基于無人機對高陡邊坡危巖體裂縫形狀高空測量的方法實驗分析與探討

摘 要：無人機以其快速靈活、視角廣闊等特點，在地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)工作中的用途日益顯露。其影像的應(yīng)用方式，是在實際工作中遇到的一個重要問題。本文選用目前較為常用的大疆DJI PHANTOM 4 PRO V2.0無人機及華為M3（BTV-DL09）為實驗儀器，對影像數(shù)據(jù)進行了采集矯正，并得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)災(zāi)害;無人機;實時測量;成像方式

Abstract： Nowadays unmanned aerial vehicle （UAV） plays an important role in geological disaster monitoring and early warning due to its fast speed， convenient operation and broad perspective. However， in practice， how to use UAV data becomes another important problem. This paper takes the Dajiang PHANTOM 4 PRO V2.0 UAV and Huawei M3 （BTV- DL09） UAV as the main research objects. In this paper， the corresponding data have been collected and corrected， and corresponding data model has been obtained.

Keywords： Geological disasters; UAV; Real-time measurement; Imaging method

0 引言

目前無人機憑借其高位視角，經(jīng)常應(yīng)用在高陡邊坡的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中。在第一現(xiàn)場，可高效采集大量的災(zāi)害體、隱患體影像。后期利用自然地物，可大致分析估算受災(zāi)體的數(shù)學(xué)信息。但是在突發(fā)地災(zāi)應(yīng)急工作中，經(jīng)常需要實時對高陡邊坡的隱患體進行分析，量測其裂縫的二維數(shù)據(jù)。但是，僅通過無人機的高空照片或者遠距離觀測，無法將所需要的信息進行量化。所以，無人機數(shù)據(jù)的實時量化，還需要深入細致的研究。

隨著科技的進步，無人機的操作由繁至簡，飛行的時間由短變長，但為了能有更可靠的飛行姿態(tài)、更長的飛行時間，更清晰的拍攝圖像，無人機的硬件配置、軟件開發(fā)多向飛控（飛行控制系統(tǒng)）、電池及光電傳感器（CMOS）方向傾斜。目前，實時利用無人機影像進行快速反應(yīng)處理尚處于探索階段。

本次試驗利用無人機及其實時圖傳系統(tǒng)對野外高陡邊坡等難以人工接近的目標(biāo)進行拍攝獲取實時影像，快速確定目標(biāo)的二維信息;經(jīng)過現(xiàn)場的計算，可得出目標(biāo)體的三維特征將數(shù)據(jù)用于對地質(zhì)災(zāi)害險情的研判預(yù)測。

1 實驗設(shè)備參數(shù)與實驗環(huán)境

（1）實驗設(shè)備參數(shù)

本次實驗利用大疆DJI PHANTOM 4 PRO V2.0無人機，華為M3（BTV-DL09）平板電腦為實驗平臺。其中大疆無人機為四旋翼多軸無人機，最大飛行高度0.5km，最遠飛行距離5km，飛行時長30min。無人機配備1英寸的CMOS影像傳感器，有效像素2000萬，可實時進行1080p的影像傳輸。擁有前視視覺系統(tǒng)、下視視覺系統(tǒng)，利用GPS可實現(xiàn)精準定位懸停。華為M3平板電腦配備8.4英寸屏幕，分辨率為2560×1600像素。

（2）實驗環(huán)境

實驗利用北京市地質(zhì)研究所北京突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測站室外場地進行，實驗通過無人機實時顯示的圖傳畫面，測量目標(biāo)的長度及寬度。因不同型號的無人機所匹配的鏡頭不同，不同平板電腦的屏幕大小及分辨率不同，故本實驗所得公式如在實際應(yīng)用時更換使用設(shè)備，需要提前對相關(guān)系數(shù)進行測試調(diào)整。

2 實驗?zāi)康呐c實驗方法

2.1 實驗?zāi)康?/p>

實驗基于大疆無人機目前所匹配的前視視覺系統(tǒng)、下視視覺系統(tǒng)、實時圖傳系統(tǒng)進行。本實驗利用無人機自帶的前視視覺系統(tǒng)、下視視覺系統(tǒng)進行距離量測。根據(jù)所量測的距離，通過實時圖傳系統(tǒng)和在平板電腦屏幕上所顯示的目標(biāo)物，利用直尺對屏幕圖像進行實時量測，并與目標(biāo)實際距離進行對比分析，得到成像關(guān)系公式。在今后的測量工作中，可利用這一成像關(guān)系公式，將平板電腦屏幕中顯示的圖像長度信息轉(zhuǎn)換為實際長度數(shù)據(jù)（圖1）。

