無人機(jī)影像技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

陳 艷，許秀蘭，林鳳秒

（濰坊工商職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 262200）

0 引言

無人機(jī)遙感影像技術(shù)的發(fā)展、運(yùn)用給很多管理工作的執(zhí)行提供了安全保障，同時也保障了地質(zhì)人員的生命安全。無人機(jī)遙感影像技術(shù)在實(shí)施層面上，一般是將無人機(jī)設(shè)備當(dāng)作媒介來實(shí)施作業(yè)，比傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式更加先進(jìn)。利用無人機(jī)遙感影像技術(shù)能夠?qū)⑹占降膱D像信息傳輸?shù)较鄳?yīng)平臺，即使無人機(jī)設(shè)備墜落，也仍能提供一些有價值的信息[1]。

1 無人機(jī)遙感影像技術(shù)的優(yōu)勢

無人機(jī)遙感影像技術(shù)的迭代非常簡單，其軟件更新僅需借助網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)[2]。無人機(jī)體型較小、部件模塊化，保養(yǎng)和維修也比較簡單。無人機(jī)遙感影像技術(shù)能夠給城市工程測量、農(nóng)村農(nóng)田布局、軍用偵察等領(lǐng)域提供大量寶貴的圖像數(shù)據(jù)信息，為國家相關(guān)主管部門制定一些政策法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)提供有效依據(jù)和借鑒[3]。無人機(jī)遙感圖像技術(shù)的涉及領(lǐng)域較廣，包括計(jì)算機(jī)科學(xué)、通信技術(shù)、信息處理以及GPS定位等，其具有其他圖像獲取方法所無法比擬的優(yōu)勢，即數(shù)據(jù)刷新速度快。無人駕駛飛行器是一個升空飛行設(shè)備，通常通過低空飛行的方法實(shí)現(xiàn)信號獲取和圖像獲取，信號分辨率較高，能夠獲得較高清晰度的影像，同時生產(chǎn)成本相對較低，具有大規(guī)模應(yīng)用的可能性。

2 影像獲取

無人機(jī)的遙感系統(tǒng)包括空中控制系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)兩個核心體系[4]。空中控制系統(tǒng)由負(fù)責(zé)自動飛行的控制子模塊和信息采集的子模塊兩部分組成，它能將采集命令進(jìn)行規(guī)劃并上傳到飛機(jī)控制器，從而完成各項(xiàng)地質(zhì)巡查數(shù)據(jù)和地質(zhì)災(zāi)害信息的搜集，并通過通信模塊將信息下發(fā)到地面控制中心，提供飛機(jī)飛行時的各項(xiàng)實(shí)時信息。地面控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)航跡規(guī)劃、信息通信顯示、地面控制，保障無人機(jī)能夠如期完成作業(yè)。無人機(jī)遙感系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)遙感系統(tǒng)

無人機(jī)遙感影像獲取的第一步就是根據(jù)任務(wù)的需要給飛機(jī)設(shè)定去往拍攝地點(diǎn)的飛行路線，并將航跡規(guī)劃上傳到飛機(jī)的控制中心，確保飛機(jī)能夠按照地面的設(shè)定到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)完成拍攝任務(wù)。地面人員按照遙感任務(wù)的實(shí)際需要對待攝影區(qū)域做出航跡計(jì)劃，在地面監(jiān)控子系統(tǒng)中將計(jì)劃好航路并載入到遙感空中監(jiān)控子系統(tǒng)。無人機(jī)地面監(jiān)控子系統(tǒng)將根據(jù)計(jì)劃好的航路管理無人機(jī)航拍，而遙感空中監(jiān)控子系統(tǒng)則根據(jù)所設(shè)定的航路和拍照方式管理遙感傳感器實(shí)施拍照。遙感傳感器子系統(tǒng)將拍照的數(shù)據(jù)信息加以保存，而無人機(jī)平臺則使用無線數(shù)據(jù)傳輸信道將飛行數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴墓芾碜酉到y(tǒng)。地面人員也可以在地面監(jiān)控?zé)o人機(jī)的行駛線路，在特殊緊急情況下也可以按照剛接收到的地質(zhì)災(zāi)害信息改變本次航行計(jì)劃[5]。本次實(shí)驗(yàn)的無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 航攝分區(qū)表

3 后續(xù)處理

3.1 檢查影像數(shù)據(jù)

無人機(jī)在拍攝時很容易受到氣象因子的干擾，降低影像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。針對此問題，必須對拍出的圖片進(jìn)行甄別，剔除出現(xiàn)過航向重合度、旁向重合度、影像突變等問題的圖片，選取清晰度高、能夠說明拍攝意義的影像圖片，從而為后續(xù)處理提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[6]。

3.2 畸變差糾正

按照實(shí)際需求對無人機(jī)上的航拍數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行檢測，減小系統(tǒng)獲取圖像時的畸變差，提高拍攝的精度和效果。此外，還需要對影片進(jìn)行暈光、雜色等處理，確保影片在顏色、亮度、灰度以及紋理等方面的統(tǒng)一性。

