淺析無人機(jī)航測系統(tǒng)在滑坡應(yīng)急中的應(yīng)用

張海強(qiáng)

摘? 要：近年來，隨著無人飛行器技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖像匹配技術(shù)的成熟以及成本的不斷下降，傾斜攝影測量技術(shù)從城市三維建模的應(yīng)用推向了各個(gè)相關(guān)行業(yè)?；诖?，本文分析了無人機(jī)航測系統(tǒng)在滑坡應(yīng)急中的應(yīng)用，以供參考。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)航測系統(tǒng);滑坡應(yīng)急;應(yīng)用

中圖分類號：P2314?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??? 文章編號：2096-6903（2021）02-0000-00

0引言

地質(zhì)災(zāi)害是由地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)活動(dòng)的異常變化引起的災(zāi)害。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后，往往會(huì)對災(zāi)區(qū)生態(tài)造成嚴(yán)重破壞。災(zāi)難發(fā)生后需要第一時(shí)間進(jìn)行救援，因此引導(dǎo)災(zāi)后救援工作的組織是否井井有條，是否準(zhǔn)時(shí)與居民的生活直接相關(guān)。研究表明采用傳統(tǒng)方法救災(zāi)，其不僅會(huì)受到局限，而且效率低下，隨時(shí)可能發(fā)生二次災(zāi)難。無人機(jī)具有克服二次災(zāi)害，不受交通條件影響的特點(diǎn)，可以迅速收集災(zāi)區(qū)數(shù)據(jù)和航拍照片，并制作DOM正射影像，DSM數(shù)字高程模型和3D模型。因此可以有效協(xié)助組織救援行動(dòng)，同時(shí)及時(shí)反映災(zāi)區(qū)的范圍和現(xiàn)狀。

1無人機(jī)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用案例

隨著技術(shù)的發(fā)展和服務(wù)目標(biāo)的變化，國家航空遙感中心在過去的10年中得到了發(fā)展。在過去的10年中，無人機(jī)的應(yīng)急機(jī)制極大地提高了其獲取跟蹤數(shù)據(jù)的能力。2008年汶川地震發(fā)生后，中心立即派遣無人機(jī)人員前往震中地之一的北川縣，并于5月15日進(jìn)行了航拍，得到分辨率為0.3m的圖像，并將其與災(zāi)前的圖像進(jìn)行了比較。遙感圖像的比較表明房屋已損壞。2010年6月21日下午6：30左右，江西省福州市臨川區(qū)撫河干流右岸的長開大壩坍塌。6月23日，該中心緊急啟動(dòng)了一項(xiàng)重要的國家合作機(jī)制，以應(yīng)對自然災(zāi)害時(shí)的緊急無人機(jī)。無人機(jī)工作人員被派往江西和其他受災(zāi)地區(qū)拍照，獲得具有空間分辨率的0.2m圖像數(shù)據(jù)，并分析和評估了昌凱大壩的沉沒和洪水淹沒情況。

2數(shù)據(jù)獲取及處理流程

通過無人機(jī)攝影測量獲得的各種數(shù)字地形產(chǎn)品可以快速再現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害及其周圍環(huán)境的真實(shí)場景，而不會(huì)出現(xiàn)盲點(diǎn)，并且可以清楚地顯示地質(zhì)災(zāi)害的類型，規(guī)模，面積和地形，并準(zhǔn)確識別地質(zhì)災(zāi)害的形態(tài)特征。直接從圖像中讀取每個(gè)點(diǎn)的高程值以及任何兩個(gè)點(diǎn)的高程，坡度和縱橫比的差異，為研究大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害提供三維參數(shù)，并結(jié)合土地測量和監(jiān)測數(shù)據(jù)來識別災(zāi)害的特征和影響快速解釋和評估。為緊急調(diào)查和現(xiàn)場分析提供了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

