淺談無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)在我國地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的運(yùn)用

崔明軍

（河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第七地質(zhì)大隊，河南 鄭州 450016）

隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，無人機(jī)測繪、勘探技術(shù)已經(jīng)得到業(yè)界認(rèn)可并大量投入使用，傳統(tǒng)的地質(zhì)勘測由于受限較多，費(fèi)時費(fèi)力、成本高、風(fēng)險高的原因已經(jīng)與當(dāng)代技術(shù)發(fā)展要求不匹配，無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用受到人們廣泛關(guān)注。

1 遙感技術(shù)

遙感技術(shù)是上世紀(jì)60年代興起的探測技術(shù)，根據(jù)電磁波的理論，利用傳感儀器對遠(yuǎn)距離目標(biāo)所輻射和反射的電磁波信息，進(jìn)行收集、處理，并最后成像，從而對地面各種景物進(jìn)行探測和識別的一種綜合技術(shù)，無人機(jī)就是遙感技術(shù)應(yīng)用的典型技術(shù)[1-3]。

1.1 無人機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

總體來說，無人機(jī)系統(tǒng)可以分為：地面系統(tǒng)（含人員）、機(jī)身系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理三方面，地面系統(tǒng)包括：輔助設(shè)備、控分系統(tǒng)、起落系統(tǒng)地面部分、人員機(jī)遙控。機(jī)身系統(tǒng)有飛控、傳感、推進(jìn)、導(dǎo)航等系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理含測繪分析及圖像生成、分析、處理，進(jìn)而形成監(jiān)測報告。

低空攝影屬于遙感技術(shù)的具體應(yīng)用，一般使用感光度強(qiáng)、色彩深度的CCD數(shù)碼相機(jī)，可以進(jìn)行連拍、速攝，載片量大，通過傳感器輸出至地面進(jìn)行圖像分析，其功能十分強(qiáng)大，可以充分滿足地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測需要。

1.2 國內(nèi)外發(fā)展歷程

上世紀(jì)末，隨著我國計算機(jī)通訊技術(shù)的快速崛起，小型數(shù)字化傳感器問世并迅速應(yīng)用到無人機(jī)領(lǐng)域，2003年中國科學(xué)研究院設(shè)計出了小型多普成像儀，隨后其用途愈加廣泛，紅外成像和高光譜影像等技術(shù)也隨之誕生，通過這些技術(shù)的應(yīng)用彌補(bǔ)了傳統(tǒng)遙感技術(shù)的不足。國外的無人機(jī)誕生較早，1917年第一架無人機(jī)研發(fā)于英國，用于空氣采樣、交通監(jiān)管等，后隨著技術(shù)成熟，開始進(jìn)入軍事領(lǐng)域，比如在越南戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中用于監(jiān)控和精準(zhǔn)打擊等，如今在無人機(jī)在種類、數(shù)量和數(shù)控應(yīng)用等方面都較成熟，處于世界領(lǐng)先地位的有美、英、以色列等國。

2 無人機(jī)應(yīng)用廣泛的原因

之所以無人機(jī)技術(shù)能得到大范圍的應(yīng)用和推廣，是存在一定原因的，下面從需求和技術(shù)兩個方面進(jìn)行分析：

2.1 需求驅(qū)動

需求驅(qū)動：首先，無人機(jī)低空攝影技術(shù)是獲得精細(xì)三維數(shù)據(jù)主要手段之一，大比例尺和高分辨率的需求逐步提高；其次，目前衛(wèi)星遙感技術(shù)受地理空間的限制，信息回饋周期長，受軌道、天氣影像嚴(yán)重，分辨率和準(zhǔn)確度難以保證；再次，載人飛機(jī)受氣候、空域的限制的影響較大，缺乏機(jī)動性且使用成本高。

2.2 技術(shù)驅(qū)動

技術(shù)驅(qū)動：第一，為地理監(jiān)測及應(yīng)急指揮提供了新的技術(shù)平臺；第二，無人駕駛，可以遠(yuǎn)程控制起飛、遙感操作、返回遙控降落；第三，可以進(jìn)行危險區(qū)域信息獲取、空中偵查搜索、救援、監(jiān)測等多項載人機(jī)無法完成的任務(wù)

