基于隨機森林算法與無人機在邊坡破損辨識中的應(yīng)用

■方晨曦

(福建省公路管理局路網(wǎng)應(yīng)急保障中心，福州 350004)

1 引言

據(jù)《福建省“十二五”地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃》統(tǒng)計，全省現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害隱患點1.2 萬處，威脅人數(shù)20 多萬，威脅財產(chǎn)50 多億元。 在地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生如此不利的影響背景下，《福建省“十三五”綜合防災(zāi)減災(zāi)專項規(guī)劃》針對性地提出要強化山洪與地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警和綜合防治，健全災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)絡(luò)。面對嚴峻災(zāi)情，防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)的研究與發(fā)展無疑具有重要意義。

滑坡是公路工程建設(shè)中常見的一種病害。 對公路工程建設(shè)的危害很大，輕則影響施工進度，重則破壞建筑結(jié)構(gòu)。 滑坡通常造成阻斷交通，影響公路交通運輸生命線；大規(guī)模的滑坡，更可能摧毀公路，阻塞河道、掩埋村莊。對滑坡建立有效的監(jiān)測系統(tǒng)， 既有利于我省采取措施避免滑坡的發(fā)生，進而減少滑坡發(fā)生后的人身財產(chǎn)損失[1,2]。

滑坡災(zāi)情監(jiān)測是一門整合性很強的應(yīng)用技術(shù)， 傳統(tǒng)的大地觀測法、 儀表觀測法、GPS 觀測只能進行點監(jiān)測，在利用監(jiān)測點監(jiān)測變形體時，因為測點數(shù)量有限，難以反映邊坡體變形的細節(jié)和全貌。特征信息不夠全面，無法獲取其他部位或整個地質(zhì)體的空間位移模式。 隨著數(shù)字相機在像素與分辨率的技術(shù)進步， 加上圖像處理定位技術(shù)高精度與實時化的發(fā)展， 近景攝影測量因不需要登臨邊坡現(xiàn)場布點，作業(yè)簡易且成本低廉，該技術(shù)在公路邊坡監(jiān)測或滑坡監(jiān)測方面具有相當?shù)膽?yīng)用與發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 無人機簡史

無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)的發(fā)展可回朔至第二次大戰(zhàn)之前，早在1896 年美國史密松研究院的山姆藍利， 已設(shè)計出翼展4m 長小飛機， 飛行距離約為1km，隨后在美國海軍的支持下，成功地運用了陀螺儀的穩(wěn)定定向性， 設(shè)計出翼展6.7 m 與機長4.6m 無人飛機，于1918 年試飛，但很可惜試飛并未成功。 成功應(yīng)用遙控技術(shù)的無人飛機， 是在1935 年由美國陸軍開發(fā)出的RP-1，曾經(jīng)量產(chǎn)數(shù)架，主要供作練習(xí)靶機用途[3]。 1942 年德國也研制出V-1 無人飛機，用于載彈攻擊，成為后來巡弋飛彈先驅(qū)。 美國雷昂航空研發(fā)公司，于1951 年正式首飛噴射動力式無人飛機， 其代號為火蜂(Fire Bee-BQM34)，時速可達600 節(jié)，飛行高度6 萬英呎。1961 年美國于越戰(zhàn)中大量使用火蜂(147 型)無人飛機，執(zhí)行了3945次任務(wù)，回收率高達84%，其后持續(xù)積極發(fā)展相關(guān)研究，1971 年試裝小牛飛彈， 用于搜尋地對空飛彈發(fā)射系統(tǒng)，1980 年以色列于UAV 領(lǐng)域中有了大幅進展， 其主要為空中情資搜集，以實時回傳方式，與后方攻擊部隊連成一線， 提供了最具機動性與攻擊性的網(wǎng)絡(luò)，1991 年波灣戰(zhàn)爭，更將UAV 的技術(shù)推向更高階的發(fā)展，無人飛機定位精準可提供火炮定位之用，1999 年的科索夫戰(zhàn)役更發(fā)展出圖像實時傳輸技術(shù)， 達到更深入的監(jiān)測與更精準的情資,可見早期UAV 研究集中在軍事領(lǐng)域[4-10]。 2018 年8月，美國國防部發(fā)布無人系統(tǒng)第五版路線圖《2017—2042 年無人系統(tǒng)綜合路線圖》，全面指導(dǎo)軍用無人機等無人系統(tǒng)在作戰(zhàn)中的發(fā)展，明確相關(guān)投資領(lǐng)域及未來25 年無人機系統(tǒng)在互用性、自主性、安全網(wǎng)絡(luò)和人機協(xié)同四個主題的發(fā)展方向[11]。