3無人機(jī)航測系統(tǒng)在滑坡應(yīng)急中的應(yīng)用

3.1滑坡區(qū)概況

滑坡區(qū)位于青海省水力發(fā)電站水庫區(qū)的右岸，距大壩約1.4公里。地勢是黃河峽谷地區(qū)的源頭，是黃土高原與青藏高原之間的過渡帶，通常從西南向東北傾斜。該地區(qū)的海拔在2100～3000m之間，地形通常略微上坡而陡峭下坡。黃土上坡的自然坡度在5°～35°之間，由于道路開挖，該坡度幾乎是垂直的。庫岸下巖質(zhì)邊坡坡度在35°?45°之間，坡高200～300m，滑坡區(qū)位于祁連縣祁連中游隆起帶南側(cè)地槽折疊系統(tǒng)。其南部邊界是青海南山-天水?dāng)嗔褞?，而祁連-海原結(jié)構(gòu)帶與北部相鄰，滑坡場址的地質(zhì)條件相對簡單，結(jié)構(gòu)發(fā)育程度低，在地面上沒有觀察到重大的構(gòu)造斷層或裂縫。

3.2無人機(jī)應(yīng)用的具體體現(xiàn)

在獲得滑坡體的航測圖像后，將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，圖像數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和后處理兩部分。首先，處理圖像數(shù)據(jù)，包括圖像數(shù)據(jù)下載，飛行質(zhì)量檢查，相機(jī)校準(zhǔn)等。在預(yù)處理完成后，將圖像導(dǎo)入到UAV分割圖像處理軟件中以在滑坡區(qū)域生成DEM和DOM。并在滑坡體地形建模軟件中，生成滑坡體數(shù)據(jù)。通過使用滑坡體的DOM圖像，通過圖像的地質(zhì)解釋，可以快速執(zhí)行滑坡體并獲得滑坡特征和相關(guān)的地質(zhì)數(shù)據(jù)，以進(jìn)行滑坡體的地質(zhì)建模和穩(wěn)定性分析。

3.3具體應(yīng)用帶來的好處

無人機(jī)攝影測量技術(shù)用于快速獲得滑坡的高清晰表面圖像，因此，通過圖像處理和地質(zhì)解釋，可以輕松，快速地獲得滑坡的地形和地質(zhì)信息。（1）利用從無人機(jī)圖像獲得的滑坡體數(shù)據(jù)，通過三維建模平臺(tái)建立滑坡體地質(zhì)模型和計(jì)算模型，形成數(shù)據(jù)流，以基于無人機(jī)航測快速生成滑坡分析與計(jì)算模型。（2）利用有限元減阻法從圖像數(shù)據(jù)建立滑坡體計(jì)算模型，進(jìn)行穩(wěn)定性分析和計(jì)算，結(jié)果與實(shí)際滑坡變形基本吻合，說明無人機(jī)在航空勘測中的應(yīng)用在快速調(diào)查和分析滑坡中是可行的，并且可為滑坡災(zāi)害緊急情況的決策提供科學(xué)依據(jù)。

4無人機(jī)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

近年來，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，無人機(jī)技術(shù)和載荷技術(shù)有了更大的發(fā)展空間。第一架應(yīng)用在工業(yè)方面的無人機(jī)已經(jīng)由以往的壽命短和電動(dòng)多旋翼飛機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)前的垂直起降和混合動(dòng)力，飛行速度非常快。在以前的無人機(jī)應(yīng)用時(shí)，采用的是單鏡頭光學(xué)相機(jī)，而目前采用的是多種有效載荷，比如說傾斜、紅外激光、雷達(dá)等。技術(shù)發(fā)展實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用深度和廣度的拓展，利用無人機(jī)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電氣檢查、交通監(jiān)控以及環(huán)境監(jiān)控等，而且無人機(jī)技術(shù)在救援救災(zāi)領(lǐng)域也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。為了滿足無人機(jī)技術(shù)在重大災(zāi)害應(yīng)急管理中能力的提升，實(shí)現(xiàn)救援救災(zāi)目標(biāo)，對災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)控與預(yù)警，獲取更多更加準(zhǔn)確而及時(shí)的信息，為航空遠(yuǎn)程控制中心提供更多的數(shù)據(jù)資料，需要研究人員不斷加大對傳感器控制的分析，發(fā)現(xiàn)無人機(jī)技術(shù)和平臺(tái)應(yīng)用中存在的漏洞。利用無人機(jī)資產(chǎn)的社會(huì)力量，建立“大型無人機(jī)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)視協(xié)作機(jī)制”，目前該機(jī)構(gòu)已經(jīng)有16個(gè)單位和84個(gè)專業(yè)團(tuán)隊(duì)，對于發(fā)生高危險(xiǎn)的地區(qū)實(shí)施緊急救援。通過不同類型的無人機(jī)應(yīng)用，融合到我國的應(yīng)急管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)資源科學(xué)配置，滿足共享和利用。建立無人機(jī)管理系統(tǒng)，利用無人機(jī)視頻和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的可視化系統(tǒng)，滿足無人機(jī)飛行的可控性，建立應(yīng)急管理體系，為無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行創(chuàng)造良好的環(huán)境。

