無(wú)人機(jī)遙感在高山峽谷區(qū)崩塌地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

李小玲，胡才源，孫全福，吳齊林

（1.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000）

崩塌是高山峽谷地區(qū)普遍發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害之一，在地質(zhì)環(huán)境漸變過(guò)程中，裸露的巖體易被多組結(jié)構(gòu)面切割，形成臨空，在重力、風(fēng)化、根劈等作用下失穩(wěn)，具有隨機(jī)性、突發(fā)性、隱蔽性、危害大等特點(diǎn)。其成因機(jī)制復(fù)雜，一般受地形地貌、巖土體工程地質(zhì)類型、地質(zhì)構(gòu)造條件、水文氣象條件、區(qū)域地殼穩(wěn)定性和人類工程活動(dòng)等多種因素的共同制約[1-2]。在DZ/T 0261-2014《滑坡崩塌泥石流災(zāi)害調(diào)查規(guī)范（1∶50 000）》[3]中提及崩塌災(zāi)害野外調(diào)查應(yīng)采用以實(shí)地量測(cè)為主的調(diào)查方法，這無(wú)疑給地形復(fù)雜、相對(duì)高度和地面坡度均較大的山地地質(zhì)調(diào)查帶來(lái)了極大的難度，給調(diào)查人員的人身安全帶來(lái)了隱患。

無(wú)人機(jī)遙感為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查行業(yè)注入了新鮮血液。無(wú)人機(jī)遙感綜合利用先進(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)、GPS 差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，能自動(dòng)化、智能化、專用化地快速獲取國(guó)土資源、自然環(huán)境等空間遙感信息，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)便捷等優(yōu)勢(shì)[4]，不僅降低了野外近距離作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，而且提高了工作效率，保證了資料的完整性，實(shí)現(xiàn)了成果輸出的可視化，是目前國(guó)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查行業(yè)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)課題之一。李珊珊[5]等運(yùn)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)云南省盈江縣5.8 級(jí)地震災(zāi)區(qū)的房屋倒損情況進(jìn)行了實(shí)物量分析，為災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)評(píng)估建設(shè)提供了借鑒；彭雙麒[6]等通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)制作的納雍普灑村崩塌DSM 模型的堆積物粒徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析得出碎屑流堆積物粒度分布與崩塌運(yùn)動(dòng)特性的重要關(guān)系；田尤[7]等基于空間高分辨率數(shù)字正射影像（DOM）對(duì)甘肅天水麥積區(qū)幅內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了解譯，提出崩塌解譯側(cè)重于災(zāi)害體輪廓、色調(diào)區(qū)分的思路，對(duì)今后崩塌災(zāi)害解譯具有指導(dǎo)意義。

2018 年2 月14 日，受短時(shí)強(qiáng)降雨和凝凍氣候的影響，貴州大方縣法啟村火車站東側(cè)發(fā)生危巖體崩落，導(dǎo)致兩戶村民房屋受損，長(zhǎng)30 m 的被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)部分受損（圖1），所幸無(wú)人員傷亡。經(jīng)初步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該陡坡地質(zhì)環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，崩落危巖體周邊為崩塌群，相對(duì)高度＞500 m，坡面坡度＞70°，其面上垂直節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎，每逢暴雨，時(shí)有塊石掉落，對(duì)坡腳下居民生活安全帶來(lái)了嚴(yán)重威脅，因此對(duì)該崩塌群進(jìn)行施工治理迫在眉睫。為快速開展本次崩塌群地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查，充分考慮無(wú)人機(jī)遙感的機(jī)動(dòng)性、靈活性、高精度等特點(diǎn)，本文通過(guò)工作流程設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)方法控制，獲取了貴州大方縣法啟村火車站東側(cè)崩塌群的遙感影像數(shù)據(jù)；再通過(guò)影像處理軟件，結(jié)合像控坐標(biāo)點(diǎn)，解譯得到崩塌群的位置、方量等信息，生成基于CAD 的大比例尺地形圖，為該崩塌群地質(zhì)災(zāi)害精準(zhǔn)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 無(wú)人機(jī)遙感

