基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)探究

摘要：運(yùn)用傳統(tǒng)方法監(jiān)測(cè)與調(diào)查滑坡地質(zhì)災(zāi)害是一個(gè)高成本、高代價(jià)的工作，而基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)開展滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)可以提升工作效率和減少成本。應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)能夠迅速獲得質(zhì)量高、分辨率高的遙感影像，尤其是在地形與氣候較為復(fù)雜的區(qū)域。文章選取浙江臺(tái)州仙居某村作為研究對(duì)象，應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害開展現(xiàn)場(chǎng)掃描工作，通過(guò)收集滑坡后的地表三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再進(jìn)行處理獲得DEM與DOM，最后定量計(jì)算出滑坡土方量，以期為相關(guān)研究提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)遙感;滑坡地質(zhì)災(zāi)害;監(jiān)測(cè);數(shù)字高程模型

中圖法分類號(hào)：P694文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on landslide geological disaster monitoring based onUAV remote sensing technology

ZHU Jiguang

（Zhejiang Engineering Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Hangzhou 315012，China）

Abstract：Using traditional methods to monitor and investigate landslide geological disaster is a high cost and high cost work， so the landslide geological disaster monitoring based on UAV remote sensing can improve the work efficiency and reduce the cost. Uav remote sensing technology can quickly obtain high quality and high resolution remote sensing images， especially in small areas， terrain and climate complex areas. This article selects the xianju， a village in Taizhou，Zhejiang， as the research object，uses the uav remote sensing technology to carry out field scanning， collects the surface of three-dimensional point cloud data after land slide， and then processes to obtain DEM and DOM. Finally the quantitative landslide earthwork quantity is calculated， in order to provide certain reference to related research.

Key words： UAV remote sensing， landslide geological disaster， monitoring， digital elevation model

1? 概述

近年來(lái)，我國(guó)諸多區(qū)域多發(fā)各種各樣的地質(zhì)災(zāi)害。作為一種有著較強(qiáng)破壞性以及突發(fā)性的地質(zhì)性災(zāi)害，滑坡在我國(guó)很多地區(qū)都廣泛分布。在以往的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中，一般要安排相關(guān)調(diào)查人員深入地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)的重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行仔細(xì)勘察，這就對(duì)其生命安全有著較大的威脅。此工作不僅有著極高的成本，也會(huì)耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間、降低工作效率。因而，如何應(yīng)用新型科技來(lái)提升工作效率與減少支出，是當(dāng)前滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)面臨的挑戰(zhàn)[1]。

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，很多科研人員已經(jīng)把衛(wèi)星遙感影像普遍且深入地應(yīng)用在滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)工作之中。受到我國(guó)一些區(qū)域氣候因素的影響，大霧天氣和云層阻擋較為普遍，這就在一定程度上限制了衛(wèi)星遙感影像的分辨率，最終降低了影像的品質(zhì)。獲取不到較好的衛(wèi)星遙感影像就無(wú)法滿足滑坡地質(zhì)災(zāi)害不斷提升的精度要求。

無(wú)人機(jī)遙感裝置可以在云層之下進(jìn)行低空飛行，能夠彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感影像與航空攝影無(wú)法獲得理想影像的不足。利用無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)可以迅速地獲得高質(zhì)量、高分辨率的遙感影像，尤其是在地形、地質(zhì)與氣候狀況較為復(fù)雜的區(qū)域，充分發(fā)揮了無(wú)人機(jī)遙感的靈便機(jī)動(dòng)、速度快、效率高等優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，相當(dāng)一部分科研工作人員應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)開展滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)工作。例如，有學(xué)者應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)開展重慶市某地滑坡地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)，深入研究了無(wú)人機(jī)遙感在滑坡地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與災(zāi)害損毀評(píng)估中的應(yīng)用;有學(xué)者應(yīng)用無(wú)人機(jī)拍攝的高分辨率影像解譯所研究區(qū)域內(nèi)部各種具有代表性的地質(zhì)災(zāi)害，開展解譯工作的主要依據(jù)是影像中各種地質(zhì)災(zāi)害所展現(xiàn)出的形狀、顏色、陰影以及紋理等;有學(xué)者以某水電站庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害為研究對(duì)象，在剖析與治理水電站地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)時(shí)應(yīng)用了以無(wú)人機(jī)為載體的垂直與傾斜攝影;有學(xué)者以四川某地滑坡為研究區(qū)域，闡述了如何獲得無(wú)人機(jī)遙感影像以及制作數(shù)字高程模型、DOM 與3D 模型的方法，詳細(xì)介紹了如何應(yīng)用 3D 數(shù)字模型定性與定量分析、精準(zhǔn)描述地質(zhì)災(zāi)害，并處理無(wú)人機(jī)影像且制作精度較高的正射影像、3D 數(shù)字模型。

