無人機技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害危險性評價課程的應(yīng)用與推廣

彭三曦 單慧媚 熊彬

摘要：在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，代表科技前沿的高校，引入高效、高精度的無人機技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險性評價成為高校本科教學(xué)的重要部分。對于地質(zhì)災(zāi)害危險性評價專業(yè)課程，應(yīng)用無人機技術(shù)進(jìn)行災(zāi)害體的三維建模、信息提取及災(zāi)害評價成為本科教育人才模式的改革創(chuàng)新的重點，更是提高學(xué)生工程實踐能力、工程設(shè)計能力和工程創(chuàng)新能力的重要手段。本文結(jié)合桂林理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害評價專業(yè)新技術(shù)、新方法的課程建設(shè)與推廣實例，總結(jié)分析無人機技術(shù)在科學(xué)研究和實踐應(yīng)用方面的優(yōu)勢，突顯無人機技術(shù)在本科教學(xué)中人才培養(yǎng)的重要性，為地質(zhì)災(zāi)害評價專業(yè)教學(xué)與實踐教育提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：無人機技術(shù)；地質(zhì)災(zāi)害評價；三維建模；信息提取

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）14-0094-03

一、引言

桂林理工大學(xué)是一所以中央與地方共建、廣西壯族自治區(qū)管理為主的綜合性高校，源于1956年原國家重工業(yè)部在廣西組建的桂林地質(zhì)學(xué)校，地質(zhì)學(xué)科突出。1978年更名為桂林冶金地質(zhì)學(xué)院，1993年更名為桂林工學(xué)院，2009年正式更名為桂林理工大學(xué)。地質(zhì)災(zāi)害評價課程是以自然科學(xué)和地球科學(xué)為理論基礎(chǔ)，以地質(zhì)調(diào)查、工程問題、數(shù)學(xué)地質(zhì)方法和災(zāi)害體穩(wěn)定性評價為主要手段。該課程適應(yīng)國民經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展的需要，培養(yǎng)側(cè)重于地質(zhì)災(zāi)害的穩(wěn)定性分析與評價，突出空中、地面、地下、陸地背景下，各種方法技術(shù)相互配合，交叉滲透，已形成科學(xué)合理、立體交叉的現(xiàn)代化綜合技術(shù)和方法。

經(jīng)過長期的課程建設(shè)和發(fā)展，桂林理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害評價課程已經(jīng)形成一套成熟的教學(xué)課程，使學(xué)生具備地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場測繪、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與計算、災(zāi)害體評價、災(zāi)害治理與設(shè)計等技術(shù)能力。實現(xiàn)了理論知識和工作實踐的有效結(jié)合，為用人單位所喜愛。然而，隨著科技的快速發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害評價中運用傳統(tǒng)的地質(zhì)羅盤、皮尺等工具進(jìn)行的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查已經(jīng)不能滿足地質(zhì)災(zāi)害評價所要求的高效率和高精度的需求。單純地采用傳統(tǒng)學(xué)科的講授和野外實踐教學(xué)，已經(jīng)不能滿足社會對地質(zhì)災(zāi)害評價專業(yè)人才能力的需求。無論是生產(chǎn)單位、科研機構(gòu)或者是高等學(xué)校，迫切需要大量掌握快速進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害評價的人才，能夠熟練進(jìn)行現(xiàn)場三維建模、三維信息提取以及二次開發(fā)的人才。如何高效、高精度地進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的危險性評價，特別是高陡、危險區(qū)域的評價，一直是地質(zhì)工作者面臨的一大難題，而無人機技術(shù)的航空攝影、三維建模及三維信息提取能有效地解決這個問題[1-3]。

綜上，本文以桂林理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害評價課程為例，結(jié)合其在無人機技術(shù)應(yīng)用課程建設(shè)與推廣過程，總結(jié)分析了無人機技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害評價的應(yīng)用實踐的課程建設(shè)與內(nèi)容，對比分析地質(zhì)災(zāi)害中無人機技術(shù)與傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢，為地質(zhì)災(zāi)害評價課程的本科教學(xué)與實踐教育提供理論基礎(chǔ)。

二、地質(zhì)災(zāi)害評價課程建設(shè)

