無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用分析

吳霞

貴州省地礦局測(cè)繪院 貴州 貴陽(yáng) 550018

引言

地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別是防災(zāi)減災(zāi)業(yè)務(wù)的重要工作，傳統(tǒng)的勘察設(shè)計(jì)手段是人工勘察，具有局限性，更無(wú)法給專家提供有力直觀的地形情況。通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載傾斜相機(jī)對(duì)可能有地質(zhì)災(zāi)害的地形進(jìn)行航飛，實(shí)時(shí)獲取該地三維實(shí)景模型，通過(guò)在三維模型上進(jìn)行測(cè)量及評(píng)估，判別該地質(zhì)災(zāi)害對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。因此，實(shí)時(shí)獲取三維實(shí)景模型能為安全經(jīng)濟(jì)的建設(shè)運(yùn)營(yíng)、科學(xué)的防災(zāi)減災(zāi)提供強(qiáng)有力的理論支撐，同時(shí)也能夠進(jìn)一步推進(jìn)新技術(shù)方法在工程勘察設(shè)計(jì)中的示范應(yīng)用。

1 無(wú)人機(jī)發(fā)展概況

無(wú)人機(jī)（UAV）是一種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、無(wú)人駕駛、空氣提供升力的航空器，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域均得到了廣泛運(yùn)用。無(wú)人機(jī)遙感是一種新型遙感系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)性、全天候的遙感探測(cè)。我國(guó)無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)較晚，21世紀(jì)初才進(jìn)入飛速發(fā)展階段，并開(kāi)始向民用轉(zhuǎn)變，在測(cè)繪領(lǐng)域大放異彩。2016年至今，國(guó)家科技部進(jìn)一步擴(kuò)大了對(duì)無(wú)人機(jī)遙感領(lǐng)域的相關(guān)支持，并在廣域航空安全監(jiān)控、城市群經(jīng)濟(jì)區(qū)域建設(shè)與管理服務(wù)、城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境綜合檢測(cè)服務(wù)等領(lǐng)域取得了一定的成果。目前我國(guó)無(wú)人機(jī)遙感發(fā)展呈多樣化趨勢(shì)，其在生態(tài)環(huán)境資源監(jiān)測(cè)、災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)監(jiān)測(cè)以及國(guó)土突發(fā)事件監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用[1]。

2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的原理及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 技術(shù)原理

對(duì)于無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)而言，在實(shí)際運(yùn)用中需要注意以下幾點(diǎn)：第一，作業(yè)人員需要結(jié)合實(shí)際的測(cè)繪要求，選擇符合測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)人機(jī)型號(hào)，同時(shí)為了讓無(wú)人機(jī)可以適用于實(shí)際的測(cè)繪工作，在此之前還需要人員對(duì)無(wú)人機(jī)種類(lèi)及參數(shù)進(jìn)行分析；第二，在運(yùn)用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)之前，需要科學(xué)合理地規(guī)劃無(wú)人機(jī)航測(cè)路線，以保證其可以獲得實(shí)質(zhì)性的測(cè)量效果，并且路線的規(guī)劃要盡可能的簡(jiǎn)單快捷，一方面是提升無(wú)人機(jī)航測(cè)效率，另一方面也可以有效確保無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。與此同時(shí)，相關(guān)人員在完成航測(cè)路線規(guī)劃設(shè)計(jì)后，接著需要對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)性能進(jìn)行調(diào)試，確保航測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性；第三，測(cè)繪人員需要結(jié)合像控點(diǎn)分布狀況，對(duì)于無(wú)人機(jī)所拍攝的影像數(shù)據(jù)開(kāi)展處理和分析工作，為后續(xù)工程規(guī)劃建設(shè)提供指導(dǎo)[2]。