5無人機(jī)在現(xiàn)實(shí)中的具體應(yīng)用

5.1具體情況

滑坡嚴(yán)重威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)，阻礙了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。其通常始于人跡罕至的山區(qū)的頂部或山坡上，這些地區(qū)交通不便或距離城市較遠(yuǎn)。在自然災(zāi)害的情況下，它們通常是由大雨和其他極端天氣條件引起的。茂縣6.24滑坡就是這種情況，富貴山海拔3455m，滑坡后的巖石和土壤被染色和暴露，生態(tài)異常脆弱。突如其來的災(zāi)難奪取了山下100多人的生命，掩埋了46棟房屋，在2公里以內(nèi)堵住了河床，并導(dǎo)致了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。湖水壩對水力發(fā)電廠，水庫產(chǎn)生了巨大影響。來自無人機(jī)航拍照片的災(zāi)后圖像被用于快速獲取第一手?jǐn)?shù)據(jù)。滑坡區(qū)域從東北向西南擴(kuò)散。初始滑坡帶的高度約為3404m，下覆巖層的高度約為2646m，最低點(diǎn)的高度（河床的位置）約為2286m，相差約1118m，最大水平滑動(dòng)距離約為2658m，該斜坡的總坡度約為50°?60°，由滑坡形成的湖泊上下游之間的高度差約為4m。無人機(jī)的航拍照片清楚表明，在上部滑坡帶的西北角，可以看到清晰的滑坡后緣和滑坡裂縫條紋。最大裂縫寬度為26m。這種裂縫寬度掩蓋了滑坡和其他地質(zhì)災(zāi)害再次發(fā)生的可能性。

5.2后續(xù)處理

在對茅縣滑坡成因和災(zāi)區(qū)破壞的分析基礎(chǔ)上，制定了以下防治高發(fā)病率高山地區(qū)自然災(zāi)害的措施和建議：（1）地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)的管理提前制定并迅速啟動(dòng)和執(zhí)行應(yīng)急計(jì)劃，在暴雨和地質(zhì)災(zāi)害期間堅(jiān)決將人員從危險(xiǎn)人群中疏散，并在必要時(shí)采取強(qiáng)制措施進(jìn)行預(yù)防;（2）加強(qiáng)應(yīng)急服務(wù)，完善及時(shí)的災(zāi)害預(yù)警和專項(xiàng)報(bào)告，確保通訊暢通無阻;（3）加強(qiáng)雨季旅游安全管理，加強(qiáng)旅游區(qū)和交通干線區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治的監(jiān)督管理，嚴(yán)格防范死亡，不遺余力避免或減少人員流失。（4）加強(qiáng)對山區(qū)高發(fā)地區(qū)和茂縣縣滑坡等目標(biāo)地區(qū)潛在隱患的調(diào)查。對現(xiàn)有災(zāi)難進(jìn)行徹底調(diào)查。特別是，對于高救濟(jì)，陡坡和大泉水的隱蔽災(zāi)害地點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視和預(yù)警，并在必要時(shí)進(jìn)行疏散。

