無人機影像技術在地質災害調查中的應用

陳 艷，許秀蘭，林鳳秒

（濰坊工商職業學院，山東 濰坊 262200）

0 引言

無人機遙感影像技術的發展、運用給很多管理工作的執行提供了安全保障，同時也保障了地質人員的生命安全。無人機遙感影像技術在實施層面上，一般是將無人機設備當作媒介來實施作業，比傳統的人工作業方式更加先進。利用無人機遙感影像技術能夠將收集到的圖像信息傳輸到相應平臺，即使無人機設備墜落，也仍能提供一些有價值的信息[1]。

1 無人機遙感影像技術的優勢

無人機遙感影像技術的迭代非常簡單，其軟件更新僅需借助網絡即可實現[2]。無人機體型較小、部件模塊化，保養和維修也比較簡單。無人機遙感影像技術能夠給城市工程測量、農村農田布局、軍用偵察等領域提供大量寶貴的圖像數據信息，為國家相關主管部門制定一些政策法規和標準提供有效依據和借鑒[3]。無人機遙感圖像技術的涉及領域較廣，包括計算機科學、通信技術、信息處理以及GPS定位等，其具有其他圖像獲取方法所無法比擬的優勢，即數據刷新速度快。無人駕駛飛行器是一個升空飛行設備，通常通過低空飛行的方法實現信號獲取和圖像獲取，信號分辨率較高，能夠獲得較高清晰度的影像，同時生產成本相對較低，具有大規模應用的可能性。

2 影像獲取

無人機的遙感系統包括空中控制系統、地面控制系統兩個核心體系[4]。空中控制系統由負責自動飛行的控制子模塊和信息采集的子模塊兩部分組成，它能將采集命令進行規劃并上傳到飛機控制器，從而完成各項地質巡查數據和地質災害信息的搜集，并通過通信模塊將信息下發到地面控制中心，提供飛機飛行時的各項實時信息。地面控制系統主要負責實現航跡規劃、信息通信顯示、地面控制，保障無人機能夠如期完成作業。無人機遙感系統層次結構如圖1 所示。

圖1 無人機遙感系統

無人機遙感影像獲取的第一步就是根據任務的需要給飛機設定去往拍攝地點的飛行路線，并將航跡規劃上傳到飛機的控制中心，確保飛機能夠按照地面的設定到達預定地點完成拍攝任務。地面人員按照遙感任務的實際需要對待攝影區域做出航跡計劃，在地面監控子系統中將計劃好航路并載入到遙感空中監控子系統。無人機地面監控子系統將根據計劃好的航路管理無人機航拍，而遙感空中監控子系統則根據所設定的航路和拍照方式管理遙感傳感器實施拍照。遙感傳感器子系統將拍照的數據信息加以保存，而無人機平臺則使用無線數據傳輸信道將飛行數據傳輸到地面的管理子系統。地面人員也可以在地面監控無人機的行駛線路，在特殊緊急情況下也可以按照剛接收到的地質災害信息改變本次航行計劃[5]。本次實驗的無人機航攝數據如表1所示。

表1 航攝分區表

3 后續處理

3.1 檢查影像數據

無人機在拍攝時很容易受到氣象因子的干擾，降低影像數據的準確度。針對此問題，必須對拍出的圖片進行甄別，剔除出現過航向重合度、旁向重合度、影像突變等問題的圖片，選取清晰度高、能夠說明拍攝意義的影像圖片，從而為后續處理提供可靠的基礎數據[6]。

3.2 畸變差糾正

按照實際需求對無人機上的航拍數碼相機進行檢測，減小系統獲取圖像時的畸變差，提高拍攝的精度和效果。此外，還需要對影片進行暈光、雜色等處理，確保影片在顏色、亮度、灰度以及紋理等方面的統一性。

3.3 空三加密影像處理

空三加密是通過已知參照物的坐標點來確定待測目標的坐標，當已知坐標點數量達到要求后，就可以獲取影像的外方位元素[7]?？杖用苁翘幚韴D像最關鍵的一步，同時也是工序中最復雜的一步，其大致流程是由內定向到相應定向、再到絕對定向，并以此來獲得節點位置和解算圖像的另外方位元素。

3.4 無人機圖像缺陷及處理

如果沒有人工進行干涉，則無人機收集到的遙感影像存在著無框標、定向差、缺乏明顯地理位置參考等問題，這就給影像的篩選增添了不小的難度。為保證攝影圖像可以正確地表現出來，需要對每張加工過的圖片添加地理參照信息。將高分辨影像的底圖放在格網中，經過裁剪、校正、鑲嵌加工后會產生圖像拼接的局部效果，通過幾何定位和校正形成清晰的圖像，最終各個小圖像經過數據拼接函數處理形成一個大圖像[8]。

在處理試驗后期的幾何校正工作時，圖片中所包含的地面數據信息數量眾多，處理工作困難。先對影片信息進行拼接，然后通過將相片拉伸的方式用地面控制點和標志性地物進行校正，再對經過修正的圖片進行高精度解析。在地面控制點較多的區域，誤差范圍可以限制在兩米之內；而地面控制點數量相對較少的地區，則偏差范圍相對很大[9]。

4 地質災害調查中的具體應用

4.1 快速測繪

在魯甸大地震事件中，救援工作人員就使用了六旋翼無人機拍攝，每秒能夠進行大約72 次拍照，還可以實現4 cm 的拍照精度。使用無人機設備可以對整個地震區域進行快速測繪，測量效率很高，從抓拍到的影像中能夠很清晰地發現周圍的林木花紋。在對影像進行數據分析后，對觀測地質山體以不同視角進行可視化呈現，能夠把災害點的全景都顯示出來。

4.2 三維建模

具體而言，三維建模指將利用無人機遙感影像技術從多角度拍到的災區照片成像并輸入信息系統中，把整個震區的全貌360°無死角地顯示出來。在魯甸抗震救災過程中，通過運用無人機科技迅速完成了三維模型，震區的災情地質信息也在第一時間被制作為三維空間圖像，這對于救援工作十分有用。在三維圖像中，不但能夠顯示震中的滾石、裂隙和坍塌等狀態，而且能將震源的直徑、平均海拔等狀態表現出來[10]。在此基礎上，還可以確定坍塌的方式以及滾石下降的各種方式，以便更科學合理地選定災民安置地，從而為制定災后重建計劃奠定有力基礎。

4.3 無人機遙感影像的幾何糾正

針對無人機在航拍過程中出現的一些誤差，將誤差處理重點集中于對數碼相機鏡頭上非線性畸變的校正和成像過程中因為航空器姿態改變而造成的圖像旋轉與投影變化的校正。一般情形下，由數碼相機鏡頭畸變而產生的誤差都屬于系統誤差，可根據相關的數學公式或模型來制定一個算法對系統誤差加以修正。對于飛行的速度不平衡所引起的圖像旋轉和投影變化，則必須逐幀進行校正[11]。

5 結語

作為一種新的對地探測方式，無人機遙感影像探測對航拍硬件和對后續影像數據處理能力的要求較高。通過應用無人機影像技術，可以實現對地質災害信息的智能收集和處理。無人機遙感影像特別適合小區域內高分辨率遙感數據的及時收集，可應用于城市建設、新農村建設、空氣污染監測或國土資源研究中。