多旋翼無人機航測系統在高原地質災害中的應用

呂文雅，朱蘭艷，李超，劉小軍

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093； 2.云南省基礎測繪技術中心，云南 昆明 650034)

1 前 言

德欽縣在云南省西北部，地處青藏高原南延的橫斷山脈縱谷部位，境內地形皆為高山峽谷，地形坡度大，地質災害發育嚴重，主要有泥石流、滑坡、崩塌等。由于滑坡等地質災害具有時間上的不確定性以及快速變化等特點，因此防災、減災、救災的首要問題是及時掌握災害發生和發展情況[1]。且德欽縣內平均海拔為 4 270.2 m，在這種高原山區，傳統攝影測量具有一定的局限性，很難獲取大比例尺數字正射影像，這對于高原地質災害監測是亟待解決的問題。

2 多旋翼無人機航測系統在高原地區的適用性分析

德欽縣特殊的地質環境特征給該區帶來了嚴重的地質災害。由于滑坡等地質災害的突發性，通常需要不定期進行災害區域變化監測，傳統的攝影測量成本高，效率低，適用性不大。

多旋翼無人機體積小，靈活性高，生產周期短，對起飛、著陸場地要求低，與航空攝影測量結合，可高效高質量的獲取災區的高分辨率影像，為搶險救災提供第一手資料。多旋翼無人機具有在定點懸停、垂直升降以及中慢速巡航的特點，鑒于這一特點，在地質災害變化監測中，可以實現高分辨率、定點、多重復的進行影像的獲取，提供多期災害高發區域高分辨率影像，進行數據處理后，多期對比分析，為地質災害預防提供依據。

3 應用實例

3.1 影像獲取

四旋翼無人機使用型號為MD4-1000，搭載鏡頭焦距為 35 mm的SONY a7r全畫幅微單相機。利用該四旋翼無人機在2014年和2016年分別對德欽縣民族小學后山滑坡群進行兩次航拍，獲取高分辨率影像。

2014年對民族小學后山滑坡群的航拍參數如表1所示，根據外業規范，航拍質量合格。

2014年飛行質量評價表 表1

2016年再次對民族小學后山滑坡群進行的航拍，攝影方向為東南-西北，航線條數為6條，分兩個架次完成，航拍質量合格。

圖1 民族小學后山滑坡群2016年航線飛行示意圖

3.2 影像處理

(1)數據整理和預處理。由于無人機種類的不同，獲取的POS數據格式有所不同，將POS數據整理為可以導入Agisoft PhotoScan軟件的格式。再將所拍攝的影像進行整理篩選，刪除地面試拍照片及對應的POS數據。

(2)導入影像、導入POS數據。將整理好的數據按著先影像，后POS的順序導入。

(3)數據定向及點云提取。Agisoft PhotoScan軟件可自動計算出照片的位置、姿態等，其內定向、相對定向及絕對定向都自動完成，無須人工干預。將影像和POS數據導入后，即可自動定向并生成點云數據。

(4)生成網格。Agisoft PhotoScan軟件通過密集點云構建不規則三角網(TIN)。

(5)生成DEM。根據構建的三角網生成DEM。

(6)生成DOM。根據構建的三角網生成高分辨率正射影像[2，3]。

3.3 DEM和DOM輔助滑坡區域變化對比分析

(1)分析方法

兩期影像均以XIAN1980為投影坐標系，通過處理兩期的滑坡區三維高程信息，獲得滑坡區在相同坐標系下的兩期數字高程模型(DEM)[4]。在ArcGIS里導入同一區域兩個時期的DEM，通過兩期不同觀測時間下DEM的高程相差計算，得到差值的柵格文件，在此柵格文件里可以查看每個區域整體的變化情況及相應變化區域的高程變化程度的情況。以德欽縣民族小學后山滑坡區域的兩期監測數據的DEM為例進行比較分析。通過對監測區域整體的高程變化觀察，選取變化比較明顯的地方做分析。根據高程變化差程度小以及不連續的小變化區域不做分析的原則，共找出在民族小學后山滑坡群區域有8塊重點分析區域，各個重點分析區域分布如圖2所示。

圖2 民族小學后山監測區域重點分析區域分布圖

針對每個變化區域逐一進行分析，最終比對分析的結果統計如表2所示：

重點區域分析結果 表2

(2)變化原因分析

本論文的差異對比分析主要是基于DEM對比分析得出結果，經過對比分析成果可以看出，區域的變化類型主要可以分為下面幾類：

(1)人類活動行為產生的變化，如建筑施工、樹木種植、土地開挖等。

(2)地表自身形變產生的變化，如受天氣的影響而產生的自身形變。

在民族小學后山監測區域內，變化類型統計如下：人為因素占15%，自身變化占30%，無變化占55%。

(3)分析結果

由DEM對比分析結果結合重點分析區域的分析結果，可以得到如下結論：

民族小學后山滑坡監測區域有變化的區域有8個，通過對比分析發現有6處區為沙石滑動引起的堆積變化，有1處為建設施工堆土引起的變化，有1處為植被覆蓋(人為或自然生長)引起的變化。仔細查看DEM數據、照片等發現這些區域的滑坡大多數區域變化不大，趨于穩定。對于變化大的區域，僅有兩處是人為加固和植被覆蓋緩解了滑坡的加劇，因此針對民族小學后山滑坡監測區域，還需采取措施，加強治理，尤其是在雨季要更加注意并預防此處發生地質災害。

4 結 論

采用多旋翼無人機航測系統進行高原滑坡監測，能夠快速高效的獲取監測區域數字正攝影像圖和數字高程模型，通過綜合對比分析，獲得區域變化信息，根據監測區域的變化趨勢提前預警或采取預防措施，有效降低滑坡的危害，可最大程度減少人民群眾生命和財產損失，為地質災害的預防和治理提供科學支撐。

[1] 劉春，萬紅，李巍岳等. 基于無人機影像的大型滑坡區域精細地形構建研究[J]. 井岡山大學學報·自然科學版，2015，36(1)：1～7.

[2] 鄒長慧，周忠發. 喀斯特高原山區無人機低空遙感影像數據的獲取與處理[J]. 測繪通報，2012(S1)：421～423.

[3] 周曉敏，趙力彬，張新利. 低空無人機影像處理技術及方法探討[J]. 測繪與空間地理信息，2012，35(2)：182～184.

[4] 周航，劉樂軍，王東亮等. 滑坡監測系統在北長山島山后村山體滑坡監測中的應用[J]. 海洋學報，2016，38(1)：124～132.

[5] 叢曉明，鄭永虎. 基于無人機遙感技術的青藏高原地質災害遙感解譯研究——以青海省大通煤礦區為例[J]. 青海師范大學學報·自然科學版，2016(2)：42～46.