2? 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)而言，在實(shí)際工作中根據(jù)其需求以及無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)特性合理應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，可以全面保障地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)工作質(zhì)量[2]。為了將無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)對(duì)其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行充分了解以及深入研究，進(jìn)而為后續(xù)的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)中，往往是通過(guò)無(wú)線電監(jiān)控設(shè)備來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行合理操控。以無(wú)人機(jī)作為主要平臺(tái)，通過(guò)各類遙感器來(lái)獲得某個(gè)區(qū)域的遙感信息，進(jìn)而使實(shí)際工作需求得到全面滿足。

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是一種新型遙感技術(shù)，和其他遙感技術(shù)相比，其在實(shí)際應(yīng)用中有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)：首先，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的響應(yīng)速度極快。使用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)時(shí)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)使飛行器上升到指定高度，并且在短期內(nèi)獲得較好的監(jiān)測(cè)效果。合理應(yīng)用該技術(shù)，不僅可以提高監(jiān)測(cè)工作效率，也能夠提高監(jiān)測(cè)精度。在后續(xù)的工作中，可以結(jié)合監(jiān)測(cè)工作的需求，合理改變無(wú)人機(jī)的飛行高度，從而提高數(shù)據(jù)獲取效率。其次，利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)所獲得的圖像分辨率極高，可以根據(jù)不同需求獲得更為精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)信息，并且通過(guò)圖像的方式對(duì)區(qū)域內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整反饋。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)具有大面積覆蓋以及垂直成像等特點(diǎn)，是一種極為先進(jìn)的技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)中，無(wú)人機(jī)可以根據(jù)技術(shù)人員提前設(shè)定的路線進(jìn)行自主飛行，無(wú)須人工操作，飛行速度極快、覆蓋范圍很廣。同時(shí)，無(wú)人機(jī)可以根據(jù)周邊環(huán)境的變化進(jìn)行自適應(yīng)飛行，從而有效提高平穩(wěn)性。最后，在實(shí)際應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)中，成本要求較低。隨著我國(guó)科技不斷發(fā)展，在制作無(wú)人機(jī)時(shí)，碳纖維復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用，其具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。同時(shí)，在后續(xù)無(wú)人機(jī)的維修及保養(yǎng)過(guò)程中，無(wú)須投入太多的技術(shù)和成本投入即可有效保養(yǎng)。此外，應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)時(shí)，硬件配置要求較低，極具性價(jià)比。

當(dāng)前，在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)工作中，合理利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)不僅可以提高監(jiān)測(cè)工作效率，而且能夠全面精簡(jiǎn)監(jiān)測(cè)工作流程，以減少不必要的資金投入，有效滿足地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)工作的實(shí)際需求，使得地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

3? 研究區(qū)域簡(jiǎn)介

在浙江發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害中，以滑坡災(zāi)害為主，浙江臺(tái)州區(qū)域尤甚。近年來(lái)，部分學(xué)者把遙感影像與目視解譯相結(jié)合，將其應(yīng)用到滑坡地質(zhì)災(zāi)害勘查工作中。其主要缺點(diǎn)是過(guò)分依賴解譯工作人員的專業(yè)知識(shí)能力以及豐富的經(jīng)驗(yàn)，大多使用的是分辨率較低的遙感圖像。其僅可以判斷解譯以及定性分析大型滑坡地質(zhì)災(zāi)害，無(wú)法定量分析滑坡的規(guī)模與地質(zhì)危害等級(jí)，難以滿足建設(shè)工程與治理地質(zhì)災(zāi)害的要求。

