無人機(jī)傾斜攝影測量在高原地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

李維勝

（中國人民解放軍32017部隊(duì)， 西藏 拉薩 850000）

0 引言

近年來，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲得了良好發(fā)展，將其應(yīng)用到工程測量工作中，可以準(zhǔn)確、快速的獲取地面目標(biāo)物體的高清影像，并且能夠?qū)Λ@取到的數(shù)據(jù)信息展開實(shí)時分析，幫助測繪工作人員了解目標(biāo)物體的基本特征，從而為測繪工作帶來很大便利[1]。傳統(tǒng)的測繪手段存在諸多弊端，比如測繪工作量較大，工作效率低下，并且獲取的數(shù)據(jù)信息不具備較高的準(zhǔn)確性，而應(yīng)用此種攝影技術(shù)可以改變傳統(tǒng)測量手段中的各種弊端，進(jìn)一步提升測繪工作水平和質(zhì)量。

1 高原無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)組成

1.1 無人機(jī)系統(tǒng)

無人機(jī)是傾斜攝影系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的部分，在具體的工程測量工作中，無人機(jī)發(fā)揮的主要作用就是搭載攝影設(shè)備，同時還可以在無人機(jī)上面安裝其他任務(wù)設(shè)備，在整個測量工作中發(fā)揮著十分重要的作用，可以有效輔助每一項(xiàng)活動的正常開展。需要根據(jù)測量工作的需要來選擇合適的飛行設(shè)備，并保證飛行設(shè)備結(jié)構(gòu)具有較高的安全性，可以滿足長時間飛行的需求。另外，還需要確保飛行高度可以滿足實(shí)際工作需要，在具體測量過程中合理規(guī)劃飛行路線，避免出現(xiàn)偏離航線的情況。在測繪工作開始之前，應(yīng)全面分析目標(biāo)區(qū)域的基本情況，對于高原地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作來說，應(yīng)掌握高原地形基本特征規(guī)模和高原基本氣象條件等信息，以此為依據(jù)選擇合適的無人機(jī)系統(tǒng)，確保無人機(jī)系統(tǒng)可以滿足具體工程測量需求。

1.2 任務(wù)載荷系統(tǒng)

任務(wù)載荷系統(tǒng)又可以分為多個組成部分，比較主要的幾個部分就是穩(wěn)定云臺、同步控制裝置、傾斜攝影相機(jī)等，每一個部分都有不同的功能，發(fā)揮著不同的作用。在具體工作過程中，傾斜攝影相機(jī)能夠從多個角度對高原地區(qū)進(jìn)行拍攝，同步控制裝置又可以將獲取到的影像資料傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，而且還能有效提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供可靠保障。通過穩(wěn)定云臺對獲取影像的清晰度和準(zhǔn)確度進(jìn)行調(diào)整，擔(dān)負(fù)著基礎(chǔ)調(diào)整的責(zé)任，為之后的模型創(chuàng)建工作創(chuàng)造了有利條件。此外，測繪型無人機(jī)還攜帶高精度定位系統(tǒng)和通信模塊，拍攝照片時帶有POS信息，為后期處理獲得高精度傾斜攝影三維模型提供先決條件。

1.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，發(fā)揮著十分重要的作用，在具體的數(shù)據(jù)處理工作中多應(yīng)用分布式集群處理提高作業(yè)效率。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，可以使用三維軟件來處理收集到的各種數(shù)據(jù)信息，還可以對三維模型進(jìn)行優(yōu)化，從而將現(xiàn)場的實(shí)際情況充分還原出來，有利于實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的優(yōu)化完善目的，提高系統(tǒng)的應(yīng)用效率。此外，在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，必須要客觀分析多組數(shù)據(jù)信息，并以此為基礎(chǔ)創(chuàng)建出更加完善的三維模型，使數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和可靠性得到提升。

1.4 高原環(huán)境對無人機(jī)產(chǎn)生的影響

由于高原地區(qū)的海拔較高，所以氣壓和氣溫都比較低，會對無人機(jī)的正常飛行造成不良影響。高原環(huán)境會對無人機(jī)的動力產(chǎn)生影響，如果飛行器螺旋槳的轉(zhuǎn)速保持不變,空氣密度越小,飛行器獲得的升力也就越小，高原的低氣壓會使空氣密度變低，比如海拔6000m的高原空氣密度只有海平面空氣密度的一半，所以當(dāng)飛行器在這種環(huán)境下飛行時,需要消更多的功率才能獲得正常的推力。因此，在低海拔地區(qū)可以正常飛行的飛行器，在高原地區(qū)可能會出現(xiàn)無法正常起飛的問題，也有可能引起墜機(jī)事故。高原地區(qū)的氣溫較低，會在很大程度上影響電池的續(xù)航能力，電池的續(xù)航時間就會大大縮短。此外，高原的惡劣環(huán)境還會對飛行器的控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因?yàn)楦咴貐^(qū)的風(fēng)速較快，氣溫較低低,所以會影響飛行器傳感器的正常功能，對飛行器的控制性能提出了更高的要求。

