無人機遙感在高位崩塌地質災害調查中的應用

胡才源 章廣成 李小玲

摘要：高位崩塌地質災害的傳統調查手段可能危及作業人員的人身安全，且存在強度大、成本高、效率低、數據不精確等缺點。無人機遙感技術當前在國內多領域正處于探索和發展階段?；跓o人機遙感技術，對貴州油杉河景區的仙宇屯高位崩塌單體進行了研究，通過圖像拼接和幾何校正，實現了精度0.487m的DOM和實景三維立體模型，并對航拍成果的精度進行了檢驗與分析。結果表明，該技術方法獲取的影像數據在今后崩塌地質災害調查中具有非常大的發展空間和研究意義。

關?鍵?詞：高位崩塌; 地質災害; 無人機遙感; 實景三維模型

中圖法分類號： P642?文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.025

無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）是一種有動力、可控制、能攜帶多種設備、執行多種任務并能重復使用的無人駕駛航空器[1-3]。無人機遙感（UAV remote sensing， UAVRS）是利用先進的無人駕駛飛行器技術、遙感傳感器技術、遙測遙控技術、通信技術、POS定位定姿技術、GPS差分定位技術和遙感應用技術，自動化、智能化、專業化地快速獲取國土、資源、環境、事件等空間遙感信息，并進行實時處理、建模和分析的先進新興航空遙感技術解決方案[4-5]。經過近一個世紀的快速發展，無人機遙感在我國大面積的工作平臺上已有大量的成功案例，如地震災害救援與災情評估[6]、氣象監測與預報、極地科考、智慧城市、精準農田管理等領域[7-8]的應用，卓越突出，效果顯著。

我國西南地區地貌形態多樣，地質構造復雜，地形切割劇烈，地質災害發育，且時常伴有多云多雨多霧的天氣，使得傳統航空攝影測量不能獲得理想的影像。而無人機遙感系統能彌補因云霧遮擋而無法獲取高清晰、高質量數字影像的不足，是衛星遙感與載人飛機航空遙感的有力補充。無人機遙感以其具有快速獲取高分辨率、高精度、高時效的遙感數據影像，機動性強，超低空飛行，結構簡單和經濟便捷的優勢，成為遙感數據獲取的重要工具之一?；谝陨咸攸c和優勢，在地質災害應急調查、防治和預測預警中發揮了不可估量的作用。2008年5月12日，四川省汶川縣遭受地震毀滅性的破壞，交通、通訊全部阻斷，臧克[9]等技術工作組應用微型無人機遙感對北川縣城進行航拍，為抗震救災提供了決策支持;2010年6月28日，貴州省關嶺縣崗烏鎮因暴雨發生特大型滑坡碎屑流地質災害，通過無人機航拍獲得第一手高清晰影像用于了解災情情況和指導應急救援[10];2017年8月8日，四川省北部阿壩州九寨溝縣發生7.0級地震，成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室團隊基于震前和震后高精度遙感影像，對災區進行遙感解譯分析，第一時間揭示了地震災害的空間分布及其影像范圍[11];同年8月28日，貴州省納雍縣張家灣鎮普灑社區大樹腳組發生山體崩塌地質災害，通過無人機航拍災前災后影像的對比，為救援工作節省了大量時間。

雖然近幾年無人機遙感技術在大平臺、大領域的研究應用比較廣泛，并獲得了越來越多的研究開發和應用（見圖1），但是作為一項新興技術，利用無人機遙感對某單體地質災害進行調查，提取各種信息加以研究應用的例子少之又少。因此，本文以油杉河景區為例，基于無人機遙感對仙宇屯高位崩塌地質災害進行勘測，制作高精度的數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和數字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM），結合三維立體模型，量測更精確的崩塌參數，為崩塌地質災害的進一步研究與應用提供一種可行的技術方法和實踐參考。

1?低空無人機遙感系統組成

無人機低空遙感系統主要由飛機系統、地面系統和后期數據處理三大部分組成。其中飛機系統包括無人機平臺、遙感傳感器系統（如相機、激光三維掃描儀、紅外掃描儀等）、遙感控制系統和數據實時傳輸與解壓縮系統;地面系統包括航跡規劃系統、無人機地面控制系統以及數據接收解壓縮與實時顯示系統;后期數據處理包括圖像拼接、幾何校正、信息提取與分析等，提取信息的精度取決于無人機搭載的遙感設備的要求[12-13]。

