無人機遙感在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用研究

張霆浩 柴生亮 孫玲

(蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué) 甘肅蘭州 730000)

1 無人機遙感概述

1.1 無人機遙感基本構(gòu)成

無人機遙感由硬件、軟件以及通信這3 個基本系統(tǒng)構(gòu)成，所具備的功能主要有飛行高度、續(xù)航時間、有效載荷、飛行平穩(wěn)度、導(dǎo)航精度、巡航速度、起降方式等[1-2]。無人機遙感是否能得到各領(lǐng)域青睞，并起到明顯的效果，直接取決于其功能是否齊全且有效發(fā)揮。

1.2 無人機遙感數(shù)據(jù)獲取

以往，無人機遙感的數(shù)據(jù)獲取主要是在飛行過程中采集信息生成數(shù)據(jù)，落地后再下載下來，而后進入數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。但隨著技術(shù)的更新應(yīng)用，目前無人機遙感采集到的高分辨率數(shù)據(jù)以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r傳輸?shù)降孛鏇Q策部門，實現(xiàn)了全天時運作，在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的第一瞬間提供應(yīng)急救援。數(shù)據(jù)獲取和實時傳輸?shù)耐緩绞墉h(huán)境影響而有不同選擇，除了衛(wèi)星傳輸方式之外，還有視距微波傳輸、超視距數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?。一般是將獲取的數(shù)據(jù)進行編碼、壓縮，以此大大縮短傳輸時間，且能同時開展數(shù)據(jù)處理工作，效率高、效果好。

1.3 無人機遙感數(shù)據(jù)處理

無人機遙感數(shù)據(jù)處理主要是對所采集的圖像進行處理，分為糾正、拼接以及對應(yīng)應(yīng)用這3個部分。幾何糾正是對鏡頭未按照正常線性運動、飛行器不穩(wěn)定等情況造成的圖像和投影不完善進行糾正。無人機遙感搭載的相機或掃描儀一般體積和像輻都不大，因此收集的圖像數(shù)量非常多，飛行過程中若遇到較強氣流，就會出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，導(dǎo)致角度傾斜，拍攝和投影的每幅圖像各不相同，因此要對其逐一糾正，工作量較大。

提高檢查影像和飛行的質(zhì)量的效率，一般需要借助導(dǎo)航數(shù)據(jù)（GPS）、姿態(tài)測量（IMU）數(shù)據(jù)，通過圖像特征自動匹配與數(shù)據(jù)快速處理算法得到數(shù)據(jù)，再對其進行區(qū)域平差，利用內(nèi)插方式構(gòu)建數(shù)字高程模型（DEM）與正射影像圖（DOM）。而計算點云、校正圖形，則是借助GPS數(shù)據(jù)和IMU 數(shù)據(jù)，以激光雷達數(shù)據(jù)（Lidar）和微波遙感數(shù)據(jù)為依據(jù)，生成數(shù)字高程模型與雷達影像圖[3]。

2 無人機遙感在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 靈活、實時地監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害狀況

目前已研發(fā)并投入使用的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測設(shè)備種類很多，如高精度GNSS、裂縫報警器等。不過，應(yīng)對地質(zhì)災(zāi)害的重點在于突破其預(yù)知難題，防患于未然，但上述監(jiān)測儀器面對分散、數(shù)量較多、規(guī)模不一的地質(zhì)災(zāi)害時，監(jiān)測效果并不如意，而專業(yè)監(jiān)測儀器成本較高。在此背景下，無人機遙感應(yīng)運而生，它能夠借助不同種類的遙感器收集地質(zhì)災(zāi)害信息，實時監(jiān)測和預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害。

在校正了無人機遙感收集的多光譜數(shù)據(jù)，得到數(shù)字高程模型與正射影像圖，依據(jù)這兩項可分辨地質(zhì)災(zāi)害的具體分布和當前狀態(tài)；對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行多次對比后，能夠判斷地質(zhì)災(zāi)害可能存在隱患的地方及其發(fā)展情況。特別是對于人力無法開展調(diào)查工作的地形來說，無人機能夠克服阻礙，在高空靈活飛行，全時段監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害。而通過高精度合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）、激光雷達LiDAR 技術(shù)[4]，能夠形成高精度數(shù)字高程模型，及時觀察地形情況，在地面、斜坡等動態(tài)變化監(jiān)測中發(fā)揮著有效作用。

2.2 高效、精準地提供應(yīng)急救援數(shù)據(jù)

