無人機航測技術在地質災害應急測繪中的應用探討

彭錄梅

隨著我國道路交通網(wǎng)絡的逐步完善，沿江公路和鐵路線的大力建設，改善了資源的有效流通，促進了社會經(jīng)濟發(fā)展的趨勢。同時，基建項目產(chǎn)生了大量臨空邊坡，使得原有相對穩(wěn)定的巖土工程結構緩慢失衡，在降雨、地震等外在因素的影響下，極易引發(fā)滑坡等地質災害。因此，如何合理有效地探測地質災害是現(xiàn)階段有待解決的問題。傳統(tǒng)的航空攝影測量技術是不能夠有效地完成災害檢測，技術應用的過程中所帶來的的應用效率并不能達到標準。

1 無人機遙感技術概述

1.1 無人機遙感技術的概念及特征

所謂無人機遙感技術顧名思義指的是利用現(xiàn)代自動駕駛飛行器技術、遙感技術、通信技術、監(jiān)控技術、GPS定位技術來對自然環(huán)境信息進行收集，采集自然地理環(huán)境、土地資源狀況、地震災區(qū)等區(qū)域信息的遙感測繪工作，將在不久的未來被廣泛應用于很多行業(yè)的航空遙感技術。首先，無人機遙感技術通過無人機作為媒介，傳感設備和航空拍攝設備作為技術輔助設備?？梢源竺娣e獲取測繪成像，對測繪成像信息進行綜合分析，在低空飛行區(qū)進行精確的測繪工程工作。同時，無人機遙感技術的優(yōu)點在于設備的價格相對較低，并且中后期維護也相對比較簡單。其次，無人機遙感技術在應用的過程中需要和地面的遙控技術相互結合，不易對使用人員造成傷害，可在短時間內(nèi)執(zhí)行數(shù)據(jù)處理的工作，具有很高的時效性。

1.2 無人機遙感技術的構成

無人機遙感技術的系統(tǒng)是由地面的自動控制系統(tǒng)、任務負載及其飛行平臺三部分組成。其中，地面自動控制系統(tǒng)主要包括地面的技術輔助設備、遙控檢測系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、遙感技術監(jiān)測站及其起降平臺等。

1.3 地質災害應急測繪服務對無人機遙感技術的要求

地質災害應急測繪技術在應用的過程中對無人機遙感技術系統(tǒng)的要求很高，無人機遙感技術系統(tǒng)具有很強的時效性和機動性、測繪成像精度高、對整個目標區(qū)域進行動態(tài)檢測的功能。

（1）時效性強。地質災害應急測繪的任務具有一定的特殊性，這是由于地質災害不可預測具有很強的突發(fā)性。接到指示后，必須立即趕往現(xiàn)場。只有具備很強的時效性，才能向指揮員提供地質災區(qū)的情況，讓管理人員根據(jù)災區(qū)的情況制定科學合理高效的治理計劃。

（2）機動性強。在應急測繪項目進行的過程中，測繪企業(yè)需要結合現(xiàn)場的實際情況以及運輸設備，并對設備的搬運有較高的規(guī)定。無人機遙感技術對系統(tǒng)的起降地點標準較低，起飛前的準備時間較短，能夠第一時間迅速到達探測區(qū)域，可以更好的滿足應急測繪的需求。

（3）測繪成像精度高。無人機搭載的相機像素分辨率高，因此測繪成像精度高，對測繪項目的幫助就越大。因此，對無人機遙感技術設施的測繪精度提出了很高的要求。

（4）動態(tài)檢測整個目標區(qū)域。應急測繪服務項目規(guī)定，設備可以對整個目標區(qū)域進行動態(tài)信息檢測，以獲取實時信息內(nèi)容。