作為桂林理工大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)的老牌優(yōu)勢學(xué)科，地質(zhì)災(zāi)害危險性評價延續(xù)水文地質(zhì)工程地質(zhì)專業(yè)教學(xué)模式，重點針對廣西等西南巖溶地區(qū)的巖溶塌陷、高陡邊坡的危巖防治、滑坡防治進(jìn)行學(xué)科建設(shè)與學(xué)生培養(yǎng)；作為廣西地區(qū)唯一的精品課程，培養(yǎng)出來的學(xué)生能夠獨立擔(dān)負(fù)工程技術(shù)或工程管理的能力，畢業(yè)生普遍得到用人單位的好評。經(jīng)過不斷地完善教學(xué)機制和增強師資力量，我校地質(zhì)災(zāi)害危險性評價課程得到長足進(jìn)步。近幾年來，隨著消費級無人機及相關(guān)三維建模軟件的普及與推廣，無人機技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害危險性評價的科研和工程應(yīng)用教學(xué)中受到重視并得以發(fā)展。目前，該課程的教學(xué)重點主要有三方面：高陡邊坡危巖的穩(wěn)定性分析與評價、滑坡的勘察與防治以及巖溶塌陷的評價與防治。同時，要求學(xué)生掌握三維建模的軟件使用和運用計算機技術(shù)解決地質(zhì)災(zāi)害危險性評價的有關(guān)問題。

（一）高陡邊坡危巖穩(wěn)定性分析與評價

高陡邊坡危巖的調(diào)查與穩(wěn)定性分析是地質(zhì)災(zāi)害危險性調(diào)查的重要內(nèi)容，包括理論學(xué)習(xí)和野外實際應(yīng)用。該部分內(nèi)容要求學(xué)生熟練掌握危巖體的現(xiàn)場勘察、結(jié)構(gòu)面的測量、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與歸納、赤平投影圖的繪制以及危巖的穩(wěn)定性分析與防治。現(xiàn)場勘察包括熟練運用地質(zhì)羅盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角測量，數(shù)據(jù)的記錄與統(tǒng)計；赤平投影圖的繪制包括赤平投影的基本原理、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、計算機技術(shù)（如：CAD、南方cass和理正軟件）的應(yīng)用；危巖的穩(wěn)定性分析包括掌握危巖發(fā)生的基本原理、危巖在不同工況情況下的穩(wěn)定性的預(yù)測以及危巖崩落時的運動軌跡；危巖體的防治包括根據(jù)現(xiàn)場實際條件進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計處理。

（二）滑坡的勘察與防治

在掌握滑坡的特征、誘發(fā)因素及治理措施理論知識基礎(chǔ)上，通過野外現(xiàn)場教學(xué)，讓學(xué)生具備運用理論知識轉(zhuǎn)化為工程實踐的能力。野外現(xiàn)場教學(xué)主要包括：觀察滑坡的基本特征、測量與記錄滑坡的規(guī)模、分析滑坡的誘發(fā)因素、設(shè)計滑坡的治理措施、對比分析滑坡治理費用及提出治理設(shè)計方案。學(xué)生在滑坡勘察與防治的設(shè)計報告中，需要運用CAD、南方cass軟件及理正軟件進(jìn)行現(xiàn)場等高線的制作、滑坡體土方量的計算以及如削方減載等相應(yīng)治理措施的設(shè)計與費用估算。每一步驟都要求學(xué)生掌握充分的理論知識，確保學(xué)生能夠進(jìn)行獨立承擔(dān)指導(dǎo)項目開展工作的技術(shù)能力。

（三）巖溶塌陷的評價與防治

在掌握巖溶塌陷發(fā)生的地質(zhì)背景、誘發(fā)因素及治理措施理論知識基礎(chǔ)上，通過野外現(xiàn)場教學(xué)，讓學(xué)生具備運用理論知識轉(zhuǎn)化為工程實踐的能力。野外現(xiàn)場教學(xué)主要包括：巖溶塌陷發(fā)生的規(guī)模、各塌陷間的內(nèi)在聯(lián)系、巖溶塌陷區(qū)域覆蓋層厚度、治理措施與建議，分析塌陷區(qū)域覆蓋層厚度，地下水位、水位季節(jié)性波動幅度、巖溶易發(fā)區(qū)劃分與評價、巖溶塌陷治理等相關(guān)知識。學(xué)生在巖溶易發(fā)性評價與治理的過程中，需要運用CAD、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及Arcgis等軟件進(jìn)行作圖、評估與設(shè)計。巖溶塌陷評估與治理設(shè)計的每一步驟都要求學(xué)生掌握充分的理論知識，確保學(xué)生能夠進(jìn)行獨立承擔(dān)指導(dǎo)項目開展工作的技術(shù)能力。