無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量在不斷發(fā)展，其擁有靈活機(jī)動(dòng)、攜帶便捷、分辨率高等特征，可以獲得精度較高的 DEM 和 DOM 等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，其在監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害、提取信息以及遙感解譯、災(zāi)情評(píng)價(jià)等方面有著顯著優(yōu)勢(shì) [3]。應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)不僅能夠提高解譯精度，也能夠縮短工作時(shí)間、降低成本，并且能夠?qū)崿F(xiàn)滑坡地質(zhì)災(zāi)害體的定量測(cè)量。近年來(lái)，人類的活動(dòng)變得更加頻繁，滑坡地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重威脅著交通工程以及水利工程的安全。在一個(gè)工程項(xiàng)目進(jìn)行施工之前，監(jiān)測(cè)滑坡是一項(xiàng)非常重要的工作。

本文選擇浙江臺(tái)州仙居某村作為研究對(duì)象，基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以獲得精度較高的數(shù)據(jù)?；诖耍O(jiān)測(cè)和分析滑坡點(diǎn)，從而為該區(qū)域的防災(zāi)減災(zāi)以及編制地區(qū)相關(guān)規(guī)劃提供一定依據(jù)。浙江臺(tái)州仙居某村所處區(qū)域?qū)儆谇治g低山地貌，自然斜坡坡度為15°～ 45°，海拔高程為470m ～175m ，最大相對(duì)高差為295m ，監(jiān)測(cè)面積為0.6km2。

本次研究使用的是中國(guó)科學(xué)院 QC?1 型無(wú)人機(jī)。因在設(shè)計(jì)飛行航線時(shí)，考慮到地形變化較大，并且成像的要求是0.1 m 分辨率正射影像，航拍時(shí)采用變高航線的方式。此次無(wú)人機(jī)航拍基于“CGCS2000”坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)則采用“1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”。因監(jiān)測(cè)滑坡地質(zhì)災(zāi)害需要清晰且豐富的紋理信息，無(wú)人機(jī)航拍原片的地面分辨率應(yīng)當(dāng)達(dá)到1 ∶1000的要求，地面分辨率高于10cm ，無(wú)人機(jī)航拍原片的地面分辨率為8cm。

4? 滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)

4.1? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取與分類

在本次研究中，無(wú)人機(jī)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為不超過(guò)5°的重疊點(diǎn)云，對(duì)其開展過(guò)濾工作，僅保留精度較高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用控制數(shù)據(jù)對(duì)拼接完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，測(cè)得的20個(gè)像控點(diǎn)數(shù)據(jù)均用來(lái)進(jìn)行平差，經(jīng)過(guò)校正的點(diǎn)云和控制的中誤差都小于0.1 m。

因基于無(wú)人機(jī)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是一些沒有順序規(guī)則的點(diǎn)，須對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)類別進(jìn)行劃分，從分散的點(diǎn)云中精準(zhǔn)地提取地面及地面物質(zhì)的信息，進(jìn)而為分析滑坡地質(zhì)災(zāi)害提供更加有用的信息數(shù)據(jù)[4]。本文采用監(jiān)督分類的方法，將構(gòu)建統(tǒng)計(jì)判別函數(shù)作為理論基礎(chǔ)，根據(jù)具有代表性樣本閾值選擇訓(xùn)練方法完成分類工作，通過(guò)選取特征數(shù)值，計(jì)算出特征數(shù)值并且作為決策規(guī)則。構(gòu)建識(shí)別函數(shù)，完成分類影像類別劃分，進(jìn)而開展對(duì)地面點(diǎn)以及非地面點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)類別劃分。