2?低空無人機遙感監測的主要工作流程

無人機低空遙感監測的主要工作流程：起降場地選擇→航跡規劃→無人機遙感影像獲取→影像預處理→可視化數字影像（正射影像DOM和數字高程影像DEM）→數據應用。

起降場地需根據地形、障礙物和無人機起降形式來選擇。航跡規劃應根據任務要求、控制區域范圍、重疊度、分辨率等對待航拍區設計無人機飛行的路線，并載入無人機遙感控制系統，使無人機可以根據預定航跡進行遙感影像數據采集工作。無人機遙感影像獲取是通過無人機平臺和遙感傳感器進行航空攝影，將采集的遙感影像通過無線傳輸通道傳輸到地面接收平臺。影像預處理是指對無人機攝像由于鏡頭焦距的改變、像主點的偏移和鏡頭光學畸變等數碼相機鏡頭產生非線性畸變進行糾正，以及針對成像時由于飛行器姿態變化引起的圖像旋轉和投影變形，進行影像配準，以獲得空間地理信息[14]。數據應用即將所獲取的遙感數據應用于崩塌精細地質信息的提取，用于指導和實踐。

3?低空無人機遙感的應用

3.1?研究區概況

仙宇屯危巖體位于大方縣境東北部的油杉河景區內（見圖2），地形地貌復雜，地表結構破碎，山勢險峻，屬于典型喀斯特峰叢中槽切谷地形，地處低緯度高海拔區。景區海拔多在1 350～1 650 m之間，仙宇屯頂部海拔1 416 m，峽谷最低海拔1 130 m，相對高差286 m，地理坐標為N27°26′14.6″，E105°55′52.7″。景區內植被覆蓋率好，占50%，在危巖體分布立面上，形成間距10～30 m的巖土植被分層。

1.鄉村所在地;2.危巖體位置;3.水系;4.公路;5.縣道;6.國道;7.高速路?圖2?危巖體位置?Fig.2?Location of the dangerous rock mass

3.2?無人機航拍數據獲取及預處理

隨著無人機遙感普及，市面上出現了多種多樣的輕小型無人機。根據國家遙感中心無人機遙感系統信息庫統計分析，輕小型無人機基本以電池為驅動力，續航時間不超過1 h，體重日趨輕量化，絕大多數總重量在30 kg以下（包含遙感載體）。eBee無人機是目前比較認可的最輕、最容易操作、最安全的全自動小型航天器之一。eBee無人機是由瑞士傳感器制造商senseFly生產的一款由Epp泡沫復合材料、碳纖維骨架制成的超輕無人機低空遙感系統，機體十分輕巧，機翼可拆卸，模塊化規劃，環形起飛和著陸，在整個飛行過程中全自動操作，地面平臺可視。因此，在此次仙宇屯高位崩塌地質災害勘查中，選用eBee無人機搭載專業數字相機低空航拍以獲取精度較高的遙感影像數據。其中，無人機及其搭載的數字相機主要參數見表1～2。

航拍區域為山區，地形起伏大，植被茂盛，河谷深切，在距區域1.5 km處較平坦開闊的位置設定飛行參數、拍攝參數以及飛行航線后開始工作（見圖3）。野外數據采集作業累計飛行4個架次，飛行里程83 km，獲取航拍照片191張，有效覆蓋面積1.35 km2。無人機飛行降落后，利用Pix4DMapper軟件對所拍攝的圖像進行全自動的處理，包括勻色與坐標畸變差改正、自由網平差、空三加密、密集點云數據等，輸出高質量、空間參照式的正射影像圖（DOM）和數字高程模型（見圖4）。

通過獲取的密集點云數據結合DEM數據，在ArcGIS三維建模工具平臺上建立地表三維立體模型（見圖5）。

3.3?精度評價

為了后期數據處理能夠順利進行，根據低空數字航空攝影規范[15-16]對飛行質量和攝影質量的要求，在航線規劃時確定了無人機航攝重要參數（見表3）。實拍中，無航攝漏拍，航攝影像色彩均勻清晰，無云層遮擋，色調正常，反差適中，能滿足勘查要求。

運行無人機航片處理軟件獲取正射影像圖后，在ArcGIS三維建模工具平臺上與Google earth校正影像進行疊加，疊加效果見圖6。

從圖6中可以看出，東北部、東南部和仙宇屯中部邊界吻合較好，道路疊加效果一般，吻合度達90%，這是由于Google earth影像的時間為2015年3月31日，無人機影像獲取日期為2016年12月31日，中間間隔時間較長，氣候條件的不同，交通道路的快速規劃，植被覆蓋率的影響，使得兩個影像的疊加存在一定的差異性，這充分體現了無人機遙感具有快速獲取高分辨率、高精度影像的優勢。