2.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.2.1 性價(jià)比高。相對(duì)比傳統(tǒng)的載人飛行器測(cè)量系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)中配置的相關(guān)設(shè)備成本較低，而且可以避免人員造成安全事故問(wèn)題。與此同時(shí)，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用更加的高效便捷，一方面無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)可以適用于一些特殊區(qū)域的測(cè)量，不受地形、氣候等自然條件的限制，在有效確保安全的基礎(chǔ)上，高效完成地形圖測(cè)繪作業(yè)，另一方面無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量的效率更高，極大地降低了人工勞動(dòng)力，縮短了測(cè)繪周期，同時(shí)也可以有效確保測(cè)繪結(jié)果的精準(zhǔn)性。由此可見(jiàn)，相比傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)繪技術(shù)的性價(jià)比更高，這使其在實(shí)際中得到了廣泛的運(yùn)用和推廣。

2.2.2 響應(yīng)快速。當(dāng)前很多無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)繪系統(tǒng)都是低空開(kāi)展作業(yè)，而之所以選擇低空拍攝，其原因包括以下幾點(diǎn)：第一，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)不會(huì)受到起飛和降落地點(diǎn)因素的影響；第二，區(qū)域地形、氣候等自然因素，對(duì)于無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的影響較低；第三，低空攝影測(cè)量更加容易申請(qǐng)航行空域，給后續(xù)開(kāi)展地形圖測(cè)繪提供了諸多便利。

2.2.3 安全性高。由于無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)對(duì)于起飛和降落地點(diǎn)沒(méi)有特別的要求，并且耗時(shí)較短，所以可以極大地避免無(wú)人機(jī)機(jī)體迫降過(guò)程中所造成的損壞和故障問(wèn)題，有效確保了系統(tǒng)的安全性。除此之外，相比傳統(tǒng)的載人飛行器系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)一般都是計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操控的，人員在控制中心對(duì)飛行器的飛行姿態(tài)、速度、拍攝角度等進(jìn)行控制，達(dá)到對(duì)地形圖測(cè)繪目的，這種方式顯然效率和質(zhì)量更高，并且還可以避免人員受到傷亡。

2.2.4 監(jiān)測(cè)尺度大。因?yàn)闇y(cè)量區(qū)域不同，所以測(cè)量數(shù)據(jù)存在著一定的差異，并且測(cè)量的區(qū)域越大，獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的難度就越大。然而無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)不僅可以適應(yīng)較大的測(cè)量范圍，還可以利用無(wú)人機(jī)設(shè)備的功能優(yōu)勢(shì)，滿足最大尺度的監(jiān)測(cè)要求，同時(shí)其還能夠通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控對(duì)測(cè)量范圍進(jìn)行調(diào)整，獲取更為詳細(xì)的內(nèi)容。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，除了節(jié)省人力物力，還能夠測(cè)量出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為測(cè)量工程的開(kāi)展奠定良好的基礎(chǔ)，因此在工程測(cè)量工作中得到了廣泛的應(yīng)用。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取、分析、篩選等方面都具有極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，為工程后期的信息整理匯總提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.2.5 信息處理效率高。在工程測(cè)量工作中，借助無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控作業(yè)，可以快速分析處理該區(qū)域的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，最大程度上提升數(shù)據(jù)信息的獲取效率，同時(shí)能夠確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的精確度，還能夠避免人工操作產(chǎn)生錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)信息。在現(xiàn)階段的測(cè)量工作中，單純地依賴一種遙感技術(shù)，難以保證測(cè)量工作的高效進(jìn)行，對(duì)于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用也是如此。因此，在實(shí)際運(yùn)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)時(shí)，工作人員必須結(jié)合遙感系統(tǒng)，將不同系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)，確保獲得良好測(cè)量效果。

2.2.6 監(jiān)測(cè)效率高。目前無(wú)人機(jī)是一種比較先進(jìn)的設(shè)備，而無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)中的監(jiān)測(cè)設(shè)備是由無(wú)人機(jī)搭載。因?yàn)闊o(wú)人機(jī)具有較高的飛行速度，并且具有智能化和自動(dòng)化的特點(diǎn)，所以在監(jiān)測(cè)工作開(kāi)展的過(guò)程中，可以對(duì)其飛行的高度與速度進(jìn)行靈活的調(diào)整，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，快速獲得高精度的監(jiān)測(cè)結(jié)果。另外，在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，運(yùn)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，不僅可以進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，還可以獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，更好地應(yīng)對(duì)各種突發(fā)事件，并能夠及時(shí)采取解決措施，以此提升監(jiān)測(cè)效率與監(jiān)測(cè)質(zhì)量。