2 高原地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查

地質(zhì)災(zāi)害是指在自然或者人為因素導(dǎo)致的、對人民生命財產(chǎn)造成損失，對環(huán)境造成破壞的地質(zhì)作用或地質(zhì)現(xiàn)象。高原地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)頻發(fā)，主要有崩塌、滑坡、泥石流、冰湖潰壩等。崩塌是較陡斜坡上巖土在重力作用下突然脫離母體崩落、滾動、堆積在坡底的地質(zhì)現(xiàn)象?；轮感逼律系膸r土體在河流沖刷、雨水浸泡、地震等其他因素影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面順坡向下滑動的自然現(xiàn)象。泥石流是指在山區(qū)或者溝谷深壑地形險峻地區(qū)，因?yàn)楸┯?、暴雪或其他自然?zāi)害引發(fā)的山體滑坡并攜帶大量泥沙有、石塊的特殊洪流。高原地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查可以掌握地質(zhì)災(zāi)害分布情況，分析研究地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)潛在地質(zhì)災(zāi)害危險區(qū)域，減少地質(zhì)災(zāi)害造成破壞和損失，對保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

傳統(tǒng)高原地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查一般采用實(shí)地勘測的方法，不僅工作效率低，人員直接深入地質(zhì)災(zāi)害區(qū)還會有突發(fā)災(zāi)害的危險，對調(diào)查人員生命安全造成威脅。在高原地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，具備以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：（1）應(yīng)用此技術(shù)有利于全面掌握高原地區(qū)的基本地質(zhì)情況，并對高原地區(qū)潛在地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域展開分析研究。此外，應(yīng)用此技術(shù)獲取到的數(shù)據(jù)信息更加全面，可以將目標(biāo)測繪區(qū)域的真實(shí)情況反映出來，有效滿足高原地質(zhì)調(diào)查工作的基本要求[2]。（2）無人機(jī)工作效率高。無人機(jī)攜帶方便，體積和重量也比較小，可以在復(fù)雜程度較高的地形中開展攝影測量作業(yè)。（3）應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以同時獲取正射影像和三維模型，通過正射影像可對地質(zhì)災(zāi)害類型進(jìn)行分析，運(yùn)用三維模型可對易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域分析量算，如坐標(biāo)、面積、坡度、高度以及堆積體的體積等。

4 無人機(jī)傾斜攝影測量在高原地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查實(shí)踐要點(diǎn)分析

4.1 基礎(chǔ)調(diào)研階段

在高原地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，可以全面了解高原地質(zhì)的基本情況，并完成相關(guān)基礎(chǔ)資料的收集，在具體勘測過程中需要注意以下幾個方面：首先，組織相關(guān)人員前往作業(yè)區(qū)域展開全面調(diào)查，充分了解目標(biāo)區(qū)域的地形和地貌等情況，為之后的航拍工作提供可靠保障[3]。其次，應(yīng)用無人機(jī)展開試拍工作，并對試拍得到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，以此為基礎(chǔ)合理調(diào)整攝影機(jī)的拍攝角度和分辨率等，確保可以收獲最理想的拍攝效果，并有效提升拍攝工作的效率。最后，根據(jù)前期調(diào)查結(jié)果準(zhǔn)確劃分高原地區(qū)的邊界，為之后的拍攝工作創(chuàng)造有利條件。

4.2 規(guī)劃航行路線

當(dāng)前期調(diào)查工作完成之后，就需要根據(jù)調(diào)查結(jié)果對無人機(jī)的航行拍攝路線進(jìn)行合理規(guī)劃，在具體的規(guī)劃過程中需要注意以下幾個方面：首先，以前期調(diào)查結(jié)果為依據(jù)，得到比較完整的地形數(shù)據(jù)信息，并對目標(biāo)區(qū)域的地形變化情況進(jìn)行分析，明確邊界線的實(shí)際位置。其次，在信息處理軟件中錄入獲取到的數(shù)據(jù)信息，并對各項(xiàng)參數(shù)信息進(jìn)行合理調(diào)整，從而得到最佳的拍攝角度和分辨率。最后，以最終確定的參數(shù)信息為依據(jù)，制定出科學(xué)合理的飛行路線，并準(zhǔn)確標(biāo)注出飛行的起點(diǎn)和終點(diǎn)，最大程度確保航行路線規(guī)劃結(jié)果的可靠性。

