旋翼無人機航測技術在地質災害調查治理中的應用探討

蘇瑩鐸

(同煤集團地質勘測處，山西 大同 037003)

1 引言

地質災害作為一種特殊的不良地質現象，無論是在滑坡、崩塌、泥石流等災害個體，還是由他們組合形成的災害群體，遙感圖像呈現的形態、色調、影紋結構等均與周圍背景存在一定的區別[1]。在實際測量作業中，采用傳統的常規地面測量、GPS測量及人工野外調查等傳統監測手段只能獲取少部分地理礦情專題要素，且存在工作量大、效率低、采集的數據過于離散、時效性差等問題，難以全面反映礦區專題要素整體狀況及變化趨勢。而借助無人機航空攝影系統來捕獲工作區的高分辨率影像，創建地質災害遠程遙感解譯標志，借助GIS提取技術來遠程遙感解釋各待研究區的實際地質災害情況，并提取相關信息，通過解譯遙感圖像可以系統、全面地調查研究區域內已經發生的地質災害和地質災害隱患點，并把其類型情況、規模大小以及發育特點、發展趨勢以及危害性等因素弄清楚，在此基礎上對后期地質災害防治工作進行科學指導。

2 工程實施關鍵技術及應用

2.1 無人機航空攝影

本次研究利用的無人機系統以大疆M600飛行平臺定制而成，選用Zenmuse X5專業攝像設備進行工作面的地表圖形、圖像的獲取。采用Lightbridge技術作為無人機與地面站之間的數據鏈，使用DJI GS Pro飛行控制平臺作為地面站進行無人機飛行控制與任務規劃，同時使用DJI GO系統作為輔助系統，完成無人機與地面站的各項配置。該系統配備了具有高分辨率的CCD相機，在實際測量作業中可及時捕獲各種遙感影像。該系統還能科學、合理的規劃飛行航跡，實時監控飛行航跡，并快速獲取各種信息數據，其屬于一智能化程度較高、較穩定可靠、實際作業能力相對較強的低空航攝平臺。同忻礦8203工作面具體工作流程：（1）資料收集：在實地調查工作開展之前先期展開資料收集工作，了解其開采方式、工作面布置、煤層賦存、地質條件及相關的圖紙等資料，在此基礎上有針對性地開展進一步調查工作。（2）航線規劃與設計：在對航線進行規劃時，要考慮航拍任務的要求和飛機自身的性能約束，保證飛機在指定的區域按計劃進行飛行，事先要對飛行的區域進行設定，包括：范圍、航線長度、航線高度、拍照時間間隔、照片重疊率等內容，航跡規劃圖如圖1。（3）航空攝影：根據本次任務要求，提前設計規劃飛行區域，采用WGS84坐標，標定測區在地圖上的位置，區域南北向長約2200m；東西向寬約400m；面積約0.9km2，航線單長度為5000 m，總長度為15300m。依照規劃的航線，擬定飛行高度和航跡信息，飛行高度為100m，飛行30min，分為三次飛行。進入預定航線進行空中拍攝。當無人機進入超視距遙測飛行狀態時，需通過地面遙控裝置（遙控器、視頻顯示器等）進行飛行及拍攝任務控制。

2.2 航空影像處理

本次研究采用航測處理軟件Photo Scan圖形處理系統作為圖形的制作處理工具對遙感圖像進行處理，完成航片選取、照片導入、對齊、照片拼接、專題圖生成等主要步驟獲得正射影像圖，并采用專業遙感圖像處理軟件Erdas Imagine對研究區正射影像進行拼接，應用ArcGIS軟件將處理好的航拍影像進行整飾。

本次研究中無人機的航片處理采用Photo Scan圖形處理系統，該軟件解析了運用光束法平差計算進行的空中三角測量，此種測量主要是基于立體攝影測量，依據部分野外控制點在室內來進一步加密各控制點，最終把各加密點的高程大小及具體平面位置確定清楚的一種測量法，其可為缺少野外具體控制點的地區測圖提供較定向的控制點[2]。此次研究區解析空中三角測量成果的精度符合規范要求（表1）。

表1 同忻礦8203工作面解析空中三角實際測量結果

2.3 地質災害的遙感解譯

所謂的遙感解譯主要是以測得的各種遙感影像為基礎，并充分結合待研究區的具體地形資料及相關地質資料，進行深入研究分析進而來解譯地質災害的工作，本次解譯主要采用的是同煤地質勘測處無人機航拍獲得的正射影像圖，借助室內人機互交式解譯與具體的野外驗證等手段來最終實現對研究區的實際地質災害情況解譯（圖2）。

圖2 地質災害遙感解譯流程

就獲得的遙感影像而言，隨地物的不同，也會獲得各種不同特征的影像，這些影像特征是對各地物進行識別判斷的依據，人們稱之為解譯標志[3]。一般人們在創建遙感解譯標志時，可從待解譯物的顏色情況、陰影情況、形狀大小、具體位置以及紋理走向等方面進行考慮，且在進行實際解譯作業時，應盡可能地全面考慮各種因素，這樣有助于更深入、更詳細地進行解譯，謹防出現漏判現象。總之，在確定具體解譯標志時，應綜合分析各種影像特征，以獲得更準確更具代表性的解譯標志。

在實際測量作業中，遙感影像圖上所呈現出來的地質災害實際形態還有具體色調情況等，通常會在某種程度上與四周環境遙感影像特征存在部分差別，對此，人們可通過地質災害個體在遙感影像圖上實際反映出的異常情況，并借助已創建的參照解譯標志來初步解釋研究區的實際情況。應詳細徹底地排查解譯出的災害點，進一步去偽留真，同時可充分結合外業復核來詳細解譯各災害點，具體如下表2所示。

表 2 研究區地質災害解譯標志說明表

圖3 8203工作面上覆地表裂縫及塌陷坑遙感影像圖

對詳查中標注的“重點疑似災害點”進行人工現場確認，將災害點進行編號并命名，相關信息進行詳細記錄制成記錄表（表3）。

表 3 地質災害信息記錄表

3 結論

經過對該項目的研究，無人機遙感技術的高分辨率和高機動性是傳統遙感技術所無法比擬的，可以用于地質災害調查、監測、預警、評估的全過程，通過DOM可以很直觀地看出礦山治理前后的變化，而傳統的測繪方法只能提供單一的地形圖。無人機航測不僅作業速度快，而且減少外業工作量及成本。隨著無人機遙感技術的進一步完善和科學技術的進步，各種小型傳感器在無人機上應用，無人機遙感技術將成為地質災害調查及環境監測等遙感應用不可缺少的重要手段， 也可在以后的礦山治理及將來的“數字礦山”建設中發揮更大的作用。