無人機(jī)遙感技術(shù)在公路不良地質(zhì)判識中的應(yīng)用研究

張興宇, 孟維偉, 郭麗蘋

(中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 天津市 300074)

隨著中國公路交通建設(shè)的不斷發(fā)展，公路行業(yè)快速向西南山區(qū)，尤其是高山峽谷、人煙稀少，交通落后的地區(qū)縱深發(fā)展，但其復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件制約著公路的規(guī)劃建設(shè)，而且山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對當(dāng)前的公路勘察設(shè)計(jì)技術(shù)與防災(zāi)減災(zāi)能力都提出了更高的要求。公路勘察設(shè)計(jì)需綜合考慮人文、環(huán)境、地質(zhì)等多方面因素，其中，工程地質(zhì)問題對公路選線的經(jīng)濟(jì)性與安全性具有重要的影響，能否適當(dāng)處理選線過程中所遇到的不良地質(zhì)問題往往決定著公路選線設(shè)計(jì)與建設(shè)的質(zhì)量及后期的安全運(yùn)營。

無人機(jī)具有成本低、使用便捷、空間分辨率高等優(yōu)勢，是繼遙感和激光雷達(dá)掃描之后，又一個可以快速獲取范圍廣、精度高的真實(shí)地面數(shù)據(jù)的技術(shù)方法。近幾年，在大數(shù)據(jù)時代背景下，隨著無人機(jī)遙感技術(shù)和圖像識別技術(shù)的飛速發(fā)展，利用無人機(jī)影像開展不良地質(zhì)勘察已有較多應(yīng)用探索，如王帥永等于2016年開展了無人機(jī)在強(qiáng)震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)調(diào)查中的應(yīng)用研究；同年王棟等將無人機(jī)三維影像技術(shù)應(yīng)用在藏川滇等地形復(fù)雜地區(qū)的鐵路勘察中；陳天博等于2017年開展了無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)自動提取滑坡信息的研究；方留楊等于2018年提出了針對山區(qū)公路典型地質(zhì)災(zāi)害的無人機(jī)傾斜攝影三維建模與分析方法。這些研究為無人機(jī)遙感技術(shù)在不良地質(zhì)勘察中的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。

基于上述分析，該文將以無人機(jī)遙感技術(shù)原理為基礎(chǔ)，提出其在公路不良地質(zhì)判識中的應(yīng)用思路，為無人機(jī)遙感技術(shù)在公路沿線不良地質(zhì)判識中的應(yīng)用提供一種可行的技術(shù)方法，以期實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)時代的可視化、智能化的公路勘察設(shè)計(jì)新理念。

1 無人機(jī)技術(shù)概述

1.1 無人機(jī)遙感技術(shù)原理

無人機(jī)遙感技術(shù)是利用先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)，通過搭載高性能數(shù)碼相機(jī)、傳感器等來獲取地面像片，并對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，來實(shí)現(xiàn)對地面信息的實(shí)時調(diào)查與監(jiān)測的一門應(yīng)用技術(shù)。

一個完整的無人機(jī)遙感系統(tǒng)由地面部分、空中部分和數(shù)據(jù)處理3部分組成。其中地面和空中是無人機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的核心，用于獲取地面像片?？罩胁糠职ㄟb感傳感器系統(tǒng)、空中控制系統(tǒng)和無人機(jī)平臺，地面部分包括地面顯示系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和航跡規(guī)劃系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括影像數(shù)據(jù)預(yù)覽系統(tǒng)、影像數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)，主要是利用計(jì)算機(jī)對獲取的影像進(jìn)行分析、處理，得到目標(biāo)物的形狀、大小、位置等三維特征信息，實(shí)現(xiàn)對不良地質(zhì)體模型的構(gòu)建與特征分析。

1.2 無人機(jī)遙感技術(shù)優(yōu)勢

山區(qū)公路沿線區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，常遇陡坡、深谷、河流，不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，傳統(tǒng)的人力勘察危險性較高、工期長，目前較多工程勘察已配合采用衛(wèi)星、載人航空、無人機(jī)等遙感技術(shù)手段。其中無人機(jī)遙感技術(shù)成圖精度高、時效性好，與衛(wèi)星、載人航空等現(xiàn)代遙感平臺相比，具有明顯優(yōu)勢。

(1) 監(jiān)測受限小，安全性強(qiáng)，山區(qū)地形和氣候較為復(fù)雜，常年受積雪、云層影響，相比于衛(wèi)星遙感與載人航空，無人機(jī)航測一般處于低空飛行，受氣候條件影響較小，成圖質(zhì)量較好。此外無人機(jī)對起降地的要求限制少，且不用考慮飛行員的安全，對于地形復(fù)雜地區(qū)如陡坡、深谷等，可降低勘察風(fēng)險。

