無(wú)人機(jī)遙感在高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

胡才源 章廣成 李小玲

摘要：高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害的傳統(tǒng)調(diào)查手段可能危及作業(yè)人員的人身安全，且存在強(qiáng)度大、成本高、效率低、數(shù)據(jù)不精確等缺點(diǎn)。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)當(dāng)前在國(guó)內(nèi)多領(lǐng)域正處于探索和發(fā)展階段?；跓o(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，對(duì)貴州油杉河景區(qū)的仙宇屯高位崩塌單體進(jìn)行了研究，通過(guò)圖像拼接和幾何校正，實(shí)現(xiàn)了精度0.487m的DOM和實(shí)景三維立體模型，并對(duì)航拍成果的精度進(jìn)行了檢驗(yàn)與分析。結(jié)果表明，該技術(shù)方法獲取的影像數(shù)據(jù)在今后崩塌地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中具有非常大的發(fā)展空間和研究意義。

關(guān)?鍵?詞：高位崩塌; 地質(zhì)災(zāi)害; 無(wú)人機(jī)遙感; 實(shí)景三維模型

中圖法分類號(hào)： P642?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.025

無(wú)人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）是一種有動(dòng)力、可控制、能攜帶多種設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)并能重復(fù)使用的無(wú)人駕駛航空器[1-3]。無(wú)人機(jī)遙感（UAV remote sensing， UAVRS）是利用先進(jìn)的無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、通信技術(shù)、POS定位定姿技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，自動(dòng)化、智能化、專業(yè)化地快速獲取國(guó)土、資源、環(huán)境、事件等空間遙感信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、建模和分析的先進(jìn)新興航空遙感技術(shù)解決方案[4-5]。經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)遙感在我國(guó)大面積的工作平臺(tái)上已有大量的成功案例，如地震災(zāi)害救援與災(zāi)情評(píng)估[6]、氣象監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、極地科考、智慧城市、精準(zhǔn)農(nóng)田管理等領(lǐng)域[7-8]的應(yīng)用，卓越突出，效果顯著。

我國(guó)西南地區(qū)地貌形態(tài)多樣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地形切割劇烈，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，且時(shí)常伴有多云多雨多霧的天氣，使得傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量不能獲得理想的影像。而無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)能彌補(bǔ)因云霧遮擋而無(wú)法獲取高清晰、高質(zhì)量數(shù)字影像的不足，是衛(wèi)星遙感與載人飛機(jī)航空遙感的有力補(bǔ)充。無(wú)人機(jī)遙感以其具有快速獲取高分辨率、高精度、高時(shí)效的遙感數(shù)據(jù)影像，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，超低空飛行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)便捷的優(yōu)勢(shì)，成為遙感數(shù)據(jù)獲取的重要工具之一?；谝陨咸攸c(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查、防治和預(yù)測(cè)預(yù)警中發(fā)揮了不可估量的作用。2008年5月12日，四川省汶川縣遭受地震毀滅性的破壞，交通、通訊全部阻斷，臧克[9]等技術(shù)工作組應(yīng)用微型無(wú)人機(jī)遙感對(duì)北川縣城進(jìn)行航拍，為抗震救災(zāi)提供了決策支持;2010年6月28日，貴州省關(guān)嶺縣崗烏鎮(zhèn)因暴雨發(fā)生特大型滑坡碎屑流地質(zhì)災(zāi)害，通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍獲得第一手高清晰影像用于了解災(zāi)情情況和指導(dǎo)應(yīng)急救援[10];2017年8月8日，四川省北部阿壩州九寨溝縣發(fā)生7.0級(jí)地震，成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)基于震前和震后高精度遙感影像，對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行遙感解譯分析，第一時(shí)間揭示了地震災(zāi)害的空間分布及其影像范圍[11];同年8月28日，貴州省納雍縣張家灣鎮(zhèn)普灑社區(qū)大樹(shù)腳組發(fā)生山體崩塌地質(zhì)災(zāi)害，通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍災(zāi)前災(zāi)后影像的對(duì)比，為救援工作節(jié)省了大量時(shí)間。

