基于無人機航測的地災滑坡應急測繪方法分析

文超

(四川鹽業地質鉆井大隊，四川 自貢 643000)

1 引 言

目前，地質災害中邊坡失穩是形成滑坡的主要原因，對地災滑坡進行測繪可以有效地識別邊坡的穩定性，不僅能夠保障人民的生命財產安全，也在一定程度上為邊坡工程防治提供了數據支撐[1]。

傳統地災滑坡測繪主要依靠人工測量，不但效率低，精度差，而且有著次生危害發生的危險。無人機航測技術是一種利用無人機靈活度高、精度高優勢的現代化測量技術，能夠克服交通中斷、次生災害危害等一系列不利因素，及時有效地采集數據，通過采集的數據生產災區的正射影像、DEM等，構建三維模型，為現場指揮應急救援工作及時提供了真實可靠的圖形文件[2～4]。劉建勛以太原山體滑坡為例，在從應急預案、航攝作業和數據處理三個方面研究了無人機航測技術在滑坡監測中的應用，證明了無人機航測技術的及時性、安全性和有效性[5]。杜陽陽利用無人機技術，通過運用三維數據建立GIS模型，實現了鐵路災后的應急測繪和滑坡災害位置的識別，對鐵路災害應急救援具有重要意義[6]。無人機航測技術具有數據采集速度快、時效性強、靈敏性高、能多角度采集等特點，非常適用于應急測繪保障工作[7]。

本研究以樂山市福川鹽業有限責任公司天宮山鹽礦二期輸鹵及淡鹽水回送管道建設工程-青龍村7組豆芽坡滑坡應急測繪項目為例，對其開展基于無人機航測的地災滑坡應急測繪技術研究。該建設工程所在區域由于受到2020年夏季暴雨影響，工程管道安裝地段出現滑坡問題，為確保管道安全通過滑坡區域，進行本工程應急測繪和治理勘察設計。該滑坡區域長 300m，面積 10 180 m2，滑坡落差約 90 m、滑坡土方量 18 036 m3。

2 無人機航測技術研究

2.1 無人機航測體系

無人機航測體系組成主要包括航測平臺和地面控制兩部分組成，其中航測平臺主要包括無人機平臺、無人機控制、航攝儀等。無人機航測技術在實際應用中具有圖像、數據采集快捷，機動性強，靈活性高等特點，可為地災滑坡應急測繪提供有效保障。

2.2 無人機航測數字正射影像生成

無人機航測技術中，數字正射影像是最能夠直觀展現實景三維圖像的功能，由于數字正射影像具有可量測功能，不僅能夠獲取到已經發生的災情信息，同時還能夠根據相關參數的變化情況對此次地質災害情況進行推測，并判斷發生地質災害的嚴重程度[8]。無人機航測數字正射影像生成具體流程為：項目設計—航測實施—控制測量—空三加密—DTM編輯—正射糾正—影響拼接—勻色和鑲嵌—無人機航測數字正射影像生成。

3 地災滑坡應急測繪技術

3.1 確定無人機航測應急數據采集精度

針對地災滑坡過程中，對相關應急性數據的需求，提出了“棋盤式數據標注方法”，此種數據采集方法屬于無人機測繪工作中的重點技術。為了確保使用無人機測繪得到數據的有效性，使用此方法進行數據獲取過程中，標定模板應由大型生產商對其進行供應。規定標定板上每個標定內容格的邊長應在 15.0 mm～25.0 mm之間，共25個小方格組成的四邊均相等的正方形結構[9]。此結構采用鋁制材料塑造，此種結構材料可確保使用無人機航進行信息測繪過程中，相關外界因素不會對其造成過多干擾，因此最終所測得或采集的數據誤差有所降低。

在測得數據在棋盤中標定的過程時，考慮到地災滑坡可能會出現突發性地質災害，因此獲取應急數據時，應從多個角度進行測量。為了確保數據的精度，可在實際測繪過程中參照信息標定模板執行拍攝工作。在使用無人機完成多張圖片的拍攝工作后，可根據不同角度下獲取圖像的分辨率與矩陣單位，進行無人機攝像頭畸變參數的核算。在此過程中，可利用上述提出方法的顯著優勢，獲取空間中某一標定點，并將其與攝影實際監測點建立一定的映射關系。假定空間標定的坐標點可表示為m，那么所有坐標點的集合為M=[m1，m2，m3，1]T，根據對應坐標點信息，可認為拍攝的畸形圖片對應的空間點可表示為m′=[I；x；y]。在此基礎上使用空間數據標定算法，進行畸變點映射關系的投影。投影公式如下所示。

km=C[j，s]M

(1)

公式(1)中，k表示使用無人機拍攝過程中坐標點的單位比例；C表示拍攝設備的內置有效行為參數，通常情況下以矩陣的方式表達；j表示圖片的旋轉角度；s表示不同空間點的位移量。綜合上述計算公式，將其簡化可表示為：

km=HM

(2)

公式(2)中，H表示為數據的單邊性約束條件。使用上述計算公式，對獲取圖像的不同空間坐標點進行映射關系處理[10]。完成相關處理工作后，考慮到使用無人機航攝是需要人為進行遠程干預或操控的，因此在實際獲取應急數據過程中，需要至少2個人在遠程地面終端進行配合。例如，安排一人調整無人機拍照角度，要求另一人在此過程中移動標定板，使獲取的數據與網格標準對應[11]。

