淺談無(wú)人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中的應(yīng)用

張翊超　于淼　韓建超

摘 要：通過(guò)對(duì)北京市懷柔區(qū)四渡河滑坡點(diǎn)及密云區(qū)大石地崩塌點(diǎn)的應(yīng)用模擬試驗(yàn)，分析了多旋翼無(wú)人機(jī)在地 質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中的使用方法和無(wú)人機(jī)建模軟件基本功能及其相關(guān)使用技巧，并探討如何利用現(xiàn)有軟件中的相關(guān)功能對(duì)無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)及其三維模型進(jìn)行案例分析，為無(wú)人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中的應(yīng)用提供實(shí)際案例，以期為無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)更多的軟件和功能將其更充分的利用到地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查或地質(zhì)災(zāi)害常規(guī)調(diào)查中，也為無(wú)人機(jī)地災(zāi)調(diào)查應(yīng)用體系的建立提供更多的素材。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)災(zāi)害;無(wú)人機(jī);崩塌;滑坡;三維模型

中圖分類號(hào)：P5;P231? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1007-1903（2019）04-0096-04

Abstract： Through the application simulation test of Siduhe landslide point in Huanrou District and Dashidi collapse point in Miyun District， Beijing， this paper analyzes the application method of multi-rotor UAV （unmanned aerial vehicle） in emergency investigation of geological disasters， the basic function of UAV modeling software and related application skills. In order to provide practical cases for the application of UAV in emergency investigation of geological disasters， this paper also discusses how to use relevant functions in existing software to analyze UAV image data and its 3D model. We expect to provide more materials to develop more software and functions， to make full use of geological disaster emergency investigation or traditional geological disaster investigation， and to enrich the application system of UAV for ground disaster investigation.

Keywords： Geological disaster; UAV; Collapse; Landslide; 3D model

0 引言

應(yīng)急調(diào)查是地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置的首要和基礎(chǔ)環(huán)節(jié)（劉傳正，2006），其通過(guò)快速查明地質(zhì)災(zāi)害體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件為地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置提供科學(xué)依據(jù)，因此在有限的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確了解到地質(zhì)體的狀態(tài)是應(yīng)急調(diào)查的第一要?jiǎng)?wù)，而數(shù)碼攝影技術(shù)一直是應(yīng)急調(diào)查的重要手段。近年來(lái)，數(shù)碼攝影發(fā)展迅速，從最早的百萬(wàn)像素的單反數(shù)碼相機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在的微型千萬(wàn)像素?cái)?shù)碼相機(jī)，設(shè)備向微型、高清發(fā)展，目前已完全實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)的機(jī)載需求。無(wú)人機(jī)憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、風(fēng)險(xiǎn)小、靈活機(jī)動(dòng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)（李德仁等，2014），在災(zāi)害發(fā)生前或發(fā)生后完全可以在應(yīng)急調(diào)查中隨車、隨身攜帶，迅速到達(dá)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)。目前國(guó)內(nèi)較為前沿的無(wú)人機(jī)折疊后僅比手掌稍大，可飛行距離達(dá)到了5km，并可提供飛行實(shí)時(shí)高清影像。無(wú)人機(jī)在地質(zhì)行業(yè)尤其是地質(zhì)災(zāi)害方向的應(yīng)用已有很大進(jìn)展，并形成了很多成功案例，但由于缺乏系統(tǒng)總結(jié)，無(wú)人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中的應(yīng)用還處在探討階段。本文利用已知案例分析無(wú)人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中應(yīng)用方法并探討建立無(wú)人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中的應(yīng)用體系。

1 無(wú)人機(jī)的分類及其在調(diào)查中的應(yīng)用方式

無(wú)人機(jī)經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)更新，分為固定翼、直升機(jī)、多旋翼以及垂直起降等類型，其中多旋翼無(wú)人機(jī)具有穩(wěn)定度高，體積小、易攜帶，起飛降落點(diǎn)對(duì)環(huán)境要求較低等特點(diǎn)。

多旋翼無(wú)人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中通過(guò)進(jìn)行低空近距離調(diào)查拍攝，掃面拍攝建立三維點(diǎn)云模型等工作對(duì)難以靠近的災(zāi)害隱患位置進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)，并可在短時(shí)間內(nèi)完成小范圍點(diǎn)云模型的建立。2019年北京市的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)共計(jì)5037個(gè)，小型隱患4920個(gè)，中大型117個(gè)，特點(diǎn)是分布廣，易發(fā)性高、災(zāi)害規(guī)模小。部分災(zāi)害點(diǎn)坡度陡，植被少，人員較難攀爬，調(diào)查難度較大，多旋翼無(wú)人機(jī)在北京的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中應(yīng)得到充分的利用。