三、無人機技術(shù)的應(yīng)用推廣

消費級無人機的民用普及化給地質(zhì)災(zāi)害危險性評價帶來了一次全新革命。無人機自帶定位系統(tǒng)，操作簡單，價格低廉，數(shù)據(jù)處理簡便，數(shù)據(jù)可靠，一臺智能手機即可實時操作，成為當(dāng)前獲取目標(biāo)體空間數(shù)據(jù)的一種重要方式。無人機具有輕巧、成本低、分辨率高、續(xù)航時間長、高危地區(qū)探測、影像實時傳輸及機動靈活等優(yōu)點而深受學(xué)者的喜愛，在防災(zāi)減災(zāi)、地理測繪、農(nóng)業(yè)林業(yè)、水利水電、公路交通等方面發(fā)揮著重要作用，是人機航空遙感和衛(wèi)星遙感的有力補充[4-6]。因此，利用小型無人機獲取地質(zhì)體空間幾個信息具有獨到的優(yōu)勢。

利用消費級無人機進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險性評價課程的改革和建設(shè)。課程主要步驟為：首先利用無人機進(jìn)行傾斜航拍，通過無人機相片處理軟件Agisoft photoscan/contxt computer /Pix4D mappter建立災(zāi)害體的三維模型和解譯三維坐標(biāo)，并評定解譯的幾何信息精度。在此基礎(chǔ)上，通過GIS、CAD坐標(biāo)提取插件等輔助軟件大量提取邊坡體各結(jié)構(gòu)面的幾何信息，以實際應(yīng)用于災(zāi)害體的評價。

（一）無人機技術(shù)獲取災(zāi)害體地質(zhì)信息

1.消費級無人機的傾斜航拍技術(shù)。傳統(tǒng)的測繪航拍為正射影像，而高陡邊坡體結(jié)構(gòu)面/滑坡體結(jié)構(gòu)面/巖溶塌坑面的獲取要求無人機從目標(biāo)體的側(cè)面進(jìn)行拍攝，并配合一定的傾斜度調(diào)整，即無人機的傾斜航拍，有別于傳統(tǒng)意義上的正射影像。另外，研究無人機航拍的飛行路線，相機檢校和畸變校正等拍攝技術(shù)，實現(xiàn)高效飛行[7]。

2.三維實景模型的建立和三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化。無人機自帶GPS定位系統(tǒng)，利用Agisoft photoscan/contxt computer/Pix4D mappter無人機相片處理軟件，建立目標(biāo)體的三維實景模型，進(jìn)而提取和轉(zhuǎn)化目標(biāo)體的三維坐標(biāo)，用于工程實際。

3.完成結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計算程序的編寫，實現(xiàn)從實景模型提取結(jié)構(gòu)面幾何信息。基于不共線的三點確定一個平面的原理，運用編程軟件Visual Basic編寫了結(jié)構(gòu)面傾向、傾角計算程序，結(jié)合CAD坐標(biāo)提取插件，進(jìn)行實景模型點云的三維坐標(biāo)提取，進(jìn)而實現(xiàn)實景模型結(jié)構(gòu)面的幾何參數(shù)提取。

4.評定目標(biāo)體結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)的精度，從而進(jìn)行工程實際應(yīng)用。通過基礎(chǔ)測量理論分析和典型實物試拍，進(jìn)行拍攝技術(shù)和測量精度的測試和驗證。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)野外目標(biāo)體的結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)的提取，為后續(xù)的地質(zhì)災(zāi)害評價與相應(yīng)處理提供精確數(shù)據(jù)。

（二）硬件設(shè)施

無人機技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害危險性評價課程的技術(shù)推廣需要具備基礎(chǔ)的硬件設(shè)備，包括消費級無人機和高性能的計算機[7]。我校近年來對這方面的建設(shè)日益重視，分別投入經(jīng)費和場地進(jìn)行課程的發(fā)展與建設(shè)。目前已經(jīng)購買3臺專業(yè)級無人機，正在招標(biāo)購買6臺精靈4pro小型無人機，此外，配備3臺128G內(nèi)存的工作站和工作站機房，工作站用于進(jìn)行相片處理軟件Agisoft photoscan/contxt computer/Pix4D mappter/Arcgis等的運行。