2.2.7 融合度高。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)作為一種獨(dú)立存在的技術(shù)，需要借助操縱員及其自身的技術(shù)，并不會(huì)受其他技術(shù)的干預(yù)和影響，既可以進(jìn)行獨(dú)立作業(yè)，又可以結(jié)合其他測(cè)繪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，保證工程測(cè)量的高效精確。從無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，其主要是與多種技術(shù)結(jié)合開(kāi)展測(cè)量工作，并且具有較高的融合度。

2.2.8 測(cè)量成本低。在工程測(cè)量工作中，運(yùn)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪工作，與其他測(cè)繪技術(shù)相比，明顯降低了測(cè)量成本，同時(shí)我國(guó)的無(wú)人機(jī)技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平，對(duì)無(wú)人機(jī)的研究范圍比較廣。我國(guó)運(yùn)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行測(cè)量作業(yè)，在設(shè)備投入上的費(fèi)用并不高，并且其操作流程比較簡(jiǎn)單，對(duì)工作人員進(jìn)行簡(jiǎn)單的培訓(xùn)后，便可以進(jìn)行實(shí)地操作，極大地節(jié)省了人工成本[3]。

3 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用要點(diǎn)

第一，地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)調(diào)查。地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)調(diào)查包括單體與區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查，為室內(nèi)精細(xì)化遙感解譯與分析奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；第二，地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測(cè)繪。與其他測(cè)繪相比，無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)，可快速完成受災(zāi)區(qū)域測(cè)繪工作，全面及時(shí)地掌握災(zāi)區(qū)最新情況。通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲取高清影像、地形數(shù)據(jù)，可與災(zāi)前影像進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)災(zāi)情的精準(zhǔn)評(píng)估；第三，地質(zhì)災(zāi)害地表形變監(jiān)測(cè)。隨著無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)可以搭載各種高光譜相機(jī)、雷達(dá)等，獲得高精度數(shù)據(jù)，分析地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域位移、變形、沉降以及紋理特征等，并實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警；第四，地質(zhì)災(zāi)害場(chǎng)景三維重建?；谟?jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)無(wú)人機(jī)與三維重建技術(shù)的運(yùn)用，可構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域三維立體場(chǎng)景，為防災(zāi)減災(zāi)教育與科普提供技術(shù)支撐。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

3.2.1 項(xiàng)目概況。某水電站區(qū)內(nèi)河谷是典型“V”形高山峽谷地貌，1700m高程以上河谷開(kāi)闊，而1700m以下河谷狹窄。近年持續(xù)降水后邊坡上部出現(xiàn)落石，下方被動(dòng)網(wǎng)受到撞擊后嚴(yán)重?fù)p壞，安全風(fēng)險(xiǎn)大，必須做好相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作，為工程防治提供數(shù)據(jù)參考。

3.2.2 無(wú)人機(jī)遙感調(diào)查方法。第一，前期準(zhǔn)備。收集研究區(qū)資料、定點(diǎn)勘察以及確定飛行區(qū)域；第二，航線設(shè)計(jì)?；谡{(diào)查區(qū)域與相關(guān)資料開(kāi)展航線設(shè)計(jì)，并布設(shè)控制點(diǎn)；第三，航拍攝影。根據(jù)航線設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而開(kāi)展航拍攝影工作；第四，內(nèi)業(yè)處理。獲取密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成地質(zhì)災(zāi)害三維模型、數(shù)字正射影像；第五，遙感解譯?；跀?shù)據(jù)成果開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害體遙感解譯，并構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害空間屬性數(shù)據(jù)庫(kù)[4]。