4.2? 地形數(shù)據(jù)及分析

將地形柵格的分辨率設(shè)定為1m ，通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，一些地形數(shù)據(jù)中缺少的部分能夠通過(guò)插值完成填充，進(jìn)而建立實(shí)心的地形表面。監(jiān)測(cè)區(qū)域地形西側(cè)高東側(cè)低，東側(cè)和西側(cè)均為高山，中間是低谷。在海拔比較低的山谷中居民點(diǎn)散布，最低點(diǎn)海拔高度大約為175m ，最高點(diǎn)海拔高度大約為470m ，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的高差大約為390m 。參考坡地分類，把監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為以下幾個(gè)區(qū)間：0°～ 5°是緩坡區(qū)，5°～ 15°是緩斜坡區(qū)，15°～ 25°是陡坡區(qū)，25°～ 45°是極坡區(qū)。根據(jù)對(duì)研究區(qū)域以往地質(zhì)災(zāi)害的分析，其中15°～ 25°和25°～35°是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)的兩個(gè)坡度區(qū)間，采用 ARCGIS 軟件把空間坡度依照上述分類進(jìn)行劃分。由于坡度變化率是其二階導(dǎo)數(shù)，也是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)值，因此能夠體現(xiàn)坡度變化速率。坡度比較大而且變化率比較大的區(qū)域，先判別為易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害滑坡區(qū)域，在進(jìn)行級(jí)別劃分時(shí)，依照變化率數(shù)值10°為一個(gè)范圍，將坡度較陡且坡度變化較快的區(qū)域進(jìn)行高亮。

4.3? 空間分析

在遙感影像上，將居民點(diǎn)的分布地區(qū)進(jìn)行矢量化，依照100m 的距離對(duì)居民區(qū)向外部形成緩沖區(qū)域。與此同時(shí)，把坡度以及坡度率進(jìn)行二值化處理。如果坡度超過(guò)30°，坡度變化率數(shù)值比30°大，并且處在居民區(qū)范圍100m 的區(qū)域，容易發(fā)生地質(zhì)滑坡災(zāi)害。

4.4? 定量分析滑坡土方量

選擇重要地區(qū)開展定量滑坡土方量分析。在易發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域內(nèi)，選擇重要的監(jiān)測(cè)區(qū)域，其面積大約是81066m2，利用無(wú)人機(jī)航拍獲得的 DEM ，把坡度超過(guò)25°的部分進(jìn)行平滑，而后該研究區(qū)域的整體坡度不能超過(guò)25°。利用柵格空間分析，把平滑以前的數(shù)字高程模型和平滑以后的數(shù)字高程模型進(jìn)行柵格運(yùn)算，選取差值，最高的滑坡點(diǎn)是7.79 m ，數(shù)值越大代表滑坡的風(fēng)險(xiǎn)越高，負(fù)值代表會(huì)被填充平整的部分，滑坡土方量是13578.2m3。

5? 結(jié)語(yǔ)

本文采用無(wú)人機(jī)收集滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患數(shù)據(jù)，通過(guò)獲得滑坡地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域以及周圍區(qū)域的數(shù)字高程模型，預(yù)測(cè)可能會(huì)出現(xiàn)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域，并且定量模擬滑坡的土方量。利用該方法可以對(duì)受災(zāi)狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，極大地縮短決策部門明晰滑坡受災(zāi)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)狀況的時(shí)間，為之后滑坡地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急工作領(lǐng)導(dǎo)小組快速做出決策、制定救災(zāi)方案提供一定的依據(jù)。

雖然無(wú)人機(jī)遙感影像的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、精度高，但是因?yàn)楫?dāng)前無(wú)人機(jī)續(xù)航較短，使得其遙感影像覆蓋面積并不大，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍的滑坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查以及監(jiān)測(cè)。未來(lái)，無(wú)人機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向便是大幅提高續(xù)航能力。除此之外，應(yīng)當(dāng)提升無(wú)人機(jī)的飛行穩(wěn)定性與不良?xì)夂驙顩r的應(yīng)對(duì)能力?；诖?，無(wú)人機(jī)便能夠?qū)碌刭|(zhì)災(zāi)害展開大面積、全時(shí)段、持續(xù)性地調(diào)查以及監(jiān)測(cè)。

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作者簡(jiǎn)介：

朱繼光（1986—） ，碩士，工程師，研究方向：地質(zhì)災(zāi)害。