雖然近幾年無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在大平臺(tái)、大領(lǐng)域的研究應(yīng)用比較廣泛，并獲得了越來(lái)越多的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用（見(jiàn)圖1），但是作為一項(xiàng)新興技術(shù)，利用無(wú)人機(jī)遙感對(duì)某單體地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查，提取各種信息加以研究應(yīng)用的例子少之又少。因此，本文以油杉河景區(qū)為例，基于無(wú)人機(jī)遙感對(duì)仙宇屯高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行勘測(cè)，制作高精度的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM），結(jié)合三維立體模型，量測(cè)更精確的崩塌參數(shù)，為崩塌地質(zhì)災(zāi)害的進(jìn)一步研究與應(yīng)用提供一種可行的技術(shù)方法和實(shí)踐參考。

1?低空無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)主要由飛機(jī)系統(tǒng)、地面系統(tǒng)和后期數(shù)據(jù)處理三大部分組成。其中飛機(jī)系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)平臺(tái)、遙感傳感器系統(tǒng)（如相機(jī)、激光三維掃描儀、紅外掃描儀等）、遙感控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸與解壓縮系統(tǒng);地面系統(tǒng)包括航跡規(guī)劃系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)地面控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)接收解壓縮與實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng);后期數(shù)據(jù)處理包括圖像拼接、幾何校正、信息提取與分析等，提取信息的精度取決于無(wú)人機(jī)搭載的遙感設(shè)備的要求[12-13]。

2?低空無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)的主要工作流程

無(wú)人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)的主要工作流程：起降場(chǎng)地選擇→航跡規(guī)劃→無(wú)人機(jī)遙感影像獲取→影像預(yù)處理→可視化數(shù)字影像（正射影像DOM和數(shù)字高程影像DEM）→數(shù)據(jù)應(yīng)用。

起降場(chǎng)地需根據(jù)地形、障礙物和無(wú)人機(jī)起降形式來(lái)選擇。航跡規(guī)劃應(yīng)根據(jù)任務(wù)要求、控制區(qū)域范圍、重疊度、分辨率等對(duì)待航拍區(qū)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行的路線，并載入無(wú)人機(jī)遙感控制系統(tǒng)，使無(wú)人機(jī)可以根據(jù)預(yù)定航跡進(jìn)行遙感影像數(shù)據(jù)采集工作。無(wú)人機(jī)遙感影像獲取是通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)和遙感傳感器進(jìn)行航空攝影，將采集的遙感影像通過(guò)無(wú)線傳輸通道傳輸?shù)降孛娼邮掌脚_(tái)。影像預(yù)處理是指對(duì)無(wú)人機(jī)攝像由于鏡頭焦距的改變、像主點(diǎn)的偏移和鏡頭光學(xué)畸變等數(shù)碼相機(jī)鏡頭產(chǎn)生非線性畸變進(jìn)行糾正，以及針對(duì)成像時(shí)由于飛行器姿態(tài)變化引起的圖像旋轉(zhuǎn)和投影變形，進(jìn)行影像配準(zhǔn)，以獲得空間地理信息[14]。數(shù)據(jù)應(yīng)用即將所獲取的遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于崩塌精細(xì)地質(zhì)信息的提取，用于指導(dǎo)和實(shí)踐。

3?低空無(wú)人機(jī)遙感的應(yīng)用

3.1?研究區(qū)概況

仙宇屯危巖體位于大方縣境東北部的油杉河景區(qū)內(nèi)（見(jiàn)圖2），地形地貌復(fù)雜，地表結(jié)構(gòu)破碎，山勢(shì)險(xiǎn)峻，屬于典型喀斯特峰叢中槽切谷地形，地處低緯度高海拔區(qū)。景區(qū)海拔多在1 350～1 650 m之間，仙宇屯頂部海拔1 416 m，峽谷最低海拔1 130 m，相對(duì)高差286 m，地理坐標(biāo)為N27°26′14.6″，E105°55′52.7″。景區(qū)內(nèi)植被覆蓋率好，占50%，在危巖體分布立面上，形成間距10～30 m的巖土植被分層。

1.鄉(xiāng)村所在地;2.危巖體位置;3.水系;4.公路;5.縣道;6.國(guó)道;7.高速路?圖2?危巖體位置?Fig.2?Location of the dangerous rock mass