4.3 數(shù)據(jù)信息采集

應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)展開數(shù)據(jù)信息的采集工作，通過遠(yuǎn)程控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的操控，工作人員根據(jù)實(shí)際采集需求，操作無人機(jī)完成航拍作業(yè)，從而獲得五鏡頭相片數(shù)據(jù)和POS信息。當(dāng)航拍工作結(jié)束后，可以通過無人機(jī)攜帶傳感設(shè)備將采集到的圖像信息傳輸?shù)胶笈_系統(tǒng)中，為了保護(hù)數(shù)據(jù)信息的安全，還在無人機(jī)內(nèi)部的控制系統(tǒng)中預(yù)先安置了自我保護(hù)機(jī)制，這種保護(hù)機(jī)制會主動完成對儲存器的加密工作[4]。因此，工作人員如果想獲取系統(tǒng)內(nèi)部的信息，就必須要獲得訪問權(quán)限，使用自動加密技術(shù)，能夠?qū)?shù)據(jù)信息的安全性和可靠性進(jìn)行大幅度提升。

4.4 創(chuàng)建三維模型

通過航拍作業(yè)得到比較完整的數(shù)據(jù)信息后，可以進(jìn)行下一步三維模型的創(chuàng)建工作。三維模型一般采用軟件后處理獲得，常用的軟件有CC(Samrt3D)、Pix4D、Inpho、PhotoScan等，這些軟件各有特點(diǎn)，按照軟件操作說明均可創(chuàng)建三維模型。以CC為例，主要有以下幾個步驟：首先是數(shù)據(jù)導(dǎo)入，創(chuàng)建photo文件，將獲取的五鏡頭數(shù)據(jù)、解算好的POS數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)成果按照要求設(shè)置好格式和路徑，導(dǎo)入加密模塊；其次是空三加密，主要進(jìn)行特征點(diǎn)提取和同名點(diǎn)匹配，得到每一幅影像的空間位置和旋轉(zhuǎn)角度；再次是三維重建，經(jīng)過空三加密后得到大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，生成三維模型；最后是紋理貼圖，由于所有影像都有精確位置信息，可自動將影像貼在對應(yīng)的三維模型面上，最后輸出模型紋理清晰逼真的三維瓦片。

4.5 模型優(yōu)化與應(yīng)用分析

當(dāng)初期的三維模型創(chuàng)建成功之后，需要根據(jù)實(shí)際情況對模型的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析，并針對不合理的參數(shù)做出調(diào)整。需要注意的是，在調(diào)整模型各項(xiàng)參數(shù)的過程中，需要加強(qiáng)對模型具體應(yīng)用參數(shù)內(nèi)容偏差的重視，一旦發(fā)現(xiàn)存在偏差需要及時進(jìn)行校準(zhǔn)[5]。必要時進(jìn)行補(bǔ)拍，重新生成三維模型。獲得合格的三維模型數(shù)據(jù)后，要對模型進(jìn)行分析，通過瀏覽模型，目視判讀地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)或者潛在災(zāi)害區(qū)域并進(jìn)行分析量算，如坐標(biāo)、面積、坡度、高度以及堆積體的體積等，進(jìn)而提出防災(zāi)減災(zāi)建議，以及在工程選址等方面提供參考。

5 無人機(jī)傾斜攝影測量實(shí)踐過程中的注意事項(xiàng)

在高原地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)時需要注意以下幾個事項(xiàng)：（1）避免電磁干擾。無人機(jī)在飛行過程中，通過無線電波控制，易受到電磁干擾。附近若有強(qiáng)干擾源，如高壓線、基站等，有可能導(dǎo)致無人機(jī)失去控制甚至損壞無人機(jī)。（2）為無人機(jī)創(chuàng)造良好的飛行條件。由于無人機(jī)平臺體積比較小，所以在飛行過程中比較容易受到風(fēng)力的影響，從而影響到正常的飛行和拍攝作業(yè)，導(dǎo)致拍攝作業(yè)質(zhì)量下降，對成像的分辨率也造成影響。因此，在開展航拍工作時應(yīng)做好氣象條件的監(jiān)測工作，保證讓對無人機(jī)正常工作造成影響的不良因素降到最低。

6 結(jié)語

綜上所述，高原地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作非常重要，應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以大大提高工作效率和采集數(shù)據(jù)信息的精確度，運(yùn)用三維模型可對災(zāi)害區(qū)進(jìn)行量化分析。本文結(jié)合工作實(shí)際對無人機(jī)傾斜攝影測量在高原地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查實(shí)踐要點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出無人機(jī)傾斜攝影測量中的注意事項(xiàng)，對相關(guān)從業(yè)人員具有一定參考意義。此外，如何運(yùn)用模式識別、人工智能等技術(shù)對三維模型進(jìn)行分析，查找出易發(fā)生災(zāi)害的地點(diǎn)，還有待今后進(jìn)一步研究。