2 地質災害應急測繪的意義

地質災害應急測繪可以有效地結合地質災害發(fā)生過程中地質環(huán)境的活動內(nèi)容和變化，測繪出地質環(huán)境的現(xiàn)狀。根據(jù)地質災害應急測繪內(nèi)容，可以識別地質災害的級別和引起災害的原因，如由地質環(huán)境變化、海嘯、暴雨及亂挖亂采等原因引起的滑坡、泥石流、地面沉降等。地質災害具有突發(fā)性和偶然性。地質災害的發(fā)生往往是在很短的時間內(nèi)發(fā)生的。地質災害的類型和程度難以通過監(jiān)控了解。在地質災害發(fā)生的時候，通常情況下不會留給人民反應的時間，這對人民的經(jīng)濟發(fā)展和生命安全都造成了極大的危害。過去，救援工作非常簡單。這一切都是在人力資源的幫助下進行的，如消防官兵、陸軍官兵等。由于人力資源的救援費時費力，在許多情況下，了解救援的黃金時間被推遲了。

3 無人機航測

3.1 大疆精靈4RTK介紹

大疆精靈4RTK企業(yè)具有無相位高精度測繪工程的功能。該微型電動四旋翼凈重1391g，起降大，平均高度6km，大水平飛行速度50km/h，飛行時間約30min。整個機身配備L波段d-rtk，高精度、精確定位，達到厘米級。飛機整個機身在前部、后部和底部配備視覺識別系統(tǒng)，在整個機身兩側配備紅外傳感系統(tǒng)，具有全方位的視覺定位和障礙物識別功能。相機采用1英尺CMOS光學鏡頭，根據(jù)高精度抗抖動PTZ組合，照片像素可達到2000萬分辨率。Elf 4rtk企業(yè)帶屏幕遙控，采用OCU高清圖片傳輸技術，通信距離7公里，可根據(jù)顯示系統(tǒng)中的DJI GS RTK應用軟件實時顯示超清晰界面。DJI GS RTK應用軟件提供兩種規(guī)劃和飛行方法，其中規(guī)劃方法包括：二維攝影測量、三維攝影測量（井形飛行）、航路點飛行、航空帶飛行、三維攝影測量（五向飛行）、地球模擬飛行等。

3.2 航線規(guī)劃及參數(shù)設定

無人機直播可以獲得第一手視覺資料，適合定性研究；正射影像的獲取可以為后面的精確力提供定性分析材料。在趕赴災區(qū)現(xiàn)場后，據(jù)余2透露，在獲得無人機直播的具體地址后，飛行員選擇了一個安全的起降地點，安裝了無人機，并根據(jù)手機連接的熱點開展工作。通過攝影測量2D規(guī)劃方法獲得，以災害點為核心規(guī)劃航道。為了獲得三維模型，大江精神4RTK企業(yè)提供了兩種方法：攝影測量3D井字飛行和攝影測量3D五向飛行。充分考慮到無人機的續(xù)航能力及其應急測繪項目的持續(xù)時間，對于災害的坍塌點，三維模型的數(shù)據(jù)采集采用攝影測量三維試井飛行模式。

為了客觀反映災區(qū)周圍環(huán)境，突出災區(qū)現(xiàn)場直播，正射影像數(shù)據(jù)采集規(guī)劃了兩個通道，一架次完成了所有操作。第一條規(guī)劃線以地震災害點為核心，覆蓋周邊0.5km2區(qū)域。主要參數(shù)為：總規(guī)劃面積0.5km2，飛行相對高度120m，導航方向重合度80%，橫向疊加度75%。獲得232張照片；第二條規(guī)劃線主要反映災害點。主要參數(shù)為：總規(guī)劃面積0.5km2，相對飛行高度60m，導航方向重合度80%，橫向疊加度75%。獲得62張照片。三維模型的數(shù)據(jù)采集以災害點為核心，覆蓋周圍0.1km2的區(qū)域。主要規(guī)劃參數(shù)為：飛行高度60m，航向重疊度80%，旁向重疊度75%，獲取照片362張。