目前北京市內(nèi)的山體大部分植被茂密，如拍攝距離過(guò)高，地表植被等因素對(duì)所成影像干擾較大。所以在無(wú)人機(jī)飛行時(shí)要求無(wú)人機(jī)駕駛員具有較高操作能力，可駕駛無(wú)人機(jī)對(duì)干擾元素進(jìn)行適當(dāng)規(guī)避，并對(duì)所需地表災(zāi)害特征進(jìn)行拍攝，所拍攝特征照片應(yīng)既有災(zāi)害點(diǎn)特征位置的局部特寫(xiě)，還要在較高角度對(duì)災(zāi)害體周邊的地物進(jìn)行較為整體全面的拍攝。

在突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中，無(wú)人機(jī)應(yīng)起到在先行者的功能，首先根據(jù)需要通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)災(zāi)害體以及地面受災(zāi)范圍進(jìn)行拍照并根據(jù)地物對(duì)比進(jìn)行損失調(diào)查及估算。而后應(yīng)對(duì)災(zāi)害發(fā)生部位進(jìn)行近距離拍攝及直接觀察，并進(jìn)行評(píng)估，確定是否仍有發(fā)生二次災(zāi)害的隱患（圖1）。（劉傳正，2017）

2 無(wú)人機(jī)應(yīng)急調(diào)查方法

在突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中無(wú)人機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)是視角高，自由度高，所獲取影像清晰度高，在滑坡、泥石流、崩塌3種類型的地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急調(diào)查中應(yīng)用不同的方法進(jìn)行調(diào)查分析。

無(wú)人機(jī)對(duì)于小型滑坡、崩塌這兩種地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)前調(diào)查和災(zāi)后評(píng)估有較大的適用性，尤其適合北方地區(qū)干旱少雨的氣候，小型崩塌常見(jiàn)，且部分位于較陡峭的巖壁難于實(shí)地調(diào)查。在發(fā)生巖體蠕變的前期，應(yīng)先進(jìn)行無(wú)人機(jī)調(diào)查，對(duì)災(zāi)害體有預(yù)先的估計(jì)，以制定臨時(shí)避險(xiǎn)措施。在災(zāi)害發(fā)生后無(wú)人機(jī)也可做先期的調(diào)查，以減少二次災(zāi)害對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的威脅。

對(duì)于大型滑坡、泥石流等覆蓋面積較大的地質(zhì)災(zāi)害無(wú)人機(jī)的應(yīng)急調(diào)查主要體現(xiàn)在對(duì)人員、財(cái)產(chǎn)損失的發(fā)現(xiàn)和計(jì)算，可利用飛行的高視角幫助受困群群眾尋找臨時(shí)避險(xiǎn)場(chǎng)地，可以用較快速度對(duì)災(zāi)害體進(jìn)行建模，分析災(zāi)害成因，避免二次災(zāi)害的發(fā)生。

3 無(wú)人機(jī)使用限制及注意事項(xiàng)

通過(guò)調(diào)研和實(shí)踐，本文認(rèn)為無(wú)人機(jī)使用限制及注意事項(xiàng)主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地大部分都遠(yuǎn)離機(jī)場(chǎng)，但進(jìn)行飛行前應(yīng)參考當(dāng)?shù)氐貓D或者遙感圖像，確認(rèn)最近飛機(jī)場(chǎng)的距離，保證安全距離。

（2）對(duì)地質(zhì)災(zāi)害特征的拍攝大多不需要距地面120m以上的飛行高度，距地面120m以下是目前國(guó)內(nèi)通用航空對(duì)無(wú)人機(jī)視距內(nèi)駕駛公認(rèn)的較為安全的飛行高度，所以應(yīng)盡量保持飛行器在較低空飛行。

（3）對(duì)發(fā)生在峽谷中的地質(zhì)災(zāi)害，或發(fā)生地點(diǎn)存在對(duì)飛行設(shè)備的通信、GPS信號(hào)產(chǎn)生影響的干擾源，應(yīng)在飛行前下載衛(wèi)星圖像，并保證起飛位置的GPS信號(hào)強(qiáng)度。

4 無(wú)人機(jī)的應(yīng)用實(shí)例

在一般的突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中攜帶的無(wú)人機(jī)應(yīng)以便攜易用、續(xù)航時(shí)間、拍攝效果作為選擇的重要依據(jù)（馬娟等，2019），目前市面上可選擇的無(wú)人機(jī)種類較多，大疆公司的精靈及御系列有成本低、飛行安全系數(shù)高、易用性高等特點(diǎn)，可在大部分條件下正常起飛。目前較為前沿的設(shè)備型號(hào)是精靈系列的PHANTOM 4 PRO RTK以及御 Mavic Pro 2系列。二者皆可進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)30分鐘，范圍5km內(nèi)，高度500m的飛行，并對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行4k（3840×2160）30p/s的視頻拍攝或者拍攝5472×3648的靜態(tài)圖像。御系列的特點(diǎn)是更為便攜，可以作為隨身設(shè)備使用;精靈系列的RTK版本是一款針對(duì)測(cè)繪研發(fā)的無(wú)人機(jī)，所以可在三維建模時(shí)生產(chǎn)更高的精度的模型。

