無人機遙感在高山峽谷區崩塌地質調查中的應用

李小玲，胡才源，孫全福，吳齊林

（1.貴州省地質環境監測院，貴州 貴陽 550081；2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450000）

崩塌是高山峽谷地區普遍發育的地質災害之一，在地質環境漸變過程中，裸露的巖體易被多組結構面切割，形成臨空，在重力、風化、根劈等作用下失穩，具有隨機性、突發性、隱蔽性、危害大等特點。其成因機制復雜，一般受地形地貌、巖土體工程地質類型、地質構造條件、水文氣象條件、區域地殼穩定性和人類工程活動等多種因素的共同制約[1-2]。在DZ/T 0261-2014《滑坡崩塌泥石流災害調查規范（1∶50 000）》[3]中提及崩塌災害野外調查應采用以實地量測為主的調查方法，這無疑給地形復雜、相對高度和地面坡度均較大的山地地質調查帶來了極大的難度，給調查人員的人身安全帶來了隱患。

無人機遙感為地質災害調查行業注入了新鮮血液。無人機遙感綜合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、GPS 差分定位技術和遙感應用技術，能自動化、智能化、專用化地快速獲取國土資源、自然環境等空間遙感信息，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等優勢[4]，不僅降低了野外近距離作業的風險，而且提高了工作效率，保證了資料的完整性，實現了成果輸出的可視化，是目前國內地質災害調查行業爭相研究的熱點課題之一。李珊珊[5]等運用無人機遙感技術對云南省盈江縣5.8 級地震災區的房屋倒損情況進行了實物量分析，為災害應急監測評估建設提供了借鑒；彭雙麒[6]等通過對無人機航拍數據制作的納雍普灑村崩塌DSM 模型的堆積物粒徑進行統計，分析得出碎屑流堆積物粒度分布與崩塌運動特性的重要關系；田尤[7]等基于空間高分辨率數字正射影像（DOM）對甘肅天水麥積區幅內地質災害進行了解譯，提出崩塌解譯側重于災害體輪廓、色調區分的思路，對今后崩塌災害解譯具有指導意義。

2018 年2 月14 日，受短時強降雨和凝凍氣候的影響，貴州大方縣法啟村火車站東側發生危巖體崩落，導致兩戶村民房屋受損，長30 m 的被動防護網部分受損（圖1），所幸無人員傷亡。經初步調查發現，該陡坡地質環境相當復雜，崩落危巖體周邊為崩塌群，相對高度＞500 m，坡面坡度＞70°，其面上垂直節理裂隙發育、巖體破碎，每逢暴雨，時有塊石掉落，對坡腳下居民生活安全帶來了嚴重威脅，因此對該崩塌群進行施工治理迫在眉睫。為快速開展本次崩塌群地質災害應急調查，充分考慮無人機遙感的機動性、靈活性、高精度等特點，本文通過工作流程設計、關鍵技術方法控制，獲取了貴州大方縣法啟村火車站東側崩塌群的遙感影像數據；再通過影像處理軟件，結合像控坐標點，解譯得到崩塌群的位置、方量等信息，生成基于CAD 的大比例尺地形圖，為該崩塌群地質災害精準治理提供科學依據。

1 無人機遙感

在貴州大方縣法啟村火車站東側崩塌群地質災害調查中，本文選用了易于操作，攜帶方便，起飛、降落不受場地限制，自帶GPS 信息，具有精準懸停能力的大疆Inspire 2 無人機系統。無人機、遙控器和相機傳感器的主要參數如表1 所示。機上搭載了DJI FC6520相機傳感器和影像存儲系統，組成了基于空中航拍的測量系統（即航測系統），輔以航線規劃系統，在遙控系統的控制命令下，實現了終端實時狀態數據監視和實時圖像傳輸功能（即地面控制系統）。其中，相機傳感器具有高達2 080 萬像素、每秒20 幀的DNG 無限連拍技術，使得快速獲取的影像數據不會發生大量偏移、扭曲變形，提高了后期影像數據的處理速度。影像數據采集結束后，通過影像儲存系統導入電腦等硬件、軟件系統進行結果輸出（即影像數據處理系統）。無人機遙感框架體系如圖2 所示。