隨著技術(shù)的不斷進步， 無人機除了在軍事上有了更多的應(yīng)用外，也逐漸在商用和民用領(lǐng)域得到推廣。 20 世紀80 年代以來，通訊技術(shù)和計算機技術(shù)迅速發(fā)展，可用于無人機的新型傳感器及小型數(shù)字化探測設(shè)備成功研發(fā)，無人機呈現(xiàn)出多機型、多用途、多種載荷能力和多種續(xù)航能力的發(fā)展態(tài)勢。目前世界范圍內(nèi)不同性能指標的無人機已超過百種，應(yīng)用涵蓋軍事、災(zāi)后搜救、防災(zāi)減災(zāi)、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、圖像拍攝、快遞業(yè)務(wù)等多種領(lǐng)域[12,13]。

我國無人機遙測應(yīng)用技術(shù)研究開發(fā)已有近20 年的時間。 1999 年完成了“無人機遙測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與驗證試驗”項目,研制出以遙控方式為主的“I 型無人機遙測監(jiān)測系統(tǒng)”；2003 年實現(xiàn)了無人機遙控、半自主、自主三種控制方式，并開始自行研制開發(fā)可低空低速飛行、適合城市地區(qū)應(yīng)用、能獲取高分辨率遙測圖像的“I 型無人飛艇低空遙測系統(tǒng)”，同年在數(shù)字威海三維地理空間基礎(chǔ)框架項目實施過程中,以飛艇作為飛行平臺,完成了國內(nèi)首次使用無人駕駛飛行器拍攝大面積遙測圖像的任務(wù)[9]。

3 國外使用無人機減災(zāi)防災(zāi)現(xiàn)況

日本的民用無人機開發(fā)較早， 在1983 年YAMAHA公司采用摩托車發(fā)動機， 開發(fā)用于噴灑農(nóng)藥的無人直升機，1989 年成為實際首架成功用于試飛的民用無人直升機，2002 年CERP 公司發(fā)明JAXA 多用途民用無人機;2003 年起岐阜工業(yè)協(xié)會先后開發(fā)了4 代無人機產(chǎn)品，主要應(yīng)用于森林防火、地震災(zāi)害評估等領(lǐng)域。日本減災(zāi)組織使用無人機攜帶高精度數(shù)碼攝像機和雷達掃描儀對正在噴發(fā)的火山進行調(diào)查, 抵達人們難以進入的地區(qū)快速獲取現(xiàn)場實況； 日本環(huán)境省利用無人機加載核生化傳感器進行核污染監(jiān)測,對不同地理環(huán)境、不同埋藏深度的輻射源輻射強度進行量化研究, 為核電站及其他核設(shè)施的管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

美國NASA 牽頭成立世界級無人機應(yīng)用中心，2003年美國NASA 成立世界級的無人機應(yīng)用中心， 專門研究裝有高分辨率相機傳感器無人機的商業(yè)應(yīng)用。 近年美國國家海洋和大氣管理局用無人機追蹤熱帶風(fēng)暴有關(guān)數(shù)據(jù)，借此完善颶風(fēng)預(yù)警模型。 2007 年森林大火肆虐時，美國宇航局使用 “伊哈納” 的無人機來評估大火的嚴重程度，以及災(zāi)害的損失估算工作。 2011 年墨西哥灣鉆井平臺爆炸后艾倫實驗室公司的無人機協(xié)助溢油監(jiān)測和溢油處理等。 美國運輸部示范性地建立了無人機遙測系統(tǒng),將其應(yīng)用于快速獲取道路運輸網(wǎng)絡(luò)的圖像并對所得信息進行快速分析, 用無人機取得實時遙測圖像對地震后出現(xiàn)問題的道路和橋梁進行評估, 用以快速確定震后救災(zāi)路線[12]。