2.2 實驗方法

（1）無人機視覺傳感器測距精度實驗

因為確定大疆無人機與目標(biāo)的距離為實驗的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。需保證大疆無人機視覺傳感器測量距離的可用性與可靠性。精度校準過程中，共進行了3～10m距離的多次實驗，實驗記錄見圖2和表1。根據(jù)實驗結(jié)果，測距誤差在±0.3m，對后期距離量測有一定影響，但誤差在預(yù)期范圍內(nèi)。

（2）目標(biāo)長度測量實驗

利用無人機定焦鏡頭進行目標(biāo)長度測試實驗，為方便后期對比，進行兩組實驗，一組為無人機距目標(biāo)5m測試，另一組為距目標(biāo)10m測試（因場地限制目標(biāo)實際距離7m及10m實驗在其他場地進行）。實驗圖片及記錄見圖3、圖4和表2。

3 實驗結(jié)果與誤差分析

高陡邊坡的隱患體大部分為堅硬巖石，受植被遮擋較情況較少，易獲得直觀影像，測距干擾小，應(yīng)用本實驗所得公式有較好的效果。可根據(jù)現(xiàn)場所獲得影像量測數(shù)據(jù)代入公式進行演算，所得結(jié)果即為實際數(shù)據(jù)。并根據(jù)數(shù)據(jù)進行下一步的災(zāi)害預(yù)警、評估等工作。

（1）實驗結(jié)果分析

利用大疆DJI PHANTOM 4 PRO V2.0無人機及華為M3（BTV-DL09）平板電腦得出的實驗結(jié)果基本符合預(yù)期，為保證后期使用的便利性將所得結(jié)果進行整合。根據(jù)表3，將目標(biāo)與無人機的距離設(shè)為α，目標(biāo)的實際長度設(shè)為β，目標(biāo)在所用平板電腦中顯示的距離設(shè)為γ，μ為調(diào)整參數(shù)，可獲得成像公式：

β=μ·α·γ

根據(jù)本實驗結(jié)果所得數(shù)據(jù)，實驗所使用設(shè)備的μ值應(yīng)取10。

實驗所獲得的成像公式目前還有較多的限制，限定了使用設(shè)備，如設(shè)備不同，應(yīng)按實驗方法提前進行測試并對參數(shù)μ進行相應(yīng)調(diào)整。

（2）實驗誤差分析

利用本方法對目標(biāo)進行量測，誤差主要存在于視覺傳感器測距精度以及公式的系統(tǒng)當(dāng)中。根據(jù)測試結(jié)果，誤差可控制在±0.5m以內(nèi)。基本滿足應(yīng)急調(diào)查的需要。

（3）實驗結(jié)果的應(yīng)用分析

利用本實驗方法，可對野外立面的災(zāi)害體特征進行快速的測量，并得到一個相對精確的數(shù)量化結(jié)果，目前的無人機應(yīng)用方式大部分是先建模后分析（李德仁，2014;張翊超，2019），所得到的的數(shù)據(jù)時效性較差。本方法得到的結(jié)果，雖然有一定的誤差，但較為直觀，且不需要經(jīng)過二次處理，適合小型坡面型地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用。

在汛期，北京山區(qū)的小型崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較多，利用本方法可快速確定目標(biāo)的二維信息;經(jīng)過現(xiàn)場的計算，也可得出目標(biāo)體的三維特征。在汛期可快速進行應(yīng)用，發(fā)揮出無人機的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本次實驗運用無人機所配備影像傳感器和匹配的平板電腦組合，在0～10m范圍內(nèi)，可較為準確的測量無人機與目標(biāo)的距離。利用此方法，可快速實時測量1000m3以內(nèi)隱患體的大小和高陡邊坡隱患體裂縫的二維信息。得到了現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上的成像公式，β=μ·α·γ。該方法解決了在野外對高陡邊坡等近距離測量的基礎(chǔ)問題。根據(jù)實驗思路，還可以利用高度計對無人機下方目標(biāo)進行測量，但誤差較大，本次不做探討。

參考文獻：

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李德仁， 李明， 2014. 無人機遙感系統(tǒng)的研究進展與應(yīng)用前景[J].武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版）， 39（5）：503-513，540.

張翊超， 于淼， 韓建超， 2019.淺談無人機在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中的應(yīng)用：以四渡河滑坡、大石地崩塌調(diào)查為例[J].城市地質(zhì)，14（4）：96-99.