3.2.3 無(wú)人機(jī)遙感調(diào)查應(yīng)用情況。第一，設(shè)備參數(shù)。該項(xiàng)目采用的是致睿智控M66多旋翼無(wú)人機(jī)，五鏡頭多方向航拍，飛行區(qū)域面積0.5km2；第二，航線設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目是典型的高山峽谷地貌，地形起伏大，無(wú)明顯的地物特征，此次航線設(shè)計(jì)密集，航向、旁向重疊度分別為85%、80%，無(wú)人機(jī)共兩次起落，獲取2780幅數(shù)字影像；第三，數(shù)據(jù)處理。此次無(wú)人機(jī)搭載的是普通高分辨率數(shù)碼相機(jī)，為保證成果精度，需要對(duì)影像進(jìn)行畸變校正與勻色，導(dǎo)入相機(jī)中POS數(shù)據(jù)，開(kāi)展同名點(diǎn)匹配，并按共線條件方程開(kāi)展自由網(wǎng)平差；導(dǎo)入地面控制點(diǎn)，刺像控，實(shí)施空中三角測(cè)量加密，生成密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲得正射影像、三維模型；第四，地質(zhì)災(zāi)害解譯。通過(guò)遙感影像解譯，對(duì)目標(biāo)區(qū)域已發(fā)生和存在隱患的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行全面調(diào)查，可查明空間分布與屬性特征：落石災(zāi)害分析，根據(jù)生成的邊坡三維場(chǎng)景，局部放大可明顯識(shí)別落石災(zāi)害點(diǎn)位置。根據(jù)三維模型分析顯示，落石災(zāi)害點(diǎn)處于出線場(chǎng)上方560m位置，高度為1930m，坡度為36°，落石巖性為大理巖。通過(guò)對(duì)周邊巖體產(chǎn)狀特征分析，基本判定原始危巖體底部、后緣發(fā)育，巖體受傾于坡面、反傾于坡外的兩組近于正交結(jié)構(gòu)面控制。由此可基本判斷危巖失穩(wěn)原因是持續(xù)降水后，雨水滲入主控結(jié)構(gòu)面裂隙，裂隙拉裂貫通，巖體失穩(wěn)后滑落。在巖體整個(gè)滑落過(guò)程中，持續(xù)存在碎塊石分離，呈明顯的直線型滾落路徑，長(zhǎng)度為776m；該測(cè)區(qū)結(jié)合無(wú)人機(jī)遙感成果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，對(duì)落石滾落演化過(guò)程進(jìn)行分析，主要可分為以下三大階段：滾落初始階段，危巖體失穩(wěn)，從母巖分離后獲初始動(dòng)能，滾落時(shí)粒徑較大完整塊石脫離，集中在路徑0～54m處；撞擊階段，落石在487m處落至沖溝內(nèi)，并撞擊至第一道被動(dòng)網(wǎng)，被動(dòng)網(wǎng)損壞、落石碎裂，部分越過(guò)被動(dòng)網(wǎng)繼續(xù)滾落；墜落階段，落石砸到下方出線場(chǎng)內(nèi)破碎；危巖隱患點(diǎn)遙感解譯，結(jié)合已經(jīng)發(fā)生的落石災(zāi)害，開(kāi)展邊坡圍巖隱患點(diǎn)遙感解譯，危巖共計(jì)29個(gè)，主要集中在1550～1840m處，屬于特高位危巖，坡度為45°～55°?；邳c(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，獲取地質(zhì)災(zāi)害體屬性信息，測(cè)得落石原始體積為11.7m3。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，近年來(lái)我國(guó)無(wú)人機(jī)技術(shù)越加成熟，并朝著重量輕、體積小、精度高、抗干擾性強(qiáng)等方向發(fā)展。目前無(wú)人機(jī)遙感在地質(zhì)災(zāi)害、農(nóng)田監(jiān)測(cè)、國(guó)家應(yīng)急救援等領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用，尤其是可較好為地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)調(diào)查、應(yīng)急測(cè)繪、地表形變監(jiān)測(cè)以及三維重建提供高精度遙感成果，滿足相關(guān)防治或應(yīng)急處理需求。