地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)后，實時調(diào)查數(shù)據(jù)是開展應(yīng)急救援工作必不可少的依據(jù)，有利于工作人員及時了解和掌握災(zāi)害及其影響，人員及財產(chǎn)，交通及可能發(fā)生的連帶災(zāi)害等方面的情況，進而快速制訂救援方案，采取更科學(xué)的救援技術(shù)。然而，通常地質(zhì)災(zāi)害剛出現(xiàn)時，救援人員面臨著連帶或者二次災(zāi)害的威脅，同時常規(guī)調(diào)查用時較長、準確度難以保證，因此常常延誤救援的最佳時機，造成更多更嚴重的不良影響。

無人機遙感幾乎能在所有環(huán)境中起飛，正常運作后，短時間內(nèi)便可收集地面信息并形成數(shù)據(jù)，而后實時傳輸?shù)降孛?，便于地面在接收?shù)據(jù)的同時對數(shù)據(jù)進行處理，快速生成精確遙感圖件，以供災(zāi)害救援人員參考。多傳感器受氣象條件影響較小，通過多光譜數(shù)據(jù)能夠及時觀察災(zāi)害現(xiàn)場，微波遙感能在大霧天氣仍然正常運行，紅外傳感器打破了黑夜限制，由此實現(xiàn)了全天候獲取數(shù)據(jù)，而高清視頻則能夠?qū)F(xiàn)場情況實時呈現(xiàn)給地面工作人員。總體來說，無人機遙感提供的數(shù)據(jù)，給工作人員制訂應(yīng)急救援方案，進而實施救援奠定了重要基礎(chǔ)。

2.3 全面、詳細地評估地質(zhì)災(zāi)害情況

無人機遙感獲取災(zāi)害信息并生成數(shù)據(jù)后，經(jīng)過校正、拼接，就能得到關(guān)于災(zāi)情的準確數(shù)據(jù)，用以支持工作人員進行災(zāi)情解譯。遙感解譯能夠全面、詳細地呈現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)情況，比如：災(zāi)害的準確位置、形狀，受到破壞的地面范圍，地形、植被、河流及道路發(fā)生的變化，是否形成堰塞湖，可能面臨威脅的群體、可能發(fā)生的連帶或二次災(zāi)害等，都包含在圖像數(shù)據(jù)中。而后，利用GIS軟件，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)專家指導(dǎo)構(gòu)建災(zāi)情模型，評估地質(zhì)災(zāi)害的范圍、導(dǎo)致的經(jīng)濟損失、人員傷亡情況，以及受連帶影響的群體、組織和一些隱性損害等[5]。災(zāi)后救援、重建工作以及預(yù)測和防患可能再次發(fā)生的災(zāi)害導(dǎo)致更嚴重的后果，都需要以災(zāi)情評估結(jié)果為依據(jù)。

3 無人機遙感在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的具體應(yīng)用

無論是單種地質(zhì)災(zāi)害還是組合出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，通過無人機航空攝影系統(tǒng)獲得的遙感圖像，利用專門的色調(diào)、紋理以及形態(tài)等元素，能夠?qū)l(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的地區(qū)從地面上凸顯出來，由此形成工作區(qū)。

3.1 無人機航空攝影系統(tǒng)

3.1.1 系統(tǒng)組成

以Quickeye（快眼）無人機系統(tǒng)為例，其配置了CCD 相機，該相機具有分辨率高、不受時空限制等特點，能夠全方位、全天候拍攝影像。并且，支持提前設(shè)計、實時把握無人機飛行路線，能高效獲取和傳輸數(shù)據(jù)等，相對來說比較穩(wěn)定、智能，且作業(yè)水平較高。

3.1.2 航空影像的處理

在航片數(shù)據(jù)收集完成后，通過DPGrid（航測處理軟件）來處理所得數(shù)據(jù)，形成正射影像圖，再通過專業(yè)拼接工具ErdasImagine（遙感圖像處理軟件）和ArcGIS軟件，來拼接正射影像并輸出。為了保證野外地區(qū)測圖中有充足的控制點，采用空中三角測量方法，基于有限的野外控制點，無需到野外就對控制點進行加密，并計算出它們的高程與平面位置，以此補充野外控制點的數(shù)量。

3.1.3 地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域基本地理信息，借助遙感影像，探討地質(zhì)災(zāi)害情況的過程，被稱為遙感解譯。一般是在無人機航拍得到正射影像圖后，在地面相關(guān)部門，結(jié)合工作人員提供的資料，輔以野外驗證方式，來解譯要調(diào)查的地質(zhì)災(zāi)害。

