無人機(jī)攝影測量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

王志坤

（江西省煤田地質(zhì)局普查綜合大隊(duì)，江西 南昌 330038）

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技水平的不斷創(chuàng)新，人類在認(rèn)識和改造自然環(huán)境的手段以及認(rèn)識和改造自然環(huán)境的工具方面取得了顯著成就，傾斜攝影測量技術(shù)是其獨(dú)特優(yōu)勢在許多領(lǐng)域的典型代表之一，發(fā)揮著重要作用。特別是近年來，在自然地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害問題日益嚴(yán)重的趨勢下，可以從不同的角度開始將無人機(jī)斜角攝影測量技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，快速、高效的數(shù)據(jù)采集可以更全面地應(yīng)對地質(zhì)災(zāi)害的形勢，有助于改善傳統(tǒng)調(diào)查模式面對地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的難度和范圍等特點(diǎn)的局限性和不足，為提高地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作效率和成果質(zhì)量提供技術(shù)支持[1]。

1 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查概述

地質(zhì)災(zāi)害主要是指自然地球動力活動、異常地質(zhì)環(huán)境或人類活動造成的破壞和損失的地質(zhì)現(xiàn)象，它不僅嚴(yán)重影響社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且威脅人類生命財(cái)產(chǎn)安全。常見的災(zāi)害類型有∶ 泥石流、地面塌陷、崩塌、地面裂縫、滑坡、地面沉降等。因此，為了有效避免地質(zhì)災(zāi)害的影響，減少其不利影響，必須重視地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，這是人們應(yīng)對地質(zhì)災(zāi)害的必要條件。在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查過程中，應(yīng)當(dāng)盡可能收集災(zāi)區(qū)的地層、氣象、水文、巖性資料，利用工具、儀器進(jìn)行粗略測量，拍攝照片、錄像、繪制示意圖，充分了解地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際情況，確定地質(zhì)體的特征、穩(wěn)定性和發(fā)展趨勢，科學(xué)預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害造成的損失，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害分類，為做好地質(zhì)災(zāi)害救援工作提供依據(jù)，創(chuàng)造良好條件。

2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)及其優(yōu)勢

隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新影響，無人機(jī)有著機(jī)動性、易操作性、直觀性、可靠性等特點(diǎn)，同時，其飛行靈活、高機(jī)動性、操作便捷和高分辨率的顯著優(yōu)勢，使得無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中得到了廣泛應(yīng)用，廣泛用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測、預(yù)警、評估以及地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急現(xiàn)場處置等，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)、掃描技術(shù)和定位技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。通過在飛行器上攜帶5個電子相機(jī)傳感器，在飛行器飛行過程中，可以從多個角度和多個方向拍攝目標(biāo)區(qū)域。該技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動處理，由于航向和側(cè)向重疊率高，即使是小范圍的覆蓋也需要大量的數(shù)據(jù)，處理過程非常耗時，計(jì)算機(jī)硬件和軟件要求高。同時，在飛行過程中，傳感器同時記錄飛行器的速度、高度和坐標(biāo)等相關(guān)參數(shù)。最后對收集到的信息進(jìn)行分析和處理，為用戶提供最真實(shí)、客觀和全面的圖像，為災(zāi)害體的穩(wěn)定性、處理方案和疏散措施提供更有力的依據(jù)。因此，時常被用于完成衛(wèi)星遙感和傳統(tǒng)測繪無法完成的任務(wù)，在評估和預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害方面發(fā)揮著極其重要的作用。相較于傳統(tǒng)的其他測繪技術(shù)，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有高分辨率、高精準(zhǔn)定位、高攝影攝像等多種功能，在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面[2]。

2.1 高真實(shí)性

利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)采集的數(shù)據(jù)，客觀、全面、真實(shí)地反映了目標(biāo)區(qū)域的地理位置信息，實(shí)現(xiàn)了多角度、多方向?qū)崟r動態(tài)拍攝的目的，與傳統(tǒng)的人工模型仿真技術(shù)相比，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)對目標(biāo)區(qū)域的實(shí)際情況有較高的反映度，基本實(shí)現(xiàn)了礦山地質(zhì)、地形地貌的真實(shí)投影，測量數(shù)據(jù)的精度得到了很大程度的提高。

