓋整個航拍區(qū)域。

飛行作業(yè)：飛機組裝，檢查飛機狀態(tài)指標，按既定航線規(guī)劃進行飛行作業(yè)。

控制點測量：根據(jù)測區(qū)實際狀況和航線規(guī)劃情況進行控制點布設及測量。

影像下載：連接無人機的儲存設備到電腦，導出影像數(shù)據(jù)。

質(zhì)量檢查：對獲取的測區(qū)影像進行質(zhì)量檢查，確定影像質(zhì)量是否有云、霧、雪，是否有變形、扭曲、發(fā)虛等現(xiàn)象，判斷是否需要補飛或重飛。

外業(yè)成果：經(jīng)影像質(zhì)量檢查無誤后形成的無人機數(shù)據(jù)采集結果。

2 微型無人機航線控制系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構設計

面向地質(zhì)災害調(diào)查業(yè)務需求以及地質(zhì)災害無人機數(shù)據(jù)采集流程，設計微型無人機航線控制系統(tǒng)的總體架構(圖2)，總體上包括支撐層、通信層、數(shù)據(jù)層、應用層以及UI層。系統(tǒng)基于無人機飛行器、遙控器以及移動設備等支撐層，通過通信手段，采集地質(zhì)災害區(qū)域的影像數(shù)據(jù)；基于數(shù)據(jù)庫提供的同一數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)服務，構建微型無人機航線控制系統(tǒng)應用模塊；通過UI層實現(xiàn)各個應用模塊的集成應用，為地質(zhì)災害調(diào)查用戶提供微型無人機航線控制服務。

圖2 系統(tǒng)總體架構Fig.2 Diagram of the system framework

(1)支撐層

微型無人機航線控制系統(tǒng)支撐層主要包括無人機飛行器、遙控器、移動設備等硬件支撐設備。

(2)通信層

微型無人機航線控制系統(tǒng)通信層主要包括無人機飛行器、遙控器、移動設備、服務器之間的相互通信方式。其中，移動設備與遙控器通過USB通信協(xié)議連接，遙控器與飛行器通過無線電通信連接，移動設備與服務器通過網(wǎng)絡通信連接。通過多種通信方式，實現(xiàn)了地質(zhì)災害數(shù)據(jù)在多平臺之間的傳輸。

(3)數(shù)據(jù)層

無人機地質(zhì)災害調(diào)查數(shù)據(jù)庫面向地質(zhì)災害調(diào)查業(yè)務應用的建設需求，構建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲、管理、應用和服務平臺，兼容多源、多尺度海量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各類地質(zhì)災害調(diào)查業(yè)務數(shù)據(jù)的一體化存儲、管理和服務。

(4)應用層

業(yè)務應用層構建于無人機地質(zhì)災害調(diào)查數(shù)據(jù)庫之上，提供面向地質(zhì)災害調(diào)查業(yè)務應用、管理的一體化信息服務。業(yè)務應用主要功能包括：起飛條件檢查功能、飛行任務管理功能、航線規(guī)劃功能、任務模式功能、智能續(xù)飛功能、圖像快拼功能以及離線地圖功能等。

(5)UI層

UI層通過數(shù)據(jù)集成、業(yè)務集成和成果集成，實現(xiàn)各個應用模塊的集成應用，為用戶提供微型無人機航線控制服務。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)

微型無人機航線控制系統(tǒng)以手機或者平板電腦為終端，以Android Studio2.1.2和JDK1.8.0為開發(fā)平臺，使用SQLite和MongoDB數(shù)據(jù)庫，Java語言進行開發(fā)，運行環(huán)境Android4.4以上。

圖3 系統(tǒng)界面設計圖Fig.3 Design of the system interface

2.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.3.1起飛條件檢查

全面自動檢查無人機起飛條件，包括無人機與地面站(即微型無人機航線控制系統(tǒng))連接是否正常、無人機電量是否充足(不低于30%)、GPS衛(wèi)星數(shù)是否足夠(衛(wèi)星數(shù)不小于6)、內(nèi)存卡是否正常插入、航線是否繪制、設備是否已激活，只有當起飛條件都滿足時，才能一鍵起飛并執(zhí)行后續(xù)的任務。

圖4 起飛檢查界面Fig.4 Interface of take-off check

2.3.2飛行任務管理

飛行任務管理分為已完成任務管理和未完成任務管理兩類。已完成任務指已經(jīng)完成的飛行任務；未完成任務指已規(guī)劃完航線，但尚未進行飛行的任務。用戶可以進行飛行任務查看、命名、刪除以及數(shù)據(jù)下載和上傳等操作。數(shù)據(jù)下載指的是自動從無人機端下載無人機影像數(shù)據(jù)到手機端或平板電腦端，數(shù)據(jù)上傳指的是自動將已下載的無人機影像數(shù)據(jù)上傳到后方無人機數(shù)據(jù)處理平臺。