5.3經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

（1）地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查具有持續(xù)時(shí)間短，持續(xù)時(shí)間短，風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)。常規(guī)的地質(zhì)勘探方法通常不能滿足緊急勘探需求。但是，使用無人機(jī)和地球物理勘測之類的新勘測技術(shù)可以簡單，快速且高效?？梢詼?zhǔn)確地獲取地質(zhì)災(zāi)害的基本數(shù)據(jù)，其結(jié)果主要可以滿足突發(fā)事件調(diào)查評估的需要。（2）緊急調(diào)查結(jié)果表明江滑坡是大規(guī)模的覆蓋層滑坡?；卤砻娴淖冃魏軓?qiáng)，主要是蠕變到滑動(dòng)，表現(xiàn)為軸向變形。從亞穩(wěn)態(tài)到不穩(wěn)定狀態(tài)。地震或其他因素可能會(huì)引發(fā)大規(guī)模的動(dòng)蕩或全球動(dòng)蕩;滑坡威脅著敏感地區(qū)，破壞程度很高，地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)也很高。（3）根據(jù)調(diào)查，分析和評估應(yīng)急情況的結(jié)果，提出綜合應(yīng)急措施，對應(yīng)急預(yù)案，監(jiān)測預(yù)警，應(yīng)急預(yù)案和長期應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行研究。（4）如無人機(jī)，地球物理勘探等新技術(shù)與數(shù)據(jù)收集和傳統(tǒng)的基于地面的地質(zhì)勘探方法相結(jié)合用于滑坡應(yīng)急偵查技術(shù)，已在較短的時(shí)間內(nèi)得出了應(yīng)急偵查結(jié)果。它不僅在很大程度上避免了滑坡失穩(wěn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，而且在西南山區(qū)對地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急反應(yīng)中積累了經(jīng)驗(yàn)，可以作為調(diào)查緊急情況和為此類地質(zhì)災(zāi)害提供緊急援助的參考。

6無人機(jī)應(yīng)急測繪方法

6.1無人機(jī)應(yīng)急測繪

UAV圖像的數(shù)據(jù)量非常大，因此傳統(tǒng)方法的處理會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間，并且效率很低。對于受災(zāi)地區(qū)，時(shí)間就是生命。因此，我們必須抓緊改進(jìn)工作流程，利用現(xiàn)有的有限資源來應(yīng)對不同情況，并盡快發(fā)布調(diào)查結(jié)果和緊急情況圖，以支持支持工作數(shù)據(jù)。針對無人機(jī)檢測和海圖計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化的組件包括應(yīng)急計(jì)劃，數(shù)據(jù)處理和分析以及航空攝影，可以通過科學(xué)手段優(yōu)化和改善各種連接，以確保檢測和制圖時(shí)間滿足救援需求。

6.2應(yīng)急拍攝作業(yè)

無人機(jī)航測配備了高分辨率攝像頭，可以快速獲取工作區(qū)域的高清圖像。通過圖像處理和信息提取，可以獲得地形數(shù)據(jù)和救濟(jì)區(qū)的地面物體。無人機(jī)航測具有機(jī)動(dòng)靈活，快速有效的特點(diǎn)，運(yùn)行成本低，適用范圍廣，操作維護(hù)方便等特點(diǎn)，在獲取小面積高分辨率圖像方面具有明顯的優(yōu)勢。

7結(jié)語

傾斜攝影測量實(shí)景三維建模技術(shù)用于為塔滑坡站點(diǎn)創(chuàng)建傾斜3D模型，該模型可以清楚地描述塔與周圍環(huán)境之間的關(guān)系，如滑坡體，滑坡范圍，植被覆蓋度和大面積裸露的基巖，并結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查可以提高現(xiàn)場的整體穩(wěn)定性。同時(shí)還可以使滑坡分析處理方案迅速可行，為滑坡災(zāi)害處理提供有力的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

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Analysis on the Application of UAV Aerial Survey System in Landslide Emergency

ZHANG Haiqiang

（Guangzhou Siwei Chengke Information Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou Guangdong 511483）

Abstract：In recent years， with the development of unmanned aerial vehicle technology， the maturity of computer image matching technology and the continuous decline in cost， tilt photogrammetry technology has been promoted from the application of urban three-dimensional modeling to various related industries. Based on this， this article analyzes the application of UAV aerial survey system in landslide emergency for reference.

Keywords： UAV aerial survey system; landslide emergency; application