2.2 高效率

通常地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境往往都非常的復(fù)雜、惡劣，導(dǎo)致在人員作業(yè)和設(shè)備應(yīng)用方面難以有效的開展工作，進(jìn)而浪費(fèi)人力、物力、財(cái)力等；而采用無人機(jī)作為調(diào)查的“先行者”，通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，在作業(yè)時不易受到客觀環(huán)境因素的影響，能夠在較短的時間內(nèi)獲取較大面積的影像資料，減少了的大量測繪人員外業(yè)工作量，避免了人員直接進(jìn)入滑坡、崩塌等危險區(qū)域調(diào)查造成危險，同時也縮短了測繪周期，降低了測繪成本，具有較高的經(jīng)濟(jì)意義。

2.3 高性價比

利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，在實(shí)際勘察作用過程中不易受到客觀環(huán)境因素的影響，設(shè)備本身具有靈活的客觀屬性，而且飛行器同時攜帶五個高靈敏度傳感器，由于每個傳感器采集的數(shù)據(jù)類型不同，每個傳感器獲得的數(shù)據(jù)是具有空間位置的圖像信息，可以有效地提高圖像的分辨率，同時可以用來輸出dom、dsm、dlg等數(shù)據(jù)，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量技術(shù)的不足，提高了圖像數(shù)據(jù)的分辨率和精度。同時，該技術(shù)可以有效地提取紋理，促進(jìn)二維到三維的映射工作，降低三維建模的成本。

3 無人機(jī)攝影測量在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，由于自然環(huán)境條件比較惡劣，導(dǎo)致調(diào)查人員往往難以及時到達(dá)災(zāi)害現(xiàn)場，同時在調(diào)查工作開展過程中也存在著較高的安全風(fēng)險。在加上傳統(tǒng)作業(yè)主要采用人工野外測量、遙感測量、航空測量等技術(shù)無法保證數(shù)據(jù)采集的全面性和精確性。而如果采用無人機(jī)技術(shù)，其具有靈活性高、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，能夠滿足低空飛行和復(fù)雜環(huán)境下圖像數(shù)據(jù)采集的要求。因此，在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中具有較高的應(yīng)用價值。以滑坡災(zāi)害調(diào)查為例，利用無人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)對被測區(qū)域進(jìn)行低空斜攝，通過對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，得到滑坡位移和地表裂縫的情況，同時根據(jù)圖像數(shù)據(jù)自動建立滑坡的三維模型，為工作人員準(zhǔn)確評估災(zāi)害程度或發(fā)布預(yù)警信息提供可靠的參考。

3.1 作業(yè)準(zhǔn)備

無人機(jī)攝影測量工作的開展，主要需要做好以下準(zhǔn)備工作，首先，進(jìn)行設(shè)備調(diào)試和檢查。根地址災(zāi)害調(diào)查的主要內(nèi)容以及相關(guān)要求，作業(yè)人員進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行無人機(jī)相關(guān)設(shè)備的調(diào)試，同時，采用通電檢查法來檢查無人機(jī)設(shè)備的電路、部件等狀態(tài)是否正常，確認(rèn)無誤后在進(jìn)入無人機(jī)測量作業(yè)試飛工作，主要是通過試飛工作來判斷無人機(jī)的飛行與攝像功能狀態(tài)，初步保障無人機(jī)狀態(tài)能夠滿足正常的工作需求;最后，定期維護(hù)。因?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害調(diào)查區(qū)域的規(guī)模往往非常的龐大，難以短時間內(nèi)完成全部的測量作業(yè)，因此，要根據(jù)項(xiàng)目的相關(guān)要求，制定合理的作業(yè)計(jì)劃，同時為了避免無人機(jī)在長時間的工作下出現(xiàn)狀態(tài)下滑，需要在工作期間對無人機(jī)進(jìn)行定期維護(hù)[3]。

3.2 獲取實(shí)時圖像

由于地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)性，一旦發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，調(diào)查人員往往不能及時趕到受災(zāi)現(xiàn)場調(diào)查實(shí)際受災(zāi)情況，此時通過無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以及時獲取災(zāi)區(qū)實(shí)時圖像，從而及時了解受災(zāi)區(qū)域整體情況，保證救災(zāi)的及時性。

3.3 正射影像技術(shù)