3.4?仙宇屯崩塌信息提取與分析

傳統的高位崩塌地質災害的勘查手段主要依靠人員進行實地調查、皮尺量測，存在工作量大、成本高、效率低、對作業人員的安全構成威脅等缺點，對于更加隱蔽的危巖體，且受地形地貌的限制，更是無法具體量測，只能根據經驗判讀危巖體的大小、方量，宏觀評價危巖體的穩定性。而無人機所搭載的遙感系統因其體積小、重量輕、地面操作可視化，能避開傳統方法所帶來的種種弊端，因而可獲取更精細化、準確化、信息化的影像數據。

（1） 定性分析。從圖7俯視圖可以看出，仙宇屯危巖體垂直矗立，三面環水，整體呈近南北向展布，四壁切割破碎，山勢險峻，屬于喀斯特峰叢中槽切谷地形地貌。由工程地質剖面圖8可知，仙宇屯危巖體巖性為白云巖夾泥質白云巖，呈軟硬互層狀產出，軟弱層較薄。通過野外實地調查復核（見圖9），初步判定該危巖體在大氣降雨、氣溫等風化營力作用下，軟弱夾層變形模量越來越低，形成貫通的構造節理或風化卸荷裂隙，巖體結構面的變形模量也逐漸降低，逐層剝離，在坡面上形成以層面或夾層為底界的突出危巖體，最終發生傾倒-崩落的失穩模式[17-18]。

（2） 定量分析。無人機遙感影像生成的三維模型可直接在三維ArcGIS平臺上立體量測所需的各種參數，為崩塌危巖體的穩定性評價提供更精確的數據。通過三維模型可直接量測南面危巖體和西北面危巖體的高程、底部寬、巖體厚度、巖體表面積和方量等崩塌參數，見表4。這些參數為定量化研究地質災害提供了較詳細的基礎數據，對地質災害監測、分析具有重要的指導意義。

4?結論與存在的問題

基于低空無人機遙感測量系統對油杉河景區內仙宇屯的高位崩塌地質災害調查可知，無人機遙感能夠解決傳統高位崩塌地質災害調查的各種弊端?；贏rcGIS平臺構建的實景三維模型可準確描述所在區域的微地貌特征，可精確量測地質災害體的基本屬性信息，并在此數據基礎上估算危巖體方量，為定量研究地質災害提供準確、詳實的基礎數據和統計分析數據。

盡管無人機遙感技術已經被地質災害行業所關注，但對于傳統的以野外調查和室內實驗為主要手段的勘查員來說，掌握無人機的飛行技術、數據收集與處理等面臨著諸多挑戰，無人機技術的培訓將是普及無人機應用的重要手段。然而，由于國內無人機遙感正處于探索和發展階段，先進的遙感設備成本昂貴，其操作和數據處理專業化能力要求較高，使得無人機遙感在地質災害勘查中并不多見，對于山勢險峻的區域更是少之又少。無人機遙感技術在地質災害勘察方面的應用還存在技術門檻較高和法律法規、技術標準不完善等限制。

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引用本文：胡才源，章廣成，李小玲.無人機遙感在高位崩塌地質災害調查中的應用[J].人民長江，2019，50（1）：136-140.

Application of UAV remote sensing in high altitude collapsedgeological hazards investigation

HU Caiyuan??ZHANG Guangcheng2 ，LI Xiaoling1

（1.College of Environmental Monitoring of Guizhou Province， Guiyang 550004， China; 2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Abstract：The traditional investigation method of high-altitude collapse geological hazard has hidden danger to the operator with shortcomings such as high labor intensity， high cost， low efficiency， inaccuracy data. The UAV remote sensing technology is currently used in the exploration and development stage in many fields. Based on this technology， the high-altitude collapse monomer of Xianyutun in the Youshan River scenic area was introduced. Through image stitching and geometric correction， 3D real scene model and DOM of 0.487m precision were realized. The accuracy of aerial photography was tested and analyzed. It is showed that the image data obtained by this technology have great development space and research significance for the investigation of collapse geological hazards in the future.

Key words：?high-altitude collapse; geological disaster; UAV remote sensing; 3D real scene model