以色列也專門組建了一個民用無人機及其工作模式的試驗委員會，2008 年給予“蒼鷺”無人機非軍事任務(wù)執(zhí)行證書， 并與有關(guān)部門合作展開多種民用任務(wù)的試驗飛行。 歐洲在2006 年制定并即刻實施的“民用無人機發(fā)展路線圖”， 歐盟擬籌措一個泛歐民用無人機協(xié)調(diào)組織，為解決最關(guān)鍵的空中安全和適航問題提供幫助。 迄今無人機已成為各國發(fā)展防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)的必要工具[12]。

4 我國使用無人機減災(zāi)防災(zāi)的狀況

目前國內(nèi)無人機遙測飛行平臺有固定翼無人機、無人直升機、多旋翼無人機與混合翼無人機等，以固定翼無人機為主，但隨著近景攝影測量技術(shù)快速發(fā)展，基于多旋翼無人機與混合翼無人機的遙測逐漸盛行。 固定翼無人機按照用途又可分為測繪型、監(jiān)測型、長航時型和高升限型。 通用測繪型無人機目前裝備數(shù)量最多， 升限4000m以下，續(xù)航能力2.5h，巡航速度120km/h,起飛總重量20～30kg，3～4 人操作，除50～100m 普通硬質(zhì)平坦地面滑跑起降外，也可彈射架彈射起飛，傘降或撞網(wǎng)回收。 搭載數(shù)碼相機進行低空航空攝影測量，主要用于小區(qū)域1∶2000 或更大比例尺測圖，如圖1 所示[6]。

監(jiān)測型無人機升限4000m 以下， 起飛總重量5kg 左右，續(xù)航能力1h，巡航速度80km/h，單人可攜帶，2～3 人可操作，無需專用場地，可通過手拋或彈射起飛，傘降回收，主要搭載視頻攝像頭，可實時傳輸和視頻拼接制圖，主要用于應(yīng)急監(jiān)測，如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測型無人機[6]

圖1 通用測繪型無人機[6]

長航時型無人機升限5000m，續(xù)航能力可達16h，起飛總重量21kg， 巡航速度100km/h， 作業(yè)半徑可達600km，3～4 人操作，通過300m 長公路，車載彈射起飛或地面彈射架起飛，直接機腹摩擦著陸，主要用于遠離大陸海島礁等困難地區(qū)航空攝影測量，如圖3 所示。

圖3 長航時型無人機[6]

高升限型無人機升限可達6000m， 起飛總重量15kg左右，3～4 人操作，滑跑起飛降落，主要用于青藏高原等高海拔地區(qū)測繪，如圖4 所示。

多旋翼無人機是由多個旋翼動力組所組成的飛行器。 與直升機一樣，具有垂直起降的功能。 根據(jù)載臺的酬載與滯空能力，又可分為小型與大型兩種型態(tài)。小型的多旋翼系統(tǒng)可以搭載200g 左右的任務(wù)載重(機體以外設(shè)備重量)，適合用于短距離的監(jiān)控任務(wù)，因為其云臺具有水平90 度轉(zhuǎn)動與自動補償?shù)墓δ埽虼艘部捎糜谛》秶拇怪迸臄z運用。大型的多旋翼系統(tǒng)可以酬載1～10kg 以上載重，并進行30min 以上飛行，適合用于小范圍長時間的監(jiān)控任務(wù)，或是搭載單眼數(shù)字相機，以取得較佳的圖像質(zhì)量。 一般飛行高度低于100m，由1～2 人操作，如圖5 所示。

圖4 高升限型無人機[6]