(2) 數(shù)據(jù)精度高，時效性好

無人機(jī)一般在云下平穩(wěn)飛行，可實(shí)現(xiàn)垂直、傾斜等多角度成像，彌補(bǔ)了衛(wèi)星正射影像只能從垂直角度成像的不足；與傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感、載人飛機(jī)測繪相比，利用無人機(jī)遙感技術(shù)可隨時拍攝獲取地表信息，時效性高；空間分辨率高，可達(dá)到分米級甚至厘米級精度，從而更加直觀、真實(shí)、全面地反映公路沿線的地表現(xiàn)狀。

(3) 快速測繪，自動處理成果

無人機(jī)遙感系統(tǒng)測繪效率較衛(wèi)星、載人航空手段有所提高，且數(shù)據(jù)處理更為便捷。對于公路工程等線狀構(gòu)造物，一般情況下，1臺無人機(jī)可以在12 h內(nèi)獲取約300 km公路工程走廊帶范圍內(nèi)的高精度航拍影像。同時可自動處理原始影像，生成制作DEM、DOM等成果數(shù)據(jù)。通過專業(yè)建模軟件，實(shí)現(xiàn)對滑坡、崩塌體等三維模型屬性信息的瀏覽，以及體積、高度、坡度、坡向等空間特征信息的量測。

2 基于無人機(jī)遙感技術(shù)的公路不良地質(zhì)判識工作流程

公路沿線走廊帶常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象有滑坡、泥石流、巖崩、巖溶、凍土、水害、采空區(qū)以及強(qiáng)震區(qū)(高地應(yīng)力)等。相比于現(xiàn)場踏勘和鉆孔等傳統(tǒng)手段，無人機(jī)遙感影像技術(shù)為從宏觀至微觀、從定性至定量了解區(qū)域不良地質(zhì)的情況提供了便捷的方法，極大地提高了野外勘察的工作效率與成本。其工作流程主要分為3個階段，見圖1。

圖1 基于無人機(jī)遙感技術(shù)的公路不良地質(zhì)判識工作流程

(1) 無人機(jī)航空影像采集

根據(jù)公路建設(shè)項(xiàng)目建議書確定需要航拍的工作任務(wù)及精細(xì)程度，充分收集研究區(qū)域的地形地貌、地質(zhì)等資料并進(jìn)行初步現(xiàn)場踏勘；確定需要航拍的區(qū)域位置及航線，執(zhí)行航飛計(jì)劃，完成影像數(shù)據(jù)采集。

(2) 無人機(jī)影像數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

利用無人機(jī)航拍影像處理軟件對影像進(jìn)行統(tǒng)一勻色處理，并利用采集的像控點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過區(qū)域網(wǎng)平差方法進(jìn)行空三加密，使其達(dá)到規(guī)范要求。在完成空三加密之后，利用同名點(diǎn)和控制點(diǎn)制作生成DEM，根據(jù)DEM制作正射影像，并構(gòu)建真實(shí)感三維模型。

(3) 公路不良地質(zhì)無人機(jī)遙感判識

基于無人機(jī)遙感的公路不良地質(zhì)判識工作基本流程為：利用遙感圖像目視解譯或利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)識別技術(shù)與算法，根據(jù)正射影像的紋理、色調(diào)、形狀、陰影等解譯標(biāo)志，人機(jī)交互判識出沿線區(qū)域崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)體的類型、位置、分布范圍等基本特征；對遙感解譯發(fā)現(xiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行外業(yè)地質(zhì)調(diào)查驗(yàn)證；綜合評價、論證不良地質(zhì)現(xiàn)象對公路路線及構(gòu)造物的影響程度，提出工程繞避或優(yōu)化方案等。

3 無人機(jī)遙感技術(shù)在公路不良地質(zhì)判識中的應(yīng)用

不良地質(zhì)現(xiàn)象尤其是崩塌、滑坡、泥石流等較為大型的災(zāi)害個體的判識是山區(qū)公路工程地質(zhì)遙感判識的重點(diǎn)，也是工程地質(zhì)遙感判識內(nèi)容中效果最好的一種，特別是由無人機(jī)高分辨率影像得到的解譯結(jié)果，對公路地質(zhì)勘察工作具有實(shí)際的指導(dǎo)和應(yīng)用意義。以下就這三類災(zāi)害個體的無人機(jī)遙感判識應(yīng)用進(jìn)行論述。

3.1 崩塌無人機(jī)遙感判識

傳統(tǒng)崩塌勘察需要耗費(fèi)較多的人力資源，且一般發(fā)生崩塌現(xiàn)象處坡度較大，人工勘察容易發(fā)生安全事故。而采用無人機(jī)進(jìn)行多點(diǎn)航拍，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建不良地質(zhì)體三維模型，構(gòu)建解譯標(biāo)志，通過三維多角度顯示可以快速識別出發(fā)生崩塌的位置。同時還可以對陡坡幾何尺寸、地質(zhì)特征等進(jìn)行量測、分析，評價其失穩(wěn)概率。