2.3.3航線規(guī)劃

航線規(guī)劃主要指設置航線參數(shù)，包括飛行高度、飛行速度(分為高、中、低三檔)、旁向(航向)重疊率(分為高、中、低三檔)、航線框類型等。在地理底圖上通過手勢拉框圈定范圍，通過飛行高度、數(shù)據(jù)重疊率、飛行區(qū)域、飛行速度等參數(shù)，自動計算生成無人機飛行航線及拍攝點(航線上灰色點即為拍攝點)。

圖5 航線規(guī)劃界面Fig.5 Route planning interface

參數(shù)可選范圍飛行速度低(1 m/s)、中(5 m/s)、高(10 m/s)旁向重疊率橫向:低(75%)、中(85%)、高(95%)航向重疊率縱向:低(60%)、中(70%)、高(80%)區(qū)域框矩形、圓形、自定義、橫線、折線

2.3.4任務模式

根據(jù)《滑坡崩塌泥石流災害調(diào)查規(guī)范(1∶50 000)》，滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災害點需調(diào)查其分布范圍、規(guī)模、結構特征等。針對此要求，開發(fā)了任務模式。任務模式是本系統(tǒng)的核心功能，通過算法控制無人機自動旋轉(zhuǎn)機身以及自動調(diào)節(jié)鏡頭角度，實現(xiàn)單個鏡頭模擬多鏡頭傾斜相機拍攝效果，準確獲取地質(zhì)災害及其發(fā)育環(huán)境要素信息，后期計算并生成地質(zhì)災害三維模型，從而確定滑坡、崩塌、泥石流和不穩(wěn)定斜坡的類型、規(guī)模及空間分布特征。任務模式共開發(fā)了4種適用于地質(zhì)災害調(diào)查的數(shù)據(jù)采集方法：傾斜模式、正視模式、快速正射模式和全景模式。

傾斜模式適合坡度小于45°的斜坡，鏡頭垂直于水平面，通過旋轉(zhuǎn)機身及照相機鏡頭角度，每個拍攝點從1個垂直、2個傾斜3個角度拍攝3張照片:首先鏡頭垂直向下拍攝1張;接著機身順時針旋轉(zhuǎn)90°，鏡頭上仰45°拍攝1張;保持仰角不變，機身繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)180°拍攝1張。

正視模式適合坡度大于45°的陡坡，鏡頭平行于水平面，通過旋轉(zhuǎn)機身及照相機鏡頭角度，每個拍攝點也從3個角度拍攝3張照片:首先鏡頭水平正對拍攝地物拍攝1張;然后機身逆時針旋轉(zhuǎn)45°拍攝1張；再順時針旋轉(zhuǎn)90°拍攝1張。

快速正射模式適用于地質(zhì)災害應急調(diào)查，通過控制相機的曝光時間，鏡頭垂直于水平面定時拍照，實現(xiàn)無人機在執(zhí)行航線飛行過程中不懸停拍照，極大縮短了調(diào)查時間。

全景模式適合地質(zhì)災害點周圍概況調(diào)查，飛機飛到指定點上空，鏡頭分別呈水平方向、斜向下與水平面夾角35°、斜向下與水平面夾角70°，機身旋轉(zhuǎn)360°，轉(zhuǎn)3圈，每45°拍攝1張，最后鏡頭垂直向下拍攝1張，共拍照25張。

如遇陡緩結合型，比如后緣殘留危巖體與前緣崩滑(塌)堆積體構成的災害體，聯(lián)合正視模式、快速正射模式兩種模式進行拍攝，陡崖部分使用正視模式拍攝，斜坡崩塌堆積體使用傾斜模式拍攝,拍攝完成后進行聯(lián)合建模(圖6)。

圖6 不同地形任務模式示例Fig.6 Examples of different terrain mission modes

2.3.5智能續(xù)飛

針對微型無人機供電電池容量小、飛行時間短的問題，微型無人機航線控制系統(tǒng)提供智能續(xù)飛功能：后一架次的起點自動設為航線未完成部分的第一個點，依此類推，從而滿足較大區(qū)域連續(xù)拍攝需求。

2.3.6圖像快拼

當任務模式為快速正射模式時，數(shù)據(jù)采集任務完成后，APP端通過遙控器與無人機連接全自動下載該任務所有拍攝照片，并對下載照片進行自動拼接，快速獲得現(xiàn)場正射影像圖。