圖5 多旋翼型無人機

混合翼無人機(垂直起降)由定翼與多旋翼動力組組成，具有兩種機型的優(yōu)點。 與多旋翼無人機比較，能有較長的飛行時間，較大的載重能力。 與定翼無人機比較，有較好的操控性，較低的飛行高度(低于200m)，由1～2 人操作，如圖6 所示。

國內(nèi)無人機遙測系統(tǒng)使用傳感器的類型主要有數(shù)碼相機，視頻攝像機，LIDAR，多光譜相機，磁力儀，風(fēng)、濕、溫和氣壓傳感器，高光譜相機，合成孔徑雷達，紅外輻射計，氣溶膠傳感器。 2018 年起，機載傳感器裝備的主要以4000 萬像素面陣數(shù)碼相機為主，具備曝光觸發(fā)和曝光脈沖輸出記錄能力，可連續(xù)拍照，大重疊度攝影(一般大于80%)， 經(jīng)過精確幾何標定， 具備測繪需要的完整相機參數(shù)。測繪專用飛控系統(tǒng)具備精確導(dǎo)航功能，自動引導(dǎo)飛機按照設(shè)計航線飛行，根據(jù)設(shè)計曝光點進行定點曝光控制，具備精確計算曝光點坐標能力， 具備控制傳感器云臺修正姿態(tài)角能力。

圖6 混合翼型無人機[6]

在“十一五”與“十二五”期間，無人機平臺在國家相關(guān)單位和技術(shù)人員針對無人機服務(wù)于地理國情監(jiān)測的應(yīng)用做了大量的研究和嘗試下， 被廣泛應(yīng)用到國情監(jiān)測領(lǐng)域，主要包括農(nóng)林遙感、國土監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、海洋監(jiān)測、地質(zhì)礦產(chǎn)勘察、測繪制圖、氣象預(yù)測、災(zāi)害應(yīng)急服務(wù)等[4,6]。

2005 年，北京大學(xué)與中國貴州航空工業(yè)集團有限公司聯(lián)合研制的多用途無人機遙測系統(tǒng)在貴州省黃果樹機場首飛實驗成功, 采用了中國科學(xué)院遙測所研制的先進高分辨率數(shù)碼相機系統(tǒng)；2008 年我國天災(zāi)頻發(fā)， 在年初的雨雪冰凍災(zāi)害中, 國家民政系統(tǒng)第一次將無人機遙測資料應(yīng)用于救災(zāi)搶險， 同年汶川大地震中無人機更是承擔了及時獲得震后災(zāi)區(qū)動態(tài)變化情況的重要任務(wù)， 為救援、災(zāi)情評估、地震次生災(zāi)害防治和災(zāi)后重建工作提供了第一手的信息和科學(xué)的決策依據(jù)。 2010 年，國內(nèi)研究人員以鄂爾多斯市東勝區(qū)航拍數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)， 對區(qū)域土地利用動態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用進行了技術(shù)探索和應(yīng)用實踐， 驗證了無人機在區(qū)域土地利用動態(tài)監(jiān)測中應(yīng)用的可行性。 此后，無人機基于不同類型的災(zāi)害防治有了不同的技術(shù)性提升， 在我國防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

在防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域， 遙測與近景攝影測量技術(shù)可以調(diào)查掌握地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)狀、變化規(guī)律和特征，預(yù)測其發(fā)生發(fā)展的趨勢,開展災(zāi)害監(jiān)測與災(zāi)情評估，達到防災(zāi)減災(zāi)的目的。 無人機遙測具有高時效、高分辨率的性能,這是傳統(tǒng)衛(wèi)星遙測所無法比擬的,具有廣闊的應(yīng)用前景。 此外，無人機遙測還有機動性強、 獲取數(shù)據(jù)快速和可以低空飛行的特點，結(jié)合遙測數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析技術(shù)方法，能夠完成地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、應(yīng)急救援和災(zāi)情評估任務(wù)，為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防與救援方案的快速制定提供準確依據(jù)。 為表征無人機技術(shù)應(yīng)用于公路邊坡防災(zāi)技術(shù)。 課題比較福建省寧德市與陜西省西安市兩個案例，如表1 所示。