在無人機(jī)遙感圖像中，崩塌解譯標(biāo)志主要依據(jù)紋理、色調(diào)進(jìn)行判讀。研究表明：在山地丘陵地區(qū)，崩塌發(fā)生在55°～70°的陡坡上概率較大，在二維影像圖上紋理粗糙，呈灰白色調(diào)不規(guī)則斑塊，無植被覆蓋。結(jié)合DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建真實(shí)感三維模型，則可全方位展示崩塌特征。如對湖南資興市省道S1 813線沿線進(jìn)行無人機(jī)勘察，通過對二維影像與三維影像觀察與分析，解譯出崩塌2處(圖2)，與野外實(shí)地調(diào)查結(jié)果吻合，識別準(zhǔn)確度為100%。

圖2 湖南資興市S1 813線沿線崩塌判識圖

通過該案例分析，無人機(jī)在識別崩塌不良地質(zhì)現(xiàn)象方面的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：①勘察精度較高，構(gòu)建真實(shí)感三維模型，突破傳統(tǒng)二維解譯方法，同時可以對陡坡的幾何空間特征進(jìn)行量測；②受地形限制較少，輔助開展復(fù)雜地區(qū)的勘察工作，可降低人員勘察的安全風(fēng)險。

3.2 滑坡無人機(jī)遙感判識

滑坡的無人機(jī)遙感判識主要通過遙感圖像的形態(tài)、色調(diào)、陰影、紋理等進(jìn)行?；麓蠖喾植荚诤庸?、陡坡等地段，在影像上滑坡體一般呈簸箕形、舌形、弧形等不規(guī)則形狀，色調(diào)偏淺，植被稀少。同時結(jié)合DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型，利用三維分析技術(shù)可以更清晰地在三維模型中判識滑坡壁、滑坡臺階、滑坡舌、滑坡周長、封閉洼地等，并量測坡度和體積等特征參數(shù)。

滑坡段工程地質(zhì)選線應(yīng)盡可能繞避大型復(fù)雜滑坡，若繞避有困難，應(yīng)結(jié)合穩(wěn)定程度、處治難易，對繞避和整治方案綜合比較后進(jìn)行選擇；對于中、小型滑坡，一般可考慮通過，但應(yīng)采用必要的工程處治措施。

無人機(jī)在識別滑坡不良地質(zhì)現(xiàn)象方面的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：相比于人工勘察，可快速構(gòu)建滑坡體的三維模型，并計(jì)算坡度、體積等空間特征參數(shù)。

3.3 泥石流無人機(jī)遙感判識

傳統(tǒng)的泥石流地質(zhì)勘察主要是人工實(shí)地勘測，雖能獲得較高的精度和置信度，但是具有花費(fèi)大、工作強(qiáng)度高、效率低和信息不及時等不足之處，而無人機(jī)勘察則可避免這些缺陷。

泥石流在平面上可以分為物源區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)。在影像上物源區(qū)一般呈瓢形、條帶狀、樹枝狀等，色調(diào)深淺不一，有大量松散固體呈淺色，無植被生長。堆積區(qū)一般呈淺色調(diào)，略顯流動紋理，于溝谷出口處形成洪積扇。利用無人機(jī)遙感技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法等可實(shí)現(xiàn)對泥石流災(zāi)害的裸露、松散堆積物進(jìn)行自動提??；再利用研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行三維空間分析，進(jìn)而可提取出泥石流隱患溝的溝系范圍，并可對物源區(qū)、堆積區(qū)的幾何特征進(jìn)行量測(圖3)。

圖3 湖南資興市S1 813線沿線泥石流判識圖

經(jīng)實(shí)踐證明，無人機(jī)在識別泥石流不良地質(zhì)現(xiàn)象方面的準(zhǔn)確性較高，其優(yōu)勢與前文敘述類似，表現(xiàn)為提高勘察效率，精確獲取不良地質(zhì)現(xiàn)象的空間幾何特征。

4 結(jié)語

山區(qū)公路存在勘測難度大、勘測效率低下等問題，高山峽谷地區(qū)，利用傳統(tǒng)勘測方法存在設(shè)備搬運(yùn)困難、人員安全風(fēng)險高、勘察周期長、信息收集不全面、對走廊帶宏觀地質(zhì)條件把握不足等問題，尤其是對走廊帶內(nèi)崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)的勘察和評價程度不足。無人機(jī)遙感技術(shù)具有自動化程度高、真實(shí)還原度高、空間分辨率高等優(yōu)勢，為不良地質(zhì)的快速判識提供了新的技術(shù)手段。經(jīng)實(shí)踐證明其對滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)揭示準(zhǔn)確性較高，同時通過可視化的三維模型進(jìn)行方案分析研究，盡可能做到方案合理、安全可行，既避免了公路建設(shè)的不良地質(zhì)災(zāi)害影響，也降低了為繞避不確定的不良地質(zhì)耗費(fèi)巨大的建設(shè)成本。