圖7 圖像快拼示意圖Fig.7 Diagram of image quick spelling

2.3.7離線地圖

離線地圖下載可以框選所需調(diào)查區(qū)域進行地圖下載，分為正在下載和已完成兩類，可實時顯示下載進度。用戶可對地圖下載任務進行暫停、繼續(xù)、刪除、查看等操作。

3 研究區(qū)試驗

3.1 試驗對象

試驗對象選擇伊寧縣喀拉亞尕奇鄉(xiāng)潘津村皮里青河3號滑坡。實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)該點位于皮里青河主溝右岸斜坡，屬山前黃土丘陵，坡體裸露，植被覆蓋率低其剖面形態(tài)呈凹形，平面呈不規(guī)則，坡度約40°。斜坡地表出露第四系風積黃土(Qeol)，土體內(nèi)部垂直節(jié)理裂隙較發(fā)育，下伏石炭系伊什基里克組砂礫巖(C2y)。斜坡坡腳為河流階地，主河道距離坡址約55 m?；禄瑒拥貙訛辄S土，滑體厚約12 m，滑動后在坡腳堆積。

3.2 試驗方案

本試驗使用大疆公司的精3專業(yè)版(Phantom-3-Pro)無人機，其具有重量輕、成本低、靈活、便攜、快速等優(yōu)勢。實地踏勘該滑坡后，認為該滑坡地形使用傾斜攝影任務模式較為適合，規(guī)劃航線后，使用續(xù)飛功能飛行2個架次，完成該滑坡無人機調(diào)查，共取得照片84張，設置飛行高度260 m，飛行速度高，旁向重疊率中，航向重疊率中。

3.3 試驗結果

飛行獲得的數(shù)據(jù)通過上傳自主研發(fā)的iFlyCloud無人機三維數(shù)據(jù)處理云平臺(http://fly.cigem.cn)，生成正射影像圖、三維模型以及數(shù)字表面模型等一系列數(shù)據(jù)產(chǎn)品。從生成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量可以看出，微型無人機航線控制系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)采集方法完全可行。

圖8為制作生成的皮里青河3號滑坡三維模型，從圖中可以明顯劃分滑坡的滑源區(qū)、滑動區(qū)、灑落區(qū)以及堆積區(qū)，同時可通過高程變化判別出滑坡的滑動方向。通過自主開發(fā)iFlyCloudViewer三維模型瀏覽軟件可快速測量出整個滑坡的寬度67 m，長度340 m，面積2.2×104m2，體積117.8×104m3，坡度為40°。滑坡堆積體延伸至主河道中間，前緣被河流沖刷侵蝕形成深約5.2 m的陡坎?；潞缶壙梢娒黠@的陡坎和拉張裂縫，陡坎高2～3 m，大型拉張裂縫約有4條，最長的達到65 m。滑坡堆積體松散，后緣陡坎形成新的臨空面，在降雨、冰雪融水，河流沖刷等作用下，易發(fā)生局部滑動，滑坡范圍將向山頂進一步擴展。

圖8 三維立體解譯(攝于2017年7月19日)Fig.8 3-D interpretation(taken on July 19, 2017)

4 結論

目前，微型無人機的硬件技術已經(jīng)成熟，但缺乏自動控制微型無人機對地質(zhì)災害調(diào)查進行數(shù)據(jù)采集的航線控制系統(tǒng)軟件。本項目基于Android系統(tǒng)設計了適用于地質(zhì)災害野外調(diào)查微型無人機航線控制系統(tǒng)，以微型無人機為調(diào)查工具，實現(xiàn)了地質(zhì)災害野外數(shù)據(jù)采集流程全自動化，極大降低了地質(zhì)災害調(diào)查人員的工作強度，提高了地質(zhì)災害調(diào)查數(shù)據(jù)采集的效率。

此系統(tǒng)能夠廣泛運用于地質(zhì)災害日常調(diào)查以及突發(fā)性地質(zhì)災害的應急調(diào)查中，特別是4種無人機遙感數(shù)據(jù)采集任務模式能夠快速科學規(guī)劃航線以適應斜坡、陡坡、陡緩結合型等不同地形需求，采集獲取地質(zhì)災害及其發(fā)育環(huán)境要素遙感影像數(shù)據(jù)。通過三維建模軟件平臺計算，生成二、三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在產(chǎn)品的基礎上，通過遙感信息提取技術與地質(zhì)災害分析相結合，提供研究地質(zhì)災害調(diào)查點的基礎數(shù)據(jù)，對提高地質(zhì)災害調(diào)查的精度有著重要意義。

致謝：武漢地大信息工程有限公司提供了相關材料和技術實現(xiàn)，在此表示感謝！