3.3 正射影像處理

獲取圖像后，使用Pixmapper 4D手機軟件將照片添加到新項目中，包括定位點的地理坐標、相對高度和營銷期間情報組織的特征。然后設置導出的無障礙節(jié)能圖像的投影平面坐標：CGCS2000/3-degree GaussKruger CM 114E，簡碼為4547。為確保信息的準確性，請求解選項模板，選擇3D MMAP，然后將導出的路面分辨率設置為1 DSM過濾器類型選擇平滑，并選擇組合瓷磚。清晰后，逐漸點擊，圖像將開始執(zhí)行重置解、云數(shù)據(jù)和紋理解，導出DSM、正射影像和索引值。使用通道將出現(xiàn)在計算機界面上的規(guī)則小紅點串成之字形。在高清晰度航空攝影過程中，紅色小點與攝像機拍攝位置相匹配。根據(jù)規(guī)劃線，紅點在解決后變?yōu)榇渚G色。每個環(huán)節(jié)解決后，請自動給出質檢報告。

3.4 三維模型制作

3D模型仍需根據(jù)Pixmapper 4D手機軟件制作。實際實現(xiàn)方法類似于正射影像解算過程，唯一的區(qū)別取決于解算選項模板的選擇。正射影像制造解決方案選項模板選擇三維地形圖三維模型生產(chǎn)解決方案選項模板選擇三維地形圖快速/圖片質量然后將導出的道路分辨率設置為1 DSM過濾類型選擇平滑和組合的瓷磚，并附加導出-晶格曲面導出實體模型選擇XYZ分割字符以選擇分號。清除后，單擊開始，圖像將開始執(zhí)行重置解、云數(shù)據(jù)和紋理解，導出DSM、正射影像和索引值。計算機界面上出現(xiàn)規(guī)則的紅點，并與“井”形狀的通道串連在一起。紅點與高清航空攝影中的攝像機拍攝位置相匹配。根據(jù)規(guī)劃線，紅點在解決后變?yōu)榇渚G色。每個環(huán)節(jié)解決后，請自動給出質檢報告。

局部解完成后，單擊左側菜單欄中的空三條光線，手動加載點云和三角形圖案。加載后，成功地建立了三維模型。為了保證實體模型的精度，在保證應急測繪工程的同時，應同時選擇災害塌陷點周圍的標志物作為參考點，進行精確測量，并根據(jù)自然參考點檢查三維模型的精度。經(jīng)驗證，偏差在有效范圍內(nèi)。由于拍攝3D tic tac toe飛行的限制，三維模型擴展后會出現(xiàn)顆粒塊。然而，為了人民群眾的消防疏散和自然災害危險區(qū)的即時劃分，它設置了危險區(qū)的重要警示標志，確定了預警和疏散路線，這有利于制定消除和預防風險等應急措施，以及組織大規(guī)模移民和避免，以確保應急測繪項目的快速、準確和可視化。

4 無人機應急測繪方法研究

4.1 應急預案制定

如果發(fā)生地質災害，應立即運行應急響應計劃。應在地質災害發(fā)生時進行拍攝，獲取相應的數(shù)據(jù)信息，并進行地質災害應急測繪。地質災害應急測繪需要在最短的時間內(nèi)對區(qū)域進行測繪，以縮短地質災害應急測繪所需要耗費的時間，加強地質災害應急測繪的工作效率。地質災害應急測繪工作人員應當事時對地質災害應急預案進行有效地制定并且結合不同的地質災害類型、等級和危害程度制定應急預案。

4.2 應急航攝作業(yè)