3 無人機(jī)低空攝影監(jiān)測的優(yōu)劣勢分析

用無人機(jī)來承擔(dān)地質(zhì)監(jiān)測監(jiān)測任務(wù)存在的優(yōu)勢和劣勢有以下幾個方面：

（1）具有很高的機(jī)動性、靈活性和安全性。首先無人機(jī)監(jiān)測不需要專門的起降落場地，能在極短時間迅速升空且操作簡單，尤其是在建筑物密集的城市地區(qū)和地形復(fù)雜的山區(qū)丘陵地帶的應(yīng)用；無人機(jī)能夠在極度危險和惡劣的環(huán)境下工作，比如在森林火災(zāi)、火山爆發(fā)等地區(qū)可以直接獲取影像，即使出現(xiàn)故障或著技術(shù)性失誤導(dǎo)致墜毀，也不會遭受巨大的損失。

（2）具有分辨率高、角度自由的特點(diǎn)。數(shù)碼成像設(shè)備具有垂直與傾斜攝影能力，可以在低空多角度攝影獲取建筑物側(cè)面的信息，彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感和普通航拍攝影受到高層遮擋的問題；空間分辨率可以達(dá)到厘米級別，可以對構(gòu)建高精度數(shù)字化地面模型極三維立體景觀進(jìn)行圖片處理。

（3）性能優(yōu)異，無人機(jī)能按照預(yù)訂航向在50m～1000m的高度范圍內(nèi)自由飛行、拍攝，起飛行高度的誤差可以控制在十米以內(nèi)。在陰云下飛行也可以獲取光學(xué)影像，且逼真度遠(yuǎn)超雷達(dá)，既不受高度限制，也不受山區(qū)低云影像。

4 無人機(jī)低空拍攝工作的流程

無人機(jī)進(jìn)行航拍等一系列的監(jiān)測活動，一般流程分為倆大類，通過遙控?zé)o人機(jī)獲得數(shù)據(jù)和圖片，之后傳輸之地面進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，并得出分析報告。當(dāng)前無人機(jī)采集信息一般使用降落后數(shù)據(jù)下載之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的形式,但是已經(jīng)無法滿足地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)激的需求,采用高分辨率采集的信息與地面實(shí)時融合與傳輸?shù)姆€(wěn)定是保障無人機(jī)作業(yè)的重要手段，具體可顯示為：地面控制--任務(wù)確定--起飛--數(shù)據(jù)獲取--GPSIMU數(shù)據(jù)獲取--數(shù)據(jù)同步傳輸--降落數(shù)據(jù)傳輸--數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).處理數(shù)據(jù)內(nèi)容有糾正拼接和應(yīng)用分析,畸形旋轉(zhuǎn)投影的矯正,由于受天氣/云層的影像,會產(chǎn)生傾斜角,通過速算、平差形成數(shù)字模型，再利用微波遙感對點(diǎn)云解算得雷達(dá)影像。

圖1 無人機(jī)低空拍攝工作流程

5 無人機(jī)攝影監(jiān)測在地質(zhì)災(zāi)害中應(yīng)用的綜合分析

地質(zhì)災(zāi)害是在地球的自然發(fā)展演變過程中,由各種自然地質(zhì)作用和人類活動所形成的的災(zāi)害性地質(zhì)事件，分為突發(fā)性的（崩塌、滑坡泥石流等）和漸進(jìn)性的（水土流失、地面沉降）地質(zhì)災(zāi)害給人民的生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅,因此有必要開展地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測、應(yīng)急和風(fēng)險區(qū)劃。