在貴州大方縣法啟村火車站東側(cè)崩塌群地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，本文選用了易于操作，攜帶方便，起飛、降落不受場(chǎng)地限制，自帶GPS 信息，具有精準(zhǔn)懸停能力的大疆Inspire 2 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)、遙控器和相機(jī)傳感器的主要參數(shù)如表1 所示。機(jī)上搭載了DJI FC6520相機(jī)傳感器和影像存儲(chǔ)系統(tǒng)，組成了基于空中航拍的測(cè)量系統(tǒng)（即航測(cè)系統(tǒng)），輔以航線規(guī)劃系統(tǒng)，在遙控系統(tǒng)的控制命令下，實(shí)現(xiàn)了終端實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)視和實(shí)時(shí)圖像傳輸功能（即地面控制系統(tǒng)）。其中，相機(jī)傳感器具有高達(dá)2 080 萬(wàn)像素、每秒20 幀的DNG 無(wú)限連拍技術(shù)，使得快速獲取的影像數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生大量偏移、扭曲變形，提高了后期影像數(shù)據(jù)的處理速度。影像數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，通過(guò)影像儲(chǔ)存系統(tǒng)導(dǎo)入電腦等硬件、軟件系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)果輸出（即影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)）。無(wú)人機(jī)遙感框架體系如圖2 所示。

圖1 野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

表1 無(wú)人機(jī)、遙控器和相機(jī)傳感器的主要參數(shù)

圖2 無(wú)人機(jī)遙感框架體系

2 關(guān)鍵技術(shù)方法控制

在操控?zé)o人機(jī)遙感獲取高精度影像數(shù)據(jù)的過(guò)程中，需控制好5 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 野外地形氣候條件分析

在所有電池（包括遙控器）都充滿、系統(tǒng)結(jié)束更新的條件下，實(shí)地了解飛行區(qū)域的地形條件、氣候條件、電力通信設(shè)施等外在因素[8]對(duì)無(wú)人機(jī)遙感及其所獲取影像精度的影響。通常，選擇晴天、觀感好的天氣進(jìn)行航測(cè)任務(wù)，且無(wú)人機(jī)距離地表高度控制在50～150 m之間，飛行過(guò)低需要更多的航線和電池支持，飛行過(guò)高則會(huì)降低影像的分辨率。

2.2 像控點(diǎn)測(cè)量

目前市場(chǎng)上的無(wú)人機(jī)（包括大疆Inspire2）均帶有GPS 定位系統(tǒng)，但在高精度航測(cè)中，其地理坐標(biāo)信息達(dá)不到國(guó)家基本比例尺地形圖要求[9]，因此必須引入基于GPS RTK 的像控點(diǎn)測(cè)量。由于本次航測(cè)區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，在滿足整個(gè)區(qū)域均勻布控且無(wú)人機(jī)能清晰拍攝到像控點(diǎn)的情況下，取位置明顯可辨（如裸露的基巖、鄉(xiāng)村路）、重疊率高的5 個(gè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，以提高影像數(shù)據(jù)的處理精度。像控點(diǎn)分布如圖3 所示。

圖3 調(diào)查區(qū)航線規(guī)劃與影像空間位置

2.3 航線邊界條件確定

貴州大方縣法啟村火車站東側(cè)崩塌群的地形特點(diǎn)為：受威脅群眾、房屋較密集地位于崩塌群下方的平緩斜坡上，崩塌群災(zāi)害體接近垂直陡立，與受威脅區(qū)域水平距離在150 ～350 m 之間，豎直距離在120 ～300 m 之間，崩塌群與受威脅區(qū)之間存在坡度約為35°的陡緩斜坡地帶。因此，本次飛行范圍以崩塌群和受威脅區(qū)為對(duì)象，左右范圍各擴(kuò)展300 m，無(wú)人機(jī)遙感的相機(jī)鏡頭采用垂直朝下拍攝（即傾斜角為0°），飛行高度控制在200 m 以內(nèi)，以獲取更高精度的影像數(shù)據(jù)。

2.4 影像獲取

通過(guò)衛(wèi)星影像可知，崩塌群坡頂與坡腳的高差接近500 m，地形復(fù)雜。根據(jù)國(guó)家比例尺和成圖精度等規(guī)范[10]要求，在保證航線覆蓋崩塌群和受威脅區(qū)域的前提下，為提高影像地面分辨率、高效提取和匹配影像，本文利用航線規(guī)劃軟件設(shè)置上下兩條航線任務(wù)（圖3），且兩條航線全覆蓋像控點(diǎn)，與遙控器鏈接，由無(wú)人機(jī)遙感執(zhí)行操作命令，詳細(xì)航線參數(shù)如表2 所示。飛行4 個(gè)架次，航行速度約為6 m/s，焦距為15.303 7 mm，地面分辨率為0.43 m，共獲取調(diào)查區(qū)崩塌群509 幅影像數(shù)據(jù)。