在發(fā)生地質災害時，不僅第一時間對應急預案進行制定，還要進行突發(fā)事件的拍攝。在地質災害發(fā)生的第一時間操作無人機，無人機是應急拍攝作業(yè)的關鍵，使無人機能夠航行到災害發(fā)生的地點，拍攝地質災害的現(xiàn)狀。在這一系列的拍攝工作中，必須首先完成應急航空攝影的總體規(guī)劃。當?shù)刭|災害發(fā)生的時候，有關部門會第一時間掌握受到地質災害區(qū)域的位置信息，但對地質災害的級別和程度知之甚少。因此，如果盲目的操作無人機進行數(shù)據(jù)采集拍照，則拍攝的照片和信息缺少實用性及針對性。因此，應首先對拍攝工作進行總體規(guī)劃。第一步，依據(jù)地質災害產(chǎn)生的區(qū)域制訂距離受災地區(qū)最近的拍攝計劃方案，應用離地質災害產(chǎn)生區(qū)域最近距離的無人機開展拍攝。第二步，整體規(guī)劃無人機拍攝的主要內(nèi)容。依據(jù)這一目標，收集無人機的導航數(shù)據(jù)信息。拍出來的照片更有目的性，能為地質災害應急測繪工程項目給予最高的協(xié)助。第三步由于受災區(qū)域位置不同，會影響無人機拍攝成像品質。先要平穩(wěn)好無人機的拍攝位置，那樣才能夠平穩(wěn)的進行拍攝。不然模糊圖片對地質災害應急測繪工程項目帶來誤判。

4.3 應急數(shù)據(jù)處理

當?shù)刭|災害產(chǎn)生時，必須開發(fā)設計應急數(shù)據(jù)分析方法。地質災害應急測繪便是在非常短的時間內(nèi)把握地質災害狀況。應急地質環(huán)境測繪具備時間較短、高精度的特性，是一項十分嚴峻的工作。地質災害會產(chǎn)生很多的數(shù)據(jù)信息。無人機拍攝的照片可以處理地質災害應急數(shù)據(jù)信息。在進行高清航空攝影時，可以同時拍攝多張照片。根據(jù)無線通信技術，這些圖片可以在拍攝瞬間傳輸?shù)接嬎銠C，為地質災害應急測繪給予了應急數(shù)據(jù)信息，也降低了地質災害應急測繪數(shù)據(jù)的采集時長。當?shù)刭|災害刻不容緩時，迅速的地質災害應急測繪可以節(jié)約很多時間進行援救工作，確保人員的安全，第一時間解救受困人群。在地質災害眼前，時間就是生命。應急地質環(huán)境測繪的效率越高，地質災害導致的經(jīng)濟損失越小，人員安全事故越小。

5 無人機航測技術在應急測繪中的應用

5.1 突發(fā)事件的監(jiān)測

更常見的地質災害包括地震災害、滑坡等。過去，此類地質災害在沒有發(fā)生之前是不能夠有效的對其預測和分析，導致工人大規(guī)模傷亡，許多資產(chǎn)受損。然而，由于科學技術的飛速發(fā)展，一些地質災害的預測和分析有了顛覆性的進展。根據(jù)突發(fā)事件前后的情況，會有一些預警信息，如一些小動物不規(guī)則的活動、磁場的變化等，這種信息的監(jiān)控可以合理地預估和剖析地質災害的產(chǎn)生，協(xié)助地質災害緊急測繪工程項目的順利開展。

5.2 自然資源保護檢測

大多自然資源是不可再生資源。利用這種自然資源可以促使社會的經(jīng)濟發(fā)展的發(fā)展趨勢。但是，在自然資源的采掘中，因為操作不到位，常常產(chǎn)生大量的自然資源浪費的現(xiàn)象，造成很多采礦安全生產(chǎn)事故，如土壤侵蝕和地面沉降。那時候國內(nèi)的采礦技術性還不健全。這類采礦方式不但對自然資源造成了永久的毀壞，并且消耗了大批量的自然資源，促使現(xiàn)在的自然界難以維護和管理的局面。

5.3 地質環(huán)境的監(jiān)測

地質環(huán)境的變化會造成公路和鐵路等交通的破壞，甚至會造成滑坡、山洪等重大災害。我國幅員遼闊，丘陵、山脈、洞穴等地質形態(tài)交織在一起，無法對其進行全天候、多方位的監(jiān)管。特別是當?shù)刭|環(huán)境發(fā)生變化時，將進一步加劇自然環(huán)境的復雜性，使人力資源無法及時、合理地引進，阻礙了公路坍塌、滑坡等災害的處理。