3.2?無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

隨著無(wú)人機(jī)遙感普及，市面上出現(xiàn)了多種多樣的輕小型無(wú)人機(jī)。根據(jù)國(guó)家遙感中心無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)信息庫(kù)統(tǒng)計(jì)分析，輕小型無(wú)人機(jī)基本以電池為驅(qū)動(dòng)力，續(xù)航時(shí)間不超過(guò)1 h，體重日趨輕量化，絕大多數(shù)總重量在30 kg以下（包含遙感載體）。eBee無(wú)人機(jī)是目前比較認(rèn)可的最輕、最容易操作、最安全的全自動(dòng)小型航天器之一。eBee無(wú)人機(jī)是由瑞士傳感器制造商senseFly生產(chǎn)的一款由Epp泡沫復(fù)合材料、碳纖維骨架制成的超輕無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)，機(jī)體十分輕巧，機(jī)翼可拆卸，模塊化規(guī)劃，環(huán)形起飛和著陸，在整個(gè)飛行過(guò)程中全自動(dòng)操作，地面平臺(tái)可視。因此，在此次仙宇屯高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害勘查中，選用eBee無(wú)人機(jī)搭載專業(yè)數(shù)字相機(jī)低空航拍以獲取精度較高的遙感影像數(shù)據(jù)。其中，無(wú)人機(jī)及其搭載的數(shù)字相機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1～2。

航拍區(qū)域?yàn)樯絽^(qū)，地形起伏大，植被茂盛，河谷深切，在距區(qū)域1.5 km處較平坦開(kāi)闊的位置設(shè)定飛行參數(shù)、拍攝參數(shù)以及飛行航線后開(kāi)始工作（見(jiàn)圖3）。野外數(shù)據(jù)采集作業(yè)累計(jì)飛行4個(gè)架次，飛行里程83 km，獲取航拍照片191張，有效覆蓋面積1.35 km2。無(wú)人機(jī)飛行降落后，利用Pix4DMapper軟件對(duì)所拍攝的圖像進(jìn)行全自動(dòng)的處理，包括勻色與坐標(biāo)畸變差改正、自由網(wǎng)平差、空三加密、密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)等，輸出高質(zhì)量、空間參照式的正射影像圖（DOM）和數(shù)字高程模型（見(jiàn)圖4）。

通過(guò)獲取的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS三維建模工具平臺(tái)上建立地表三維立體模型（見(jiàn)圖5）。

3.3?精度評(píng)價(jià)

為了后期數(shù)據(jù)處理能夠順利進(jìn)行，根據(jù)低空數(shù)字航空攝影規(guī)范[15-16]對(duì)飛行質(zhì)量和攝影質(zhì)量的要求，在航線規(guī)劃時(shí)確定了無(wú)人機(jī)航攝重要參數(shù)（見(jiàn)表3）。實(shí)拍中，無(wú)航攝漏拍，航攝影像色彩均勻清晰，無(wú)云層遮擋，色調(diào)正常，反差適中，能滿足勘查要求。

運(yùn)行無(wú)人機(jī)航片處理軟件獲取正射影像圖后，在ArcGIS三維建模工具平臺(tái)上與Google earth校正影像進(jìn)行疊加，疊加效果見(jiàn)圖6。

從圖6中可以看出，東北部、東南部和仙宇屯中部邊界吻合較好，道路疊加效果一般，吻合度達(dá)90%，這是由于Google earth影像的時(shí)間為2015年3月31日，無(wú)人機(jī)影像獲取日期為2016年12月31日，中間間隔時(shí)間較長(zhǎng)，氣候條件的不同，交通道路的快速規(guī)劃，植被覆蓋率的影響，使得兩個(gè)影像的疊加存在一定的差異性，這充分體現(xiàn)了無(wú)人機(jī)遙感具有快速獲取高分辨率、高精度影像的優(yōu)勢(shì)。

3.4?仙宇屯崩塌信息提取與分析

傳統(tǒng)的高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害的勘查手段主要依靠人員進(jìn)行實(shí)地調(diào)查、皮尺量測(cè)，存在工作量大、成本高、效率低、對(duì)作業(yè)人員的安全構(gòu)成威脅等缺點(diǎn)，對(duì)于更加隱蔽的危巖體，且受地形地貌的限制，更是無(wú)法具體量測(cè)，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判讀危巖體的大小、方量，宏觀評(píng)價(jià)危巖體的穩(wěn)定性。而無(wú)人機(jī)所搭載的遙感系統(tǒng)因其體積小、重量輕、地面操作可視化，能避開(kāi)傳統(tǒng)方法所帶來(lái)的種種弊端，因而可獲取更精細(xì)化、準(zhǔn)確化、信息化的影像數(shù)據(jù)。

