基于無人機(jī)對(duì)高陡邊坡危巖體裂縫形狀高空測(cè)量的方法實(shí)驗(yàn)分析與探討

摘 要：無人機(jī)以其快速靈活、視角廣闊等特點(diǎn)，在地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)工作中的用途日益顯露。其影像的應(yīng)用方式，是在實(shí)際工作中遇到的一個(gè)重要問題。本文選用目前較為常用的大疆DJI PHANTOM 4 PRO V2.0無人機(jī)及華為M3（BTV-DL09）為實(shí)驗(yàn)儀器，對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集矯正，并得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)災(zāi)害;無人機(jī);實(shí)時(shí)測(cè)量;成像方式

Abstract： Nowadays unmanned aerial vehicle （UAV） plays an important role in geological disaster monitoring and early warning due to its fast speed， convenient operation and broad perspective. However， in practice， how to use UAV data becomes another important problem. This paper takes the Dajiang PHANTOM 4 PRO V2.0 UAV and Huawei M3 （BTV- DL09） UAV as the main research objects. In this paper， the corresponding data have been collected and corrected， and corresponding data model has been obtained.

Keywords： Geological disasters; UAV; Real-time measurement; Imaging method

0 引言

目前無人機(jī)憑借其高位視角，經(jīng)常應(yīng)用在高陡邊坡的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中。在第一現(xiàn)場(chǎng)，可高效采集大量的災(zāi)害體、隱患體影像。后期利用自然地物，可大致分析估算受災(zāi)體的數(shù)學(xué)信息。但是在突發(fā)地災(zāi)應(yīng)急工作中，經(jīng)常需要實(shí)時(shí)對(duì)高陡邊坡的隱患體進(jìn)行分析，量測(cè)其裂縫的二維數(shù)據(jù)。但是，僅通過無人機(jī)的高空照片或者遠(yuǎn)距離觀測(cè)，無法將所需要的信息進(jìn)行量化。所以，無人機(jī)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)量化，還需要深入細(xì)致的研究。

隨著科技的進(jìn)步，無人機(jī)的操作由繁至簡，飛行的時(shí)間由短變長，但為了能有更可靠的飛行姿態(tài)、更長的飛行時(shí)間，更清晰的拍攝圖像，無人機(jī)的硬件配置、軟件開發(fā)多向飛控（飛行控制系統(tǒng)）、電池及光電傳感器（CMOS）方向傾斜。目前，實(shí)時(shí)利用無人機(jī)影像進(jìn)行快速反應(yīng)處理尚處于探索階段。

本次試驗(yàn)利用無人機(jī)及其實(shí)時(shí)圖傳系統(tǒng)對(duì)野外高陡邊坡等難以人工接近的目標(biāo)進(jìn)行拍攝獲取實(shí)時(shí)影像，快速確定目標(biāo)的二維信息;經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算，可得出目標(biāo)體的三維特征將數(shù)據(jù)用于對(duì)地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情的研判預(yù)測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)利用大疆DJI PHANTOM 4 PRO V2.0無人機(jī)，華為M3（BTV-DL09）平板電腦為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中大疆無人機(jī)為四旋翼多軸無人機(jī)，最大飛行高度0.5km，最遠(yuǎn)飛行距離5km，飛行時(shí)長30min。無人機(jī)配備1英寸的CMOS影像傳感器，有效像素2000萬，可實(shí)時(shí)進(jìn)行1080p的影像傳輸。擁有前視視覺系統(tǒng)、下視視覺系統(tǒng)，利用GPS可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位懸停。華為M3平板電腦配備8.4英寸屏幕，分辨率為2560×1600像素。

（2）實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)利用北京市地質(zhì)研究所北京突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)站室外場(chǎng)地進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)通過無人機(jī)實(shí)時(shí)顯示的圖傳畫面，測(cè)量目標(biāo)的長度及寬度。因不同型號(hào)的無人機(jī)所匹配的鏡頭不同，不同平板電腦的屏幕大小及分辨率不同，故本實(shí)驗(yàn)所得公式如在實(shí)際應(yīng)用時(shí)更換使用設(shè)備，需要提前對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行測(cè)試調(diào)整。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

實(shí)驗(yàn)基于大疆無人機(jī)目前所匹配的前視視覺系統(tǒng)、下視視覺系統(tǒng)、實(shí)時(shí)圖傳系統(tǒng)進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)利用無人機(jī)自帶的前視視覺系統(tǒng)、下視視覺系統(tǒng)進(jìn)行距離量測(cè)。根據(jù)所量測(cè)的距離，通過實(shí)時(shí)圖傳系統(tǒng)和在平板電腦屏幕上所顯示的目標(biāo)物，利用直尺對(duì)屏幕圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)量測(cè)，并與目標(biāo)實(shí)際距離進(jìn)行對(duì)比分析，得到成像關(guān)系公式。在今后的測(cè)量工作中，可利用這一成像關(guān)系公式，將平板電腦屏幕中顯示的圖像長度信息轉(zhuǎn)換為實(shí)際長度數(shù)據(jù)（圖1）。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）無人機(jī)視覺傳感器測(cè)距精度實(shí)驗(yàn)