圖1 野外現場調查

表1 無人機、遙控器和相機傳感器的主要參數

圖2 無人機遙感框架體系

2 關鍵技術方法控制

在操控無人機遙感獲取高精度影像數據的過程中，需控制好5 個關鍵技術。

2.1 野外地形氣候條件分析

在所有電池（包括遙控器）都充滿、系統結束更新的條件下，實地了解飛行區域的地形條件、氣候條件、電力通信設施等外在因素[8]對無人機遙感及其所獲取影像精度的影響。通常，選擇晴天、觀感好的天氣進行航測任務，且無人機距離地表高度控制在50～150 m之間，飛行過低需要更多的航線和電池支持，飛行過高則會降低影像的分辨率。

2.2 像控點測量

目前市場上的無人機（包括大疆Inspire2）均帶有GPS 定位系統，但在高精度航測中，其地理坐標信息達不到國家基本比例尺地形圖要求[9]，因此必須引入基于GPS RTK 的像控點測量。由于本次航測區域地質條件復雜，在滿足整個區域均勻布控且無人機能清晰拍攝到像控點的情況下，取位置明顯可辨（如裸露的基巖、鄉村路）、重疊率高的5 個點作為控制點，以提高影像數據的處理精度。像控點分布如圖3 所示。

圖3 調查區航線規劃與影像空間位置

2.3 航線邊界條件確定

貴州大方縣法啟村火車站東側崩塌群的地形特點為：受威脅群眾、房屋較密集地位于崩塌群下方的平緩斜坡上，崩塌群災害體接近垂直陡立，與受威脅區域水平距離在150 ～350 m 之間，豎直距離在120 ～300 m 之間，崩塌群與受威脅區之間存在坡度約為35°的陡緩斜坡地帶。因此，本次飛行范圍以崩塌群和受威脅區為對象，左右范圍各擴展300 m，無人機遙感的相機鏡頭采用垂直朝下拍攝（即傾斜角為0°），飛行高度控制在200 m 以內，以獲取更高精度的影像數據。

2.4 影像獲取

通過衛星影像可知，崩塌群坡頂與坡腳的高差接近500 m，地形復雜。根據國家比例尺和成圖精度等規范[10]要求，在保證航線覆蓋崩塌群和受威脅區域的前提下，為提高影像地面分辨率、高效提取和匹配影像，本文利用航線規劃軟件設置上下兩條航線任務（圖3），且兩條航線全覆蓋像控點，與遙控器鏈接，由無人機遙感執行操作命令，詳細航線參數如表2 所示。飛行4 個架次，航行速度約為6 m/s，焦距為15.303 7 mm，地面分辨率為0.43 m，共獲取調查區崩塌群509 幅影像數據。

表2 飛行航線參數設置

2.5 結果輸出

由于Context Capture 數據處理系統具有較好的容錯性，能快速處理非量測型相機獲取的影像數據，自動讀取影像POS 數據、相機參數、姿態數據等信息，因此本文首先根據共線條件方程進行自由網平差[11]，過濾畸變較大的航攝影像圖，以降低相機自身性能、風力作用等對測量精度的影響；然后將5 個地面像控點坐標信息刺到相片上，再一次對影像數據進行空三測量加密，完成相片坐標系到測量坐標系的轉換，從而使每張有效的照片均具有絕對的空間坐標；最后通過空三測量加密后生產的三維重建模型，得到DOM 和DSM 切塊，利用拼接軟件對切塊進行處理，生成調查區完整的DOM 和DSM 模型。DSM 模型通過構網算法生成TIN，TIN 經線性插值和最鄰近重采樣生成DEM（圖4），在測圖軟件中導入DEM 生成1∶500 地形圖。

圖4 DEM 高程數值模型

3 模型精度評價

中誤差模型能反映檢測點的內插高程與真實高程的接近程度，是衡量各種分辨率DEM 精度常用的數值模型，具有計算簡單、快速，能方便表達單個離散點的誤差等優點[12]。本文選取一定數量且均勻分布在坡面上的檢測點，利用野外GPS RTK 獲得檢測點的平面坐標，并與DEM 模型坐標值進行中誤差計算。

中誤差的計算公式為：

式中，σ為DEM 的中誤差；n為抽樣檢查點數；ZK為現場GPS RTK 測量獲得的平面坐標；RK為DEM 內插坐標。

由于貴州大方縣法啟村火車站東側崩塌群地形條件相當復雜，上半部分為懸崖陡壁，下半部分為緩傾斜面，在進行DEM 精度評價時，本文選取調查區上半部分陡傾坡面內的10 個點，下半部分緩傾坡面內的7 個點作為現場抽樣檢測點，檢測點的分布情況如圖5所示。通過計算得到的野外GPS RTK 測量的平面坐標與對應的DEM 內插坐標值的中誤差如表3 所示。