4.1 四渡河滑坡

2019年7月筆者對(duì)懷柔四渡河已知滑坡點(diǎn)進(jìn)行航拍調(diào)查，該滑坡為一小型巖質(zhì)滑坡，整體呈等腰三角形，該滑坡被巖石節(jié)理裂隙切割，下部可見(jiàn)兩個(gè)小型次級(jí)滑坡，且滑坡表層第四紀(jì)地層在圖像中可明顯觀測(cè)到滑坡后緣裂縫，以及滑坡形態(tài)。相對(duì)于傳統(tǒng)調(diào)查，可更好的判斷災(zāi)害體類型。根據(jù)無(wú)人機(jī)所拍攝圖像可確定該滑坡向?yàn)橐恍⌒蛶r質(zhì)滑坡，坡向45°。滑坡體兩翼為兩條張性裂縫（圖2），走向分別為240°、300°根據(jù)自然物尺寸（樹(shù)木底冠約2m）可量算該滑坡前緣長(zhǎng)120m;兩翼各長(zhǎng)100m，寬約0.4～0.8m，深約2～3m。并在滑坡體下部形成兩個(gè)小型次級(jí)滑坡體。滑坡體滑動(dòng)之后前緣與地面以及所修建的漿砌石擋墻形成新的穩(wěn)態(tài)，所以推測(cè)該滑坡目前較為穩(wěn)定，危險(xiǎn)性較小。

4.2 大石地崩塌隱患體

密云石城鎮(zhèn)四合堂村大石地崩塌隱患為巖質(zhì)高陡邊坡，坡高約60～70m，坡向140°～200°，坡度約60°～80°，人員攀登難度較大，且不能全面的掌握所有崩塌隱患體的特征，初期調(diào)查應(yīng)用了三維激光掃描技術(shù)，采用專項(xiàng)地質(zhì)調(diào)查、水工環(huán)調(diào)查等手段對(duì)崩塌體進(jìn)行研究，其結(jié)果并不能完全反應(yīng)崩塌體特征及地貌。應(yīng)用無(wú)人機(jī)對(duì)崩塌隱患區(qū)域隱患點(diǎn)或?yàn)?zāi)害點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查之后可對(duì)目標(biāo)及受影響對(duì)象進(jìn)行航線拍攝，應(yīng)用Dpgrid、pix4d等軟件進(jìn)行三維建模。建立點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)三維建模可確定災(zāi)害體影響范圍及研判災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)，并可根據(jù)三維建模點(diǎn)云較為準(zhǔn)確的對(duì)一些所需信息進(jìn)行采集與計(jì)算（圖3）。

目前，應(yīng)用pix4d和Dpgrid兩款軟件均可對(duì)目標(biāo)地區(qū)進(jìn)行航拍建模，pix4d軟件由瑞典pix4d公司基于EPFL（瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院） 計(jì)算機(jī)視覺(jué)實(shí)驗(yàn)室多年研究成果開(kāi)發(fā)，較為易用，操作簡(jiǎn)便，但對(duì)于成果的輸出較為封閉。且支持應(yīng)用較少。Dpgrid軟件由國(guó)內(nèi)武漢大學(xué)研制，功能較多，但操作較為繁瑣。

5 結(jié)論及展望

（1）無(wú)人機(jī)作為一種新的工具在地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查以及應(yīng)急方面前景廣闊，目前在測(cè)量方面應(yīng)用較多，后期軟件針對(duì)性較差，目前僅能應(yīng)用測(cè)量系統(tǒng)的相關(guān)軟件進(jìn)行拓展使用。

（2）根據(jù)目前的成果，可以預(yù)期通過(guò)遙感信息提取技術(shù)與地質(zhì)災(zāi)害分析相結(jié)合，開(kāi)發(fā)新的無(wú)人機(jī)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查軟件，加強(qiáng)時(shí)效性以及縮小誤差，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的工作具有重要意義。

（3）無(wú)人機(jī)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查受植被影響較大，是目前急需解決的問(wèn)題之一，通過(guò)被動(dòng)光源的應(yīng)用能夠?qū)Σ糠值刭|(zhì)體形態(tài)特征進(jìn)行建模，但被植被覆蓋的地表信息，很難獲得數(shù)據(jù)，對(duì)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用有很大影響。

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