關(guān)于無人機(jī)低空勘測的流程如下：第一，在突然發(fā)生災(zāi)害的瞬間要立即探索受災(zāi)地區(qū)的具體位置，并充分落實(shí)對受災(zāi)地區(qū)的各種信息和資料的反饋，然后全面探索無人機(jī)各種飛行環(huán)境等具體情況，如相關(guān)氣象響應(yīng)報告顯示風(fēng)、云、雨、雪等惡劣天氣，確保所有核心信息的準(zhǔn)確、安全飛行，無人機(jī)可以在云、雨天氣條件和惡劣天氣條件下執(zhí)行8級及以上的飛行任務(wù)。第二，準(zhǔn)確確定災(zāi)害發(fā)生的具體區(qū)域后，開始制定詳細(xì)計劃飛行路線，重點(diǎn)是計算和無人機(jī)的飛行高度以及路徑，傳輸模型就是依靠建立在地面信息塔，通常無人機(jī)飛行高度是在60米至1000米之間，速度在80公里/小時至150公里/小時之間.第三，設(shè)定飛行路徑后，將軌跡信息輸入中央控制臺，然后給無人機(jī)一個指示信號，當(dāng)無人機(jī)接收到信號后，可以通過短距離慢速飛行、人工投影等方式起飛；無人機(jī)可以更加神奇地按照設(shè)定的軌跡飛行。最后，采集數(shù)據(jù)后，需要使用信息分析軟件進(jìn)行實(shí)時處理和綜合宏觀勘查。

無人機(jī)低空攝影遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害中存在的意義：無人機(jī)遙感在地質(zhì)災(zāi)害中的作用。當(dāng)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時，負(fù)責(zé)抗震救災(zāi)人員不可能立即趕到現(xiàn)場，因此如何獲取災(zāi)區(qū)的一線信息就成了處理在后重建的的第一要務(wù)，在專職救災(zāi)人員到達(dá)現(xiàn)場之前，無人機(jī)遙感已經(jīng)首先獲取了災(zāi)區(qū)的災(zāi)害圖像信息，所以無人機(jī)遙感在地質(zhì)災(zāi)害中發(fā)揮著不可小視的作用，可以有效提高災(zāi)害監(jiān)測水平；在這之后，為第一時間無法到達(dá)現(xiàn)場的救援指揮人員和部門提供客觀準(zhǔn)確的災(zāi)害信息。最后，能夠最先監(jiān)測災(zāi)后可以恢復(fù)和重建的程度，而且能使遙感觀測技術(shù)在救災(zāi)中得到充分應(yīng)用。

6 案例分析

2008年汶川大地震，5月13日中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所成立遙感抗震救災(zāi)技術(shù)小組，成立一線無人機(jī)勘測小分隊，采用低空無人機(jī)--飛象1號進(jìn)行拍攝，飛行高度4000M,航速95千米每小時,續(xù)航3小時,分辨率可達(dá)到200厘米,本次無人機(jī)低空攝影對了解地震災(zāi)區(qū)房屋和道路的破壞程度和空間分布，以及滑坡、崩塌、堰塞湖等地震災(zāi)害的分布和動態(tài)變化具有重要意義。為搶險救災(zāi)、地震災(zāi)難評估、次生災(zāi)害預(yù)防和災(zāi)后重建提供了最及時資料和科學(xué)規(guī)劃的依據(jù)。

5月17日之后主要對于震后滑坡、崩塌等形成的堰塞湖進(jìn)行低拍。將每次獲得的相關(guān)影像經(jīng)數(shù)據(jù)拼接與解譯后，就被立刻送到救災(zāi)指揮總部，在抗震救災(zāi)期間,無人機(jī)一直服務(wù)于救人以及對堰塞湖的實(shí)時監(jiān)測與次地震評估。總之,在汶川的抗震救災(zāi)過程中，以及預(yù)防次生災(zāi)害的防治和安置災(zāi)區(qū)人民重建的評估之中,無人機(jī)技術(shù)在各個環(huán)節(jié)都起到了極其重要的作用。基于邏輯科學(xué)和相關(guān)地理科學(xué)、形成了由定性到定量的綜合研究體系,以及相關(guān)理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐，當(dāng)今,我們正在不斷融合著衛(wèi)星遙感、空間信息、地理環(huán)境等多方面的技術(shù)集合，對于地質(zhì)災(zāi)害的動態(tài)監(jiān)測與評估、交通監(jiān)測與衛(wèi)生防疫等方向，有著質(zhì)的突破,有利于形成相關(guān)行之有效的防治機(jī)制,對今后突發(fā)的自然災(zāi)害能做到行動迅速,精準(zhǔn)反饋的目標(biāo)。