（1） 定性分析。從圖7俯視圖可以看出，仙宇屯危巖體垂直矗立，三面環(huán)水，整體呈近南北向展布，四壁切割破碎，山勢(shì)險(xiǎn)峻，屬于喀斯特峰叢中槽切谷地形地貌。由工程地質(zhì)剖面圖8可知，仙宇屯危巖體巖性為白云巖夾泥質(zhì)白云巖，呈軟硬互層狀產(chǎn)出，軟弱層較薄。通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查復(fù)核（見(jiàn)圖9），初步判定該危巖體在大氣降雨、氣溫等風(fēng)化營(yíng)力作用下，軟弱夾層變形模量越來(lái)越低，形成貫通的構(gòu)造節(jié)理或風(fēng)化卸荷裂隙，巖體結(jié)構(gòu)面的變形模量也逐漸降低，逐層剝離，在坡面上形成以層面或夾層為底界的突出危巖體，最終發(fā)生傾倒-崩落的失穩(wěn)模式[17-18]。

（2） 定量分析。無(wú)人機(jī)遙感影像生成的三維模型可直接在三維ArcGIS平臺(tái)上立體量測(cè)所需的各種參數(shù)，為崩塌危巖體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供更精確的數(shù)據(jù)。通過(guò)三維模型可直接量測(cè)南面危巖體和西北面危巖體的高程、底部寬、巖體厚度、巖體表面積和方量等崩塌參數(shù)，見(jiàn)表4。這些參數(shù)為定量化研究地質(zhì)災(zāi)害提供了較詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、分析具有重要的指導(dǎo)意義。

4?結(jié)論與存在的問(wèn)題

基于低空無(wú)人機(jī)遙感測(cè)量系統(tǒng)對(duì)油杉河景區(qū)內(nèi)仙宇屯的高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查可知，無(wú)人機(jī)遙感能夠解決傳統(tǒng)高位崩塌地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的各種弊端?；贏rcGIS平臺(tái)構(gòu)建的實(shí)景三維模型可準(zhǔn)確描述所在區(qū)域的微地貌特征，可精確量測(cè)地質(zhì)災(zāi)害體的基本屬性信息，并在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上估算危巖體方量，為定量研究地質(zhì)災(zāi)害提供準(zhǔn)確、詳實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。

盡管無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)已經(jīng)被地質(zhì)災(zāi)害行業(yè)所關(guān)注，但對(duì)于傳統(tǒng)的以野外調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)為主要手段的勘查員來(lái)說(shuō)，掌握無(wú)人機(jī)的飛行技術(shù)、數(shù)據(jù)收集與處理等面臨著諸多挑戰(zhàn)，無(wú)人機(jī)技術(shù)的培訓(xùn)將是普及無(wú)人機(jī)應(yīng)用的重要手段。然而，由于國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)遙感正處于探索和發(fā)展階段，先進(jìn)的遙感設(shè)備成本昂貴，其操作和數(shù)據(jù)處理專業(yè)化能力要求較高，使得無(wú)人機(jī)遙感在地質(zhì)災(zāi)害勘查中并不多見(jiàn)，對(duì)于山勢(shì)險(xiǎn)峻的區(qū)域更是少之又少。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害勘察方面的應(yīng)用還存在技術(shù)門檻較高和法律法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不完善等限制。

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Application of UAV remote sensing in high altitude collapsedgeological hazards investigation

HU Caiyuan??ZHANG Guangcheng2 ，LI Xiaoling1

（1.College of Environmental Monitoring of Guizhou Province， Guiyang 550004， China; 2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Abstract：The traditional investigation method of high-altitude collapse geological hazard has hidden danger to the operator with shortcomings such as high labor intensity， high cost， low efficiency， inaccuracy data. The UAV remote sensing technology is currently used in the exploration and development stage in many fields. Based on this technology， the high-altitude collapse monomer of Xianyutun in the Youshan River scenic area was introduced. Through image stitching and geometric correction， 3D real scene model and DOM of 0.487m precision were realized. The accuracy of aerial photography was tested and analyzed. It is showed that the image data obtained by this technology have great development space and research significance for the investigation of collapse geological hazards in the future.

Key words：?high-altitude collapse; geological disaster; UAV remote sensing; 3D real scene model