3.3 空三加密影像處理

空三加密是通過已知參照物的坐標(biāo)點(diǎn)來確定待測目標(biāo)的坐標(biāo)，當(dāng)已知坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到要求后，就可以獲取影像的外方位元素[7]。空三加密是處理圖像最關(guān)鍵的一步，同時也是工序中最復(fù)雜的一步，其大致流程是由內(nèi)定向到相應(yīng)定向、再到絕對定向，并以此來獲得節(jié)點(diǎn)位置和解算圖像的另外方位元素。

3.4 無人機(jī)圖像缺陷及處理

如果沒有人工進(jìn)行干涉，則無人機(jī)收集到的遙感影像存在著無框標(biāo)、定向差、缺乏明顯地理位置參考等問題，這就給影像的篩選增添了不小的難度。為保證攝影圖像可以正確地表現(xiàn)出來，需要對每張加工過的圖片添加地理參照信息。將高分辨影像的底圖放在格網(wǎng)中，經(jīng)過裁剪、校正、鑲嵌加工后會產(chǎn)生圖像拼接的局部效果，通過幾何定位和校正形成清晰的圖像，最終各個小圖像經(jīng)過數(shù)據(jù)拼接函數(shù)處理形成一個大圖像[8]。

在處理試驗(yàn)后期的幾何校正工作時，圖片中所包含的地面數(shù)據(jù)信息數(shù)量眾多，處理工作困難。先對影片信息進(jìn)行拼接，然后通過將相片拉伸的方式用地面控制點(diǎn)和標(biāo)志性地物進(jìn)行校正，再對經(jīng)過修正的圖片進(jìn)行高精度解析。在地面控制點(diǎn)較多的區(qū)域，誤差范圍可以限制在兩米之內(nèi)；而地面控制點(diǎn)數(shù)量相對較少的地區(qū)，則偏差范圍相對很大[9]。

4 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的具體應(yīng)用

4.1 快速測繪

在魯?shù)榇蟮卣鹗录?，救援工作人員就使用了六旋翼無人機(jī)拍攝，每秒能夠進(jìn)行大約72 次拍照，還可以實(shí)現(xiàn)4 cm 的拍照精度。使用無人機(jī)設(shè)備可以對整個地震區(qū)域進(jìn)行快速測繪，測量效率很高，從抓拍到的影像中能夠很清晰地發(fā)現(xiàn)周圍的林木花紋。在對影像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，對觀測地質(zhì)山體以不同視角進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，能夠把災(zāi)害點(diǎn)的全景都顯示出來。

4.2 三維建模

具體而言，三維建模指將利用無人機(jī)遙感影像技術(shù)從多角度拍到的災(zāi)區(qū)照片成像并輸入信息系統(tǒng)中，把整個震區(qū)的全貌360°無死角地顯示出來。在魯?shù)榭拐鹁葹?zāi)過程中，通過運(yùn)用無人機(jī)科技迅速完成了三維模型，震區(qū)的災(zāi)情地質(zhì)信息也在第一時間被制作為三維空間圖像，這對于救援工作十分有用。在三維圖像中，不但能夠顯示震中的滾石、裂隙和坍塌等狀態(tài)，而且能將震源的直徑、平均海拔等狀態(tài)表現(xiàn)出來[10]。在此基礎(chǔ)上，還可以確定坍塌的方式以及滾石下降的各種方式，以便更科學(xué)合理地選定災(zāi)民安置地，從而為制定災(zāi)后重建計(jì)劃奠定有力基礎(chǔ)。

4.3 無人機(jī)遙感影像的幾何糾正

針對無人機(jī)在航拍過程中出現(xiàn)的一些誤差，將誤差處理重點(diǎn)集中于對數(shù)碼相機(jī)鏡頭上非線性畸變的校正和成像過程中因?yàn)楹娇掌髯藨B(tài)改變而造成的圖像旋轉(zhuǎn)與投影變化的校正。一般情形下，由數(shù)碼相機(jī)鏡頭畸變而產(chǎn)生的誤差都屬于系統(tǒng)誤差，可根據(jù)相關(guān)的數(shù)學(xué)公式或模型來制定一個算法對系統(tǒng)誤差加以修正。對于飛行的速度不平衡所引起的圖像旋轉(zhuǎn)和投影變化，則必須逐幀進(jìn)行校正[11]。

5 結(jié)語

作為一種新的對地探測方式，無人機(jī)遙感影像探測對航拍硬件和對后續(xù)影像數(shù)據(jù)處理能力的要求較高。通過應(yīng)用無人機(jī)影像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害信息的智能收集和處理。無人機(jī)遙感影像特別適合小區(qū)域內(nèi)高分辨率遙感數(shù)據(jù)的及時收集，可應(yīng)用于城市建設(shè)、新農(nóng)村建設(shè)、空氣污染監(jiān)測或國土資源研究中。