表1 應(yīng)用無人機在邊坡防災(zāi)減災(zāi)案例比較

比較差異可知兩案例都是采用集成無人機、 近景攝影測量與人工智能技術(shù)，建立公路邊坡三維模型，并比較變形差異，獲得公路邊坡防災(zāi)減災(zāi)的應(yīng)用成果。西安市公路局花費較多經(jīng)費采集當?shù)赝临|(zhì)、邊坡構(gòu)造、雨量、基于無人機的雨中邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)， 在雨中監(jiān)測與預(yù)警及應(yīng)急封閉交通兩方面獲得較明顯的效益。

5 基于隨機森林算法的滑坡辨識技術(shù)

前述文獻回顧表明無人機的近景攝影測量技術(shù)是公路防災(zāi)的重要核心方向之一。 許多文獻基于無人機勘查數(shù)據(jù)與多種機器學(xué)習(xí)算法進一步分析， 隨機森林算法(Random Forest Method)是機器學(xué)習(xí)分類樹中分類能力較好的一種算法。 其基本原理是結(jié)合多個分類與回歸樹(CART Tree)，基于集成方法(Ensemble Method)，并加入隨機分配的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，大幅增進最終的運算結(jié)果。基本思路是如果單個分類器表現(xiàn)高于門檻值(一般設(shè)定為分類能力大于0.5)，且多個分類器間彼此具有差異性，將多個分類器組合起來，其分類成果有較大可能優(yōu)于單個分類器。組成的方法是通過裝袋算法(Bagging)方式，較適用于復(fù)雜分類(如滑坡辨識等)，除了傳統(tǒng)C4.5 決策樹算法的優(yōu)點外，隨機森林算法能觀察每一個特征的重要度，這是許多機器學(xué)習(xí)算法無法實現(xiàn)的。 圖7 示出了隨機森林算法的計算過程。 隨機森林的優(yōu)點是： 相較于傳統(tǒng)決策樹方法，分類能力較好；可以處理大量的輸入變量；在決定類別時，評估變量的重要性；在建造森林時，可以在內(nèi)部對誤差產(chǎn)生不偏差估計；可以估計遺失的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)遺失時可以維持準確度；提供偵測變數(shù)相互影響的方法；對不平衡分類數(shù)據(jù)集，可以平衡誤差；計算親近度，對于數(shù)據(jù)挖掘、偵測偏離者和將數(shù)據(jù)可視化非常有用；可被延伸應(yīng)用在未標記的數(shù)據(jù)上， 這類數(shù)據(jù)通常是使用非監(jiān)督式聚類；也可偵測偏離者和觀看數(shù)據(jù)；學(xué)習(xí)過程較快速；花費硬件資源遠比深度學(xué)習(xí)少[14,15]。

圖7 隨機森林算法的計算過程

將滑坡圖像通過圖像濾波器， 標記滑坡位置如圖左圖， 經(jīng)過切割后可得到右圖樣本。 課題搜集福建省邊坡89 個邊坡圖像， 通過左右鏡射將樣本擴增為178 個樣本，每個樣本正規(guī)化為150×150 的圖像。 通過集成VGG模型與與隨機森林算法，可以獲得如圖9 的計算流程。圖9 中最右側(cè)1×5 的矩陣中代表的是巨型、特大型、大型、中型、小型的機率。

圖8 標記滑坡位置后的局部圖像

表2 表征提出方法的預(yù)測結(jié)果， 表明所提出方法的正確性較高，適用于邊坡滑坡的分級。

圖9 VGG 模型與與隨機森林

表2 滑坡等級識別準確率

6 結(jié)束語

在總結(jié)無人機發(fā)展簡史， 國內(nèi)外使用無人機防災(zāi)減災(zāi)案例與文獻趨勢調(diào)研與發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上， 分析未來使用無人機在防災(zāi)減災(zāi)用途的整體功能智能化的趨勢。比較我省寧德與陜西西安兩市使用無人機的效果， 并用隨機森林法分級邊坡滑坡。 表征使用無人機投入公路防災(zāi)減災(zāi)的有效性。