（三）版權(quán)購買

為快速處理和獲取地質(zhì)災(zāi)害體的三維數(shù)據(jù)信息，需要運用Agisoft photoscan/contxt computer/Pix4D mappter/Arcgis等軟件進(jìn)行災(zāi)害體的三維模型建立、三維模型的信息提出以及災(zāi)害體的危險性評價與防治措施設(shè)計。因此，我校投入巨大的課程建設(shè)費用用于購買正版軟件的使用權(quán)。

四、問題與分析

近兩年來，桂林理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害危險性評價課程在無人機技術(shù)應(yīng)用與推廣的課程建設(shè)方面取得了較好的發(fā)展，但是存在的問題也比較突出。地質(zhì)災(zāi)害危險性評價的課程建設(shè)與推廣迫切需要加強師資隊伍建設(shè)。高校教師是主要授課者，師資隊伍的專業(yè)水平代表一個專業(yè)的教學(xué)水平，也是課程建設(shè)的主要內(nèi)容，因此，師資隊伍建設(shè)是課程建設(shè)和持續(xù)發(fā)展的有力保證。目前，我校地質(zhì)災(zāi)害危險性評價的師資力量主要集中在以傳統(tǒng)的評價方法進(jìn)行災(zāi)害體的評價，而在無人機的航線規(guī)劃、三維實景模型的建立與信息提取、軟件的二次開發(fā)與利用方面缺少人才。課程建設(shè)與推廣碰到的問題主要體現(xiàn)在老教授對新興的無人機技術(shù)具有排斥心理，同時，不能迅速掌握相關(guān)的飛行技術(shù)和計算機軟件處理能力，而動手能力強、計算機較強的教師，缺乏專業(yè)積累和工程實踐。這個問題的主要原因是消費級無人機的普及與推廣最近幾年才興起，應(yīng)用到工程實踐較少，三維實景建模的軟件更新速度快，具有計算機背景的對口教師較少。

目前，加強地質(zhì)災(zāi)害危險性評價課程的師資隊伍建設(shè)可通過以下兩個方面進(jìn)行，一是對現(xiàn)有青年教師進(jìn)行各種無人機飛行操作和三維實景建模的培訓(xùn)，讓他們熟練掌握無人機技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害危險性評價中的實際應(yīng)用，同時鼓勵以老帶新，在請教本課程老教授專業(yè)積累的過程，展現(xiàn)無人機技術(shù)的高效性與實用性，消除老教授對無人機技術(shù)的排斥心理；二是積極引進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的專家，保持接觸最前沿的科學(xué)研究和保證無人機技術(shù)在災(zāi)害評價的工程實際應(yīng)用，為此，桂林理工大學(xué)也出臺了一系列引進(jìn)專業(yè)的高薪待遇。

五、展望

地質(zhì)災(zāi)害危險性評價是我們不可回避的現(xiàn)實問題，嚴(yán)重地影響國家的經(jīng)濟建設(shè)和生產(chǎn)安全。在計算機技術(shù)高速發(fā)展和無人機普及的背景下，無人機技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害危險性評價領(lǐng)域帶來了全新的變革。它能高效、精準(zhǔn)地獲取災(zāi)害體的三維地質(zhì)信息，特別是在高陡邊坡區(qū)域的災(zāi)害體。因此，熟練掌握無人機技術(shù)對于地質(zhì)災(zāi)害評價課程，乃至地質(zhì)類課程的課程建設(shè)、人才培養(yǎng)與可持續(xù)發(fā)展都至關(guān)重要。信息化技術(shù)的高速增長，對地質(zhì)災(zāi)害危險性評價課程提出了新的要求，針對性地進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的研究都有益于應(yīng)用型人才和研究型人才的能力提高，也成為該課程所面臨的主要問題和未來發(fā)展所需。此外，對于具備本專業(yè)基礎(chǔ)的本科生甚至研究生，都日益認(rèn)識到新科技、新技術(shù)帶來的課程建設(shè)與技術(shù)變革，越發(fā)迫切的期望能掌握相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)能力。

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