3.2 無人機高分辨率影像在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的具體應(yīng)用

3.2.1 形成解譯標志

遙感影像所呈現(xiàn)的地物，各有各的特征，是區(qū)別和了解不同地物的主要依據(jù)，這就是解譯標志。遙感解譯標志的形成，需要考慮形狀、體積（面積）、顏色、位置、紋理以及陰影等直接相關(guān)元素。不過要解譯地質(zhì)災(zāi)害，還應(yīng)考慮與之相關(guān)的所有因素，以保證解譯的詳盡與全面?？傮w來說，解譯標志是在逐個分析所有相關(guān)因素的影響特征的基礎(chǔ)上形成的。遙感影像解譯是綜合依據(jù)圖像的影像及空間特征，再加上除此之外的相關(guān)信息資料，按照生物地學(xué)邏輯，保證精準性和真實性，由淺及深、由此到彼地推理、演繹的過程。

3.2.2 解譯地質(zhì)災(zāi)害

前文提到遙感影像圖會利用專門的色調(diào)、紋理等元素將地形災(zāi)害區(qū)域從整體地面中凸顯出來，根據(jù)此方法，再加上解譯標志，就能夠基本上解譯目標工作區(qū)，確定若干地質(zhì)災(zāi)害位置，然后結(jié)合野外排查和復(fù)合，確定真實的災(zāi)害地點，完成對其的詳細解釋。該文以滑坡、裂縫、崩塌、切破等地質(zhì)災(zāi)害為例進行說明。

（1）滑坡。

在黃土地區(qū)，經(jīng)常發(fā)生滑坡地址災(zāi)害，利用遙感影像解譯該地質(zhì)災(zāi)害時，能夠展示其規(guī)模、形狀、地點等物理影像特征。而所依據(jù)的就是遙感影像圖通過專門的色調(diào)、紋理以及形態(tài)、陰影等呈現(xiàn)出的滑坡情況。多次滑坡解譯認為，滑坡災(zāi)害的發(fā)生是有跡可循的，一般當斜坡坡度為30°～60°時，比較容易發(fā)生滑坡災(zāi)害。同時，根據(jù)遙感影像，能夠發(fā)現(xiàn)滑坡體下滑大多會形成圓弧形的滑坡壁，災(zāi)害體兩旁多是沖溝發(fā)育，因此邊界明顯。遙感影像中的滑坡壁，色調(diào)、紋理都與其他環(huán)境不同。另外，結(jié)合遙感影像方向以及縮略比例，能夠了解滑坡的面積和滑動方向[6]。

（2）裂縫。

解譯裂縫能夠準確定位其地點，了解其是否穩(wěn)定以及面積大小等，參考的就是遙感影像呈現(xiàn)出的特殊的色調(diào)、紋理、陰影以及形態(tài)等。如果裂縫不大，就很難單純依靠目視來解譯，需要根據(jù)地形圖中的陰影和紋理等來完成裂縫解譯工作。該過程中，要考慮陡坡的梁頂兩旁，結(jié)合影像比例尺求得裂縫具體長寬。如果裂縫已經(jīng)出現(xiàn)，解譯時重點考慮陰影因素；如果未裂開，解譯時則重點考慮紋理因素。

（3）崩塌。

解譯崩塌，重點參考遙感影像中崩塌面的不同色調(diào)。多年崩塌解譯發(fā)現(xiàn)，公路、河流、溝壑峽谷等陡坡上，是崩塌常發(fā)區(qū)域。通常崩塌體不會太大，遙感解譯并不容易，因此遙感影像大多只呈現(xiàn)新出現(xiàn)的崩塌的情況，需要野外勘察確定崩塌的真實信息[7]。

（4）切坡。

切坡常發(fā)生在窯洞中和道路上，解譯時主要參考遙感影像圖中呈現(xiàn)的特殊的色調(diào)和紋理因素。相比之下，窯洞切坡的危害性更大，因為其會使坡體出現(xiàn)嚴重松動，極易誘發(fā)崩塌和滑坡。實地考察發(fā)現(xiàn)，不少人會選擇滑坡壁作為建窯地點，這些滑坡壁此前曾發(fā)生過滑坡災(zāi)害，而建窯活動很有可能會導(dǎo)致滑坡災(zāi)害復(fù)發(fā)。

4 結(jié)語

總體來說，近些年，無人機遙感技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用逐漸走向成熟，體型小、便攜靈活、精度高、受干擾因素少等優(yōu)勢更加突出，從而在地質(zhì)災(zāi)害、地理資源調(diào)查、應(yīng)急救援等方面發(fā)揮了重要作用，特別是在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，其的應(yīng)用，提高了關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測、應(yīng)急救援以及災(zāi)情評估的效率和準確度，為保障人民生命財產(chǎn)安全貢獻了巨大價值。