表3 DEM 中誤差結果/m

由表3 可知，DEM 的中誤差均小于表4 中的值，符合GB/T 23236-2009《數字航空攝影測量空中三角測量規范》中的要求，說明由無人機遙感航攝生成的三維數值模型的精度是較高的，可直接作為本次地質災害調查與勘查設計的基礎資料，為調查人員無法直接爬上崩塌群進行詳細調查作補充。不僅如此，DSM 模型能反映地表地物的真實情況，相較于過去的傳統遙感影像，道路、房屋、斜坡、裸露巖石、崩塌堆積體等清晰可見，形成了非常直觀的立體模型；還具有可量測性，如崩塌體的長度、寬度、高度、方量、崩落軌跡等，能為該崩塌群的精準設計、治理提供科學依據。

圖5 現場檢測點分布示意圖

表4 連接點對最近野外控制點平面位置與高程中誤差[13]

4 崩塌群基本信息的提取

由圖6a 可知，崩塌群位于法啟村火車站東側，斜坡體上大部分基巖裸露，表層有少量的薄層狀殘坡積土，長有小灌木、雜草等；坡頂高程為1 540～1 600 m，下部受威脅區的高程在1 130～1 180 m 之間，崩塌危巖體堆積區高程在1 140～1 200 m 之間；2018 年2 月14 日發生塊體掉落后露出亮白色的新鮮巖面和塊體運動軌跡，體積約為2 m3，運動軌跡斜長467 m。坡腳下無規律分布的大量剝離母巖的孤石、塊石（圖6b），形態各異，體積為1～10 m3不等，在暴雨、凝凍等外界因素影響下，經常發生塊石滾落，主要分散于斜坡坡腳法啟村火車站圍墻外側和村民房屋周邊。

根據現場地面調查結果，結合影像數據、三維模型分析發現，整個崩塌群存在3 個較明顯的危巖體（B 區、C 區和D 區），其中B 區位于陡崖下方，高33 m、長50 m、寬2 m，危巖體體積約為3 300 m3，巖體節理裂隙發育，發育有一組相互垂直的節理面，其產狀為243°∠5°和207°∠80°，裂隙張開度為1～10 cm，危巖體周邊植被發育，底部基座巖體破碎（圖6c）；C 區位于陡崖上方，整個危巖體被節理裂隙切割，形成各種形狀的塊體，且巖體每厚4 ～8 m 夾薄層泥巖、泥灰巖，增加了危巖體在暴雨、根劈、凝凍等外界因素作用下掉落的速度（圖6d）；D 區為兩個獨立垂直的危巖體，與陡崖形成寬約30 m 的裂縫，左側巖體中部一條裂縫自上而下貫穿到底部，形成“V形縫”，縫寬為5～80 cm；右側巖體中下部存在一條大裂縫，裂縫下面為微型巖腔，進深約為5 cm（圖6e）。

在盡可能不破壞調查區自然環境的條件下，本文提出以下處置建議：①對受損房屋的居民進行搬遷；②修復被動防護網；③沿村民房屋靠山一側設置落石槽和擋墻；④對B 區和C 區上的松動、凌空巖體進行削方清除；⑤采用高強度混凝土對D 區進行裂縫填充加固；⑥加強群防群測，尤其是強降雨期間，有塊體崩落時，根據撤退方案有序撤離，保證居民的生命財產安全。

圖6 無人機遙感調查成果圖

5 結 語

本文基于無人機遙感對貴州大方縣法啟村火車站東側崩塌群地質災害進行了應用調查研究，詳細解譯了該崩塌群的基本特征。

1）在地質環境條件非常復雜，相對高度和地面坡度均很大的山地，采用無人機遙感進行航攝不僅能快速獲取高分辨率影像數據，降低野外近距離調查危巖體的作業風險；而且能提高工作效率，保證資料的完整性，實現成果輸出的可視化。

2）在操控無人機遙感獲取高精度影像數據的過程中，首先應考慮地形、氣候等客觀因素，以保證影像清晰，尤其是在高山峽谷區，地形復雜，常年多云多雨多霧，對無人機攝影精度的影響較大；其次應考慮像控點布設與測量、航線邊界條件的確定等主觀因素，使得模型輸出能滿足設計、使用要求。

3）通過中誤差模型對DEM 的精度進行評價，結果表明，由無人機遙感影像構建的三維數值模型的精度較高，可直接作為地質災害調查與勘查設計的基礎資料，為崩塌群地質災害精準治理提供科學依據。