在此基礎上，根據拍攝區域的地質條件，選擇無人機攝像頭的擺放位置，按照拍攝過程由上到下鏡頭移動方向，對標定板進行實時調整。在確保多鏡頭處于相同水平角度的條件下時，完成無人機航測應急數據或圖像的采集。根據上述獲取的相關信息可知，在實際拍攝工作中，應至少獲取3張圖片，才能使用上述提出方法進行數據的標定。為了使獲取的最終信息更為準確，標定的結果更為可靠，選擇10張～15張圖像為最佳。

3.2 地災滑坡應急監測控制點選取與布設

在完成無人機航測應急數據采集精度的確定后，需要同步進行區域監控點的選擇。選擇過程中，應對地質滑坡現象進行勘查，掌握測繪區域的地勢與地形，選定標準的控制點[12]。根據上述分析，本章將最終獲取的無人機數據進行價值挖掘，這一過程中為了更加精準地掌握滑坡現象，應增設對地質邊緣是否出現凹陷的測繪。因此，在測繪過程中，需要將航拍坐標與地質坐標進行比例尺規劃，整合測繪過程使用的計量設備，輔助配以人工測量方式，進行監控點標注。示意圖如圖1所示。

圖1 標記點形狀示意圖

如上述圖1所示，按照標記點一個標定區域以對角劃分的方式，切割成4個面積對等的三角形。其中兩個對角三角形為黑色，另兩個三角形布設為白色，由上述五個相同圖案組成[13]。由于對角位置的布控點在實際工作中可能存在一定的不穩定性，因此在執行測量工作前，可在區域內增設一個規則的水泥柱。并且使用GPS、GPRS等設備對布設點進行實時監控，以人工測量為標準，將GPS作為輔助，根據布設的監控點位置進行建模，以此為依據分析區域是否存在形變。

3.3 基于無人機航測的應急測繪數據采集及可視化

在獲取滑坡區域的形變數據采集過程中，不僅應嚴格地控制布設點位置，也需要考慮到在執行此步驟行為過程中，不同監控設備的使用參數、執行屬性、基本性能等。并對監測的周邊地區進行地形、地勢、等高距離的數據獲取。綜合分析上述因素，在拍攝過程中，應同步收看天氣預報，選擇無云、晴朗的天氣，進行航拍攝影。在完成拍攝工作后，應及時對拍攝的內容進行審核。包括獲取的圖像是否清晰、多張拍攝圖像是否存在重疊交叉問題等[14]。

根據上述提出的行為，進行圖像處理步驟與流程規劃：獲取地質滑坡區域的土壤樣本，取樣帶回實驗室進行其中微生物質的提取。為了避免這一過程耗費大量的人力物力，可綜合拍攝地面向對象，結合土地紋路，進行參數的組合，對土地資源信息進行合理化分類。

對于外部采集的地質數據，可引入高程信息模型，對拍攝的成果進行監測，監測的內容包括高程坐標、地質信息、地質坐標、經緯度等。在此基礎上采用人工勾畫的方式，對獲取的圖像數據進行自動化分類，以此得出監測區域的地表面積[15]。

此外，結合數字攝影平臺提供圖像處理的自動校準與匹配功能，上傳圖像信息，生成數字正射影像，實現對地災滑坡數據變化的可視化展現。考慮到圖像信息在平臺中較不穩定，因此可采用將數據統一格式存儲的方式，將其導入指定硬盤內。

針對測繪數據的可視化，主要采用智能規劃軟件，通過在顯示窗口中對無人機型號、載荷型號、成圖比例尺、地面分辨率、鏡頭焦距、航向重疊度。相對高度、起飛點海拔等航線參數進行設定，可在顯示窗口當中實時展現無人機的航線及拍攝圖像。除此之外，程序當中還能夠對默認速度、默認航程、作業面積、任務航時等參數變化進行實時展示，以此實現基于無人機航測的測繪的可視化。

4 實驗論證分析

為驗證本文提出的基于無人機航測的地災滑坡應急測繪技術在實際應用中具有更高的可行性，將其與傳統測繪技術進行比較。假設本文提出的測繪技術為實驗組，傳統測繪技術為對照組，選擇某地區已經產生明顯邊坡滑動現象的區域作為實驗對象，分別利用兩種技術對其在地災滑坡發生時進行測繪。為更加清晰地將實驗結果進行記錄，在實驗區域內，隨機選擇5個標記點作為對比參數，5個標記點的坐標分別為：A：(168.5 m，183.7 m)、B：(154.5 m，243.7 m)、C：(274.5 m，243.5 m)、D：(342.7 m，235.4 m)、E：(325.4 m，253.4 m)。按照上述實驗操作完成對比實驗，并將實驗組與對照組得出的測繪結果進行記錄，繪制成如表1所示的實驗結果對比表。

表1 實驗組與對照組測繪消耗時間對比

根據表1中的實驗結果可以看出，實驗組完成測繪最多消耗時間為 15.47 ms，對照組完成測繪最多消耗時間為 86.47 ms，因此實驗組對地災滑坡的測繪耗時明顯小于對照組。通過實驗證明，本文提出的基于無人機航測的地災滑坡應急測繪技術有效縮短了對地災滑坡的測繪時間，提高了該方法的效率，滿足地災滑坡治理的應急要求，通過對各項參數變化的可視化展現，進一步提高了監測的交互性，可輔助后續應急救援施工的順利進行，降低由于地災滑坡對周圍環境的影響。

5 結 語

本文針對傳統地災滑坡測繪存在的不足，結合無人機航測技術，開展對其應急測繪技術的設計研究。將本文提出的應急測繪技術應用于實際，可有效實現對滑坡災害具體情況的高精度描繪，為后續展開一系列方式措施，提供有利的數據支撐，并實現對滑坡數據的可視化展現，為地災滑坡應急測繪研究提供新方向。