5.4 土地整治的信息獲取

土地的整治可以有效地加強土地的資源利用率的主要對策。通過對農(nóng)田、水源、道路、森林和村莊用地的環(huán)境整治，增加我國農(nóng)業(yè)用地總面積，提高農(nóng)業(yè)用地質量，是推動我國美麗村莊建設的主要途徑。在土地整理中，對土地資源利用進行準確測量的現(xiàn)場檢測必須耗費大量的人工，有的無法按照人工方法完成，這就增加了土地整理的難度因素。

6 具體應用

6.1 技術流程分析

自然災害緊急測繪工程中無人機傾斜攝影測量技術的過程主要包含下面一些層面：①構建無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)，對無人機高清航拍測繪像進行預處理；②多視點測繪，建立真實場景三維實體模型；③自然災害應急響應分析。

6.2 飛行方案的制定和數(shù)據(jù)信息的獲取

高清航空影像數(shù)據(jù)信息的獲取是基礎，主要涵蓋了以下的內(nèi)容：①無人機飛行航線的設計方案。航道的制定應綜合分析無人機型號規(guī)格、攝像機型號規(guī)格、屏幕分辨率、導航方向重疊、橫向重疊等因素。為了更好地提高測繪影像數(shù)據(jù)信息的分辨率，正射影像定向選擇了鏡頭焦距相對較短的圖片，最后通過計算得出I區(qū)飛行高度為500m，II區(qū)飛行高度為300m；②結合測繪地質的變化特點，將測繪項目區(qū)劃分為兩個飛行分區(qū)，分別為I區(qū)和II區(qū)。設計方案橫向重疊80%，航行方向重疊85%；③飛行計劃確定后，選擇八軸無人機對高清航空影像數(shù)據(jù)進行采集，并且及時對每天獲取的影像質量進行檢查，直至質量合格。

6.3 實景三維建模

因為地質災害緊急測繪具備時長緊、每日任務重的特性，必須在短時間內(nèi)獲得精準的三維實體模型，人工進行制作建模需要耗費大量的時間，不能滿足時長規(guī)定，因此有必要選擇自動化技術的建模技術。本次選擇Smart3D Capture和POS作為全自動建模平臺，在測繪領域開展日常實景拍攝和建模任務，從而在短時間內(nèi)獲得真實的三維實體模型。因而，自動生成的三維模型精度高，可以達到地質災害緊急測繪的精度需求。

6.4 受災現(xiàn)狀分析

地質災害應急測繪的具體目標取決于地質災害評估的范圍。在真實的三維實體模型中，測繪區(qū)域內(nèi)的植物群落受到嚴重破壞，還有很多裸露的土地資源。在降雨量大的條件下，容易引起公路邊坡滑坡、泥石流等災害。根據(jù)實際三維實體模型，地質災害總影響面積可達50213.44m2。根據(jù)實際三維實體模型劃分的地質災害類別邊界，在工程量計算的全過程中以最小值的方案為基準。最后，可能導致滑坡或滑坡的土方工程量約為63412.54m3。

為了更好地分析和評估此次地質災害的程度，通過高清航空攝影資料中可以清楚地看到受災區(qū)域，為評估災害情況提供直接依據(jù)。此外，根據(jù)實際三維實體模型為基礎，確定了地質災害的災害界限，并計算了總的影響面積和將產(chǎn)生滑坡或滑坡的土方工程量。最后，覺得這次地質災害的災情比較嚴重，所以應該立即疏散受災范圍內(nèi)的居民，并將他們安置在可靠的范圍內(nèi)。根據(jù)三維模型的研究，由于泥石流災害發(fā)生在災害的下游，應加強該領域的治理工作。

7 結論

將無人機測繪技術與地質災害應急測繪緊密結合，可以合理檢測緊急的突發(fā)事件，獲得土地整治的信息，對地質環(huán)境進行探測，有益于更精確地開展地質災害應急測繪。文中存有一些不足的地方，但期待能有利于無人機測繪技術迅速地運用于地質災害應急測繪當中。