因?yàn)榇_定大疆無人機(jī)與目標(biāo)的距離為實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。需保證大疆無人機(jī)視覺傳感器測(cè)量距離的可用性與可靠性。精度校準(zhǔn)過程中，共進(jìn)行了3～10m距離的多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)記錄見圖2和表1。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，測(cè)距誤差在±0.3m，對(duì)后期距離量測(cè)有一定影響，但誤差在預(yù)期范圍內(nèi)。

（2）目標(biāo)長度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

利用無人機(jī)定焦鏡頭進(jìn)行目標(biāo)長度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，為方便后期對(duì)比，進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，一組為無人機(jī)距目標(biāo)5m測(cè)試，另一組為距目標(biāo)10m測(cè)試（因場(chǎng)地限制目標(biāo)實(shí)際距離7m及10m實(shí)驗(yàn)在其他場(chǎng)地進(jìn)行）。實(shí)驗(yàn)圖片及記錄見圖3、圖4和表2。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

高陡邊坡的隱患體大部分為堅(jiān)硬巖石，受植被遮擋較情況較少，易獲得直觀影像，測(cè)距干擾小，應(yīng)用本實(shí)驗(yàn)所得公式有較好的效果?？筛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)所獲得影像量測(cè)數(shù)據(jù)代入公式進(jìn)行演算，所得結(jié)果即為實(shí)際數(shù)據(jù)。并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的災(zāi)害預(yù)警、評(píng)估等工作。

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用大疆DJI PHANTOM 4 PRO V2.0無人機(jī)及華為M3（BTV-DL09）平板電腦得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合預(yù)期，為保證后期使用的便利性將所得結(jié)果進(jìn)行整合。根據(jù)表3，將目標(biāo)與無人機(jī)的距離設(shè)為α，目標(biāo)的實(shí)際長度設(shè)為β，目標(biāo)在所用平板電腦中顯示的距離設(shè)為γ，μ為調(diào)整參數(shù)，可獲得成像公式：

β=μ·α·γ

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)所使用設(shè)備的μ值應(yīng)取10。

實(shí)驗(yàn)所獲得的成像公式目前還有較多的限制，限定了使用設(shè)備，如設(shè)備不同，應(yīng)按實(shí)驗(yàn)方法提前進(jìn)行測(cè)試并對(duì)參數(shù)μ進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

（2）實(shí)驗(yàn)誤差分析

利用本方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行量測(cè)，誤差主要存在于視覺傳感器測(cè)距精度以及公式的系統(tǒng)當(dāng)中。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，誤差可控制在±0.5m以內(nèi)。基本滿足應(yīng)急調(diào)查的需要。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用分析

利用本實(shí)驗(yàn)方法，可對(duì)野外立面的災(zāi)害體特征進(jìn)行快速的測(cè)量，并得到一個(gè)相對(duì)精確的數(shù)量化結(jié)果，目前的無人機(jī)應(yīng)用方式大部分是先建模后分析（李德仁，2014;張翊超，2019），所得到的的數(shù)據(jù)時(shí)效性較差。本方法得到的結(jié)果，雖然有一定的誤差，但較為直觀，且不需要經(jīng)過二次處理，適合小型坡面型地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用。

在汛期，北京山區(qū)的小型崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較多，利用本方法可快速確定目標(biāo)的二維信息;經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算，也可得出目標(biāo)體的三維特征。在汛期可快速進(jìn)行應(yīng)用，發(fā)揮出無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)運(yùn)用無人機(jī)所配備影像傳感器和匹配的平板電腦組合，在0～10m范圍內(nèi)，可較為準(zhǔn)確的測(cè)量無人機(jī)與目標(biāo)的距離。利用此方法，可快速實(shí)時(shí)測(cè)量1000m3以內(nèi)隱患體的大小和高陡邊坡隱患體裂縫的二維信息。得到了現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上的成像公式，β=μ·α·γ。該方法解決了在野外對(duì)高陡邊坡等近距離測(cè)量的基礎(chǔ)問題。根據(jù)實(shí)驗(yàn)思路，還可以利用高度計(jì)對(duì)無人機(jī)下方目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，但誤差較大，本次不做探討。

參考文獻(xiàn)：

馬娟， 張鳴之， 韓冰， 等， 2019.地質(zhì)災(zāi)害無人機(jī)調(diào)查數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)建設(shè)[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)， 30（1）：100-105.

李德仁， 李明， 2014. 無人機(jī)遙感系統(tǒng)的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版）， 39（5）：503-513，540.

張翊超， 于淼， 韓建超， 2019.淺談無人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中的應(yīng)用：以四渡河滑坡、大石地崩塌調(diào)查為例[J].城市地質(zhì)，14（4）：96-99.