由于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查區(qū)域面積較大，普通的調(diào)查方式將耗費(fèi)大量的人力物力，在調(diào)查過程中可能對調(diào)查區(qū)域調(diào)查詳細(xì)程度不足，從而影響最終調(diào)查結(jié)果的準(zhǔn)確性。而無人機(jī)攝影測量正射影像是對測得數(shù)據(jù)精度、覆蓋面積、研究區(qū)現(xiàn)場特征完整覆蓋，保證了研究區(qū)域的整體性，調(diào)查人員可以對獲取的正射影像圖進(jìn)行后期處理，從而獲得研究區(qū)詳細(xì)的地質(zhì)信息，再結(jié)合其他地質(zhì)資料，保證調(diào)查內(nèi)容全面、真實(shí)、準(zhǔn)確。

3.4 多視影像聯(lián)合平差技術(shù)

多視圖聯(lián)合平差技術(shù)是地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中無人機(jī)傾斜攝影測量的關(guān)鍵技術(shù)，由于傳感器獲取的數(shù)據(jù)包括垂直圖像數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)等，在對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過程中，由于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)不能準(zhǔn)確地識別數(shù)據(jù)的有效性，因此需要采用多視圖聯(lián)合平差技術(shù)對傾斜攝影測量獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。多視圖像的聯(lián)合調(diào)整是一種由粗到細(xì)的金字塔匹配技術(shù)。通過建立點(diǎn)到點(diǎn)的連線、控制點(diǎn)的坐標(biāo)和其它輔助數(shù)據(jù)，并通過聯(lián)合沉降來檢查區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的誤差，以保證測量結(jié)果的科學(xué)性。

3.5 多視影像匹配技術(shù)

多視圖像匹配是無人機(jī)攝影測量過程中需要解決的一個重要問題。由于航空飛行覆蓋范圍很大，在地質(zhì)災(zāi)害可能發(fā)生的地區(qū)，傳感器在飛行過程中收集的數(shù)據(jù)有重疊，如果不清除重疊的數(shù)據(jù)，就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余。同時，由于采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)較多，很難準(zhǔn)確獲取目標(biāo)區(qū)域的目標(biāo)空間坐標(biāo)，無法建立目標(biāo)區(qū)域的三維模型。因此，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，多元多視圖圖像匹配已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。此外，在獲取地質(zhì)資料的過程中，可以建立若干影響因素，并對其賦予相應(yīng)的權(quán)重，將研究區(qū)劃分為不同的地質(zhì)類型，從而獲得構(gòu)造類型和災(zāi)害區(qū)的基本信息。

3.6 注意事項(xiàng)

盡管在對地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中，無人機(jī)攝影測量技術(shù)體現(xiàn)了極大的測量優(yōu)勢和技術(shù)特點(diǎn)，但是由于災(zāi)害現(xiàn)場的地理環(huán)境和自然環(huán)境都非常的復(fù)雜，而且無人機(jī)飛行條件也有較高的要求，因此，在實(shí)踐過程中，必須要注意一下事項(xiàng)：首先，雖然無人機(jī)作業(yè)受到季節(jié)的影響較小，但是為了獲取質(zhì)量高的測量成果，因此在實(shí)踐過程中，還是要根據(jù)測繪區(qū)域的氣候變化選擇合適的季節(jié)飛行，例如，選擇在每年五六月份開展；其次，在確定作業(yè)季節(jié)后，進(jìn)行飛行時段選擇時，也需要根據(jù)具體氣候變化，優(yōu)選天氣晴朗、無風(fēng)或微風(fēng)天氣等，例如選擇上午10點(diǎn)～下午2點(diǎn)之間內(nèi)開展作業(yè)；最后，注意重疊度設(shè)計(jì)問題，這就要求作業(yè)人員按照調(diào)查區(qū)域的地形地貌變化特征等等來制定合理的旁向重疊度、航向重疊度等參數(shù)；通常，旁向重疊方向以平行于測繪區(qū)域邊界的首末航線敷設(shè)，并位于測繪區(qū)域邊界外側(cè)，而航線重疊方向按照超出測繪區(qū)域邊界設(shè)計(jì)基線長2倍進(jìn)行[4]。

4 結(jié)語

總之，無人機(jī)攝影測量技術(shù)作為當(dāng)前科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的產(chǎn)物，具有高分辨率、高精準(zhǔn)定位、高攝影攝像等多種功能，其出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)測量技術(shù)的局限和弊端，尤其在地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查過程中，能夠從不同角度入手，快速、高效的采集地質(zhì)數(shù)據(jù)，從而更為全面的反應(yīng)出地質(zhì)災(zāi)害情況，進(jìn)而為提高地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的工作效率和成果質(zhì)量提供技術(shù)支持。