表2 飛行航線參數(shù)設(shè)置

2.5 結(jié)果輸出

由于Context Capture 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具有較好的容錯(cuò)性，能快速處理非量測(cè)型相機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)，自動(dòng)讀取影像POS 數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)等信息，因此本文首先根據(jù)共線條件方程進(jìn)行自由網(wǎng)平差[11]，過(guò)濾畸變較大的航攝影像圖，以降低相機(jī)自身性能、風(fēng)力作用等對(duì)測(cè)量精度的影響；然后將5 個(gè)地面像控點(diǎn)坐標(biāo)信息刺到相片上，再一次對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空三測(cè)量加密，完成相片坐標(biāo)系到測(cè)量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，從而使每張有效的照片均具有絕對(duì)的空間坐標(biāo)；最后通過(guò)空三測(cè)量加密后生產(chǎn)的三維重建模型，得到DOM 和DSM 切塊，利用拼接軟件對(duì)切塊進(jìn)行處理，生成調(diào)查區(qū)完整的DOM 和DSM 模型。DSM 模型通過(guò)構(gòu)網(wǎng)算法生成TIN，TIN 經(jīng)線性插值和最鄰近重采樣生成DEM（圖4），在測(cè)圖軟件中導(dǎo)入DEM 生成1∶500 地形圖。

圖4 DEM 高程數(shù)值模型

3 模型精度評(píng)價(jià)

中誤差模型能反映檢測(cè)點(diǎn)的內(nèi)插高程與真實(shí)高程的接近程度，是衡量各種分辨率DEM 精度常用的數(shù)值模型，具有計(jì)算簡(jiǎn)單、快速，能方便表達(dá)單個(gè)離散點(diǎn)的誤差等優(yōu)點(diǎn)[12]。本文選取一定數(shù)量且均勻分布在坡面上的檢測(cè)點(diǎn)，利用野外GPS RTK 獲得檢測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，并與DEM 模型坐標(biāo)值進(jìn)行中誤差計(jì)算。

中誤差的計(jì)算公式為：

式中，σ為DEM 的中誤差；n為抽樣檢查點(diǎn)數(shù)；ZK為現(xiàn)場(chǎng)GPS RTK 測(cè)量獲得的平面坐標(biāo)；RK為DEM 內(nèi)插坐標(biāo)。

由于貴州大方縣法啟村火車站東側(cè)崩塌群地形條件相當(dāng)復(fù)雜，上半部分為懸崖陡壁，下半部分為緩傾斜面，在進(jìn)行DEM 精度評(píng)價(jià)時(shí)，本文選取調(diào)查區(qū)上半部分陡傾坡面內(nèi)的10 個(gè)點(diǎn)，下半部分緩傾坡面內(nèi)的7 個(gè)點(diǎn)作為現(xiàn)場(chǎng)抽樣檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)的分布情況如圖5所示。通過(guò)計(jì)算得到的野外GPS RTK 測(cè)量的平面坐標(biāo)與對(duì)應(yīng)的DEM 內(nèi)插坐標(biāo)值的中誤差如表3 所示。

表3 DEM 中誤差結(jié)果/m

由表3 可知，DEM 的中誤差均小于表4 中的值，符合GB/T 23236-2009《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》中的要求，說(shuō)明由無(wú)人機(jī)遙感航攝生成的三維數(shù)值模型的精度是較高的，可直接作為本次地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與勘查設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料，為調(diào)查人員無(wú)法直接爬上崩塌群進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查作補(bǔ)充。不僅如此，DSM 模型能反映地表地物的真實(shí)情況，相較于過(guò)去的傳統(tǒng)遙感影像，道路、房屋、斜坡、裸露巖石、崩塌堆積體等清晰可見，形成了非常直觀的立體模型；還具有可量測(cè)性，如崩塌體的長(zhǎng)度、寬度、高度、方量、崩落軌跡等，能為該崩塌群的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、治理提供科學(xué)依據(jù)。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)分布示意圖

表4 連接點(diǎn)對(duì)最近野外控制點(diǎn)平面位置與高程中誤差[13]

4 崩塌群基本信息的提取

由圖6a 可知，崩塌群位于法啟村火車站東側(cè)，斜坡體上大部分基巖裸露，表層有少量的薄層狀殘坡積土，長(zhǎng)有小灌木、雜草等；坡頂高程為1 540～1 600 m，下部受威脅區(qū)的高程在1 130～1 180 m 之間，崩塌危巖體堆積區(qū)高程在1 140～1 200 m 之間；2018 年2 月14 日發(fā)生塊體掉落后露出亮白色的新鮮巖面和塊體運(yùn)動(dòng)軌跡，體積約為2 m3，運(yùn)動(dòng)軌跡斜長(zhǎng)467 m。坡腳下無(wú)規(guī)律分布的大量剝離母巖的孤石、塊石（圖6b），形態(tài)各異，體積為1～10 m3不等，在暴雨、凝凍等外界因素影響下，經(jīng)常發(fā)生塊石滾落，主要分散于斜坡坡腳法啟村火車站圍墻外側(cè)和村民房屋周邊。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地面調(diào)查結(jié)果，結(jié)合影像數(shù)據(jù)、三維模型分析發(fā)現(xiàn)，整個(gè)崩塌群存在3 個(gè)較明顯的危巖體（B 區(qū)、C 區(qū)和D 區(qū)），其中B 區(qū)位于陡崖下方，高33 m、長(zhǎng)50 m、寬2 m，危巖體體積約為3 300 m3，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，發(fā)育有一組相互垂直的節(jié)理面，其產(chǎn)狀為243°∠5°和207°∠80°，裂隙張開度為1～10 cm，危巖體周邊植被發(fā)育，底部基座巖體破碎（圖6c）；C 區(qū)位于陡崖上方，整個(gè)危巖體被節(jié)理裂隙切割，形成各種形狀的塊體，且?guī)r體每厚4 ～8 m 夾薄層泥巖、泥灰?guī)r，增加了危巖體在暴雨、根劈、凝凍等外界因素作用下掉落的速度（圖6d）；D 區(qū)為兩個(gè)獨(dú)立垂直的危巖體，與陡崖形成寬約30 m 的裂縫，左側(cè)巖體中部一條裂縫自上而下貫穿到底部，形成“V形縫”，縫寬為5～80 cm；右側(cè)巖體中下部存在一條大裂縫，裂縫下面為微型巖腔，進(jìn)深約為5 cm（圖6e）。

在盡可能不破壞調(diào)查區(qū)自然環(huán)境的條件下，本文提出以下處置建議：①對(duì)受損房屋的居民進(jìn)行搬遷；②修復(fù)被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)；③沿村民房屋靠山一側(cè)設(shè)置落石槽和擋墻；④對(duì)B 區(qū)和C 區(qū)上的松動(dòng)、凌空巖體進(jìn)行削方清除；⑤采用高強(qiáng)度混凝土對(duì)D 區(qū)進(jìn)行裂縫填充加固；⑥加強(qiáng)群防群測(cè)，尤其是強(qiáng)降雨期間，有塊體崩落時(shí)，根據(jù)撤退方案有序撤離，保證居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

圖6 無(wú)人機(jī)遙感調(diào)查成果圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于無(wú)人機(jī)遙感對(duì)貴州大方縣法啟村火車站東側(cè)崩塌群地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了應(yīng)用調(diào)查研究，詳細(xì)解譯了該崩塌群的基本特征。

1）在地質(zhì)環(huán)境條件非常復(fù)雜，相對(duì)高度和地面坡度均很大的山地，采用無(wú)人機(jī)遙感進(jìn)行航攝不僅能快速獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)，降低野外近距離調(diào)查危巖體的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；而且能提高工作效率，保證資料的完整性，實(shí)現(xiàn)成果輸出的可視化。

2）在操控?zé)o人機(jī)遙感獲取高精度影像數(shù)據(jù)的過(guò)程中，首先應(yīng)考慮地形、氣候等客觀因素，以保證影像清晰，尤其是在高山峽谷區(qū)，地形復(fù)雜，常年多云多雨多霧，對(duì)無(wú)人機(jī)攝影精度的影響較大；其次應(yīng)考慮像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量、航線邊界條件的確定等主觀因素，使得模型輸出能滿足設(shè)計(jì)、使用要求。

3）通過(guò)中誤差模型對(duì)DEM 的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，由無(wú)人機(jī)遙感影像構(gòu)建的三維數(shù)值模型的精度較高，可直接作為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與勘查設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料，為崩塌群地質(zhì)災(zāi)害精準(zhǔn)治理提供科學(xué)依據(jù)。