無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用調(diào)查中的研究應(yīng)用

李 洋

廣東省核工業(yè)地質(zhì)局測(cè)繪院 廣東 廣州 510800

在進(jìn)行地震地質(zhì)災(zāi)害的勘察時(shí)，必須對(duì)該地區(qū)水文、氣象、巖層資料進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，以便對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，以便為以后的地質(zhì)工作做好準(zhǔn)備。近幾年，隨著無(wú)人駕駛飛機(jī)的傾斜成像技術(shù)的興起，突破了以往僅有縱向觀測(cè)的限制。可以更快更有效的收集資料。采用航空照相技術(shù)和立體照相技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)全方位、多角度的立體影像，使實(shí)際的地質(zhì)狀況得到最好的體現(xiàn)。

1 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查分析

地質(zhì)災(zāi)難是由于人類(lèi)和自然的原因而導(dǎo)致的地質(zhì)環(huán)境退化，對(duì)人類(lèi)生命和財(cái)產(chǎn)的危害，對(duì)人類(lèi)的生產(chǎn)、生活、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)乃至整個(gè)邊坡體的破壞都是十分重要的。地質(zhì)災(zāi)害的本質(zhì)是由地面裂縫、崩塌或滑坡引起的強(qiáng)烈的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，以及由環(huán)境劇變引起的自然災(zāi)害。地質(zhì)災(zāi)害對(duì)人類(lèi)社會(huì)生命財(cái)產(chǎn)進(jìn)行安全構(gòu)成一個(gè)巨大威脅。隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)，大量的山區(qū)開(kāi)挖，特別是臨河公路建設(shè)，使本來(lái)穩(wěn)固的巖石漸漸失去穩(wěn)定性。在暴雨或地震情況下，有很大的危險(xiǎn)，如崩塌，滑坡或泥石流[1]。

通過(guò)對(duì)地震資料的分析，提出了一種基于遙感與地表測(cè)量技術(shù)的地震監(jiān)測(cè)方法。在取得地表資料資料的基礎(chǔ)上，還要做好當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)資料、水文資料，以便更好的了解該區(qū)域的地理特點(diǎn)。從基本上把握該區(qū)域的災(zāi)情，并為防災(zāi)減災(zāi)作出重要的社會(huì)貢獻(xiàn)。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

在無(wú)人機(jī)的俯仰成像技術(shù)中，采用五種不同的電子成像技術(shù)，對(duì)不同的方位、不同的角度進(jìn)行不同的成像。由此獲得了目標(biāo)地區(qū)的有關(guān)影像。在飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)中，感應(yīng)器會(huì)實(shí)時(shí)地對(duì)飛機(jī)的速度、高度、座標(biāo)等相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行采集，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、加工。在同一個(gè)飛行周期內(nèi)，利用實(shí)時(shí)資料，可以獲取多個(gè)相同地區(qū)的多個(gè)交迭影像，既能發(fā)展出相同的場(chǎng)景又能反映出三個(gè)不同的公司，從而確保操作人員能夠?qū)ㄖ墓芾磉M(jìn)行高效的了解和把握。最后，為使用者提供最真實(shí)、客觀、全面的真實(shí)影像。該系統(tǒng)能夠真實(shí)的反應(yīng)地表的真實(shí)情況，并將其與地形相關(guān)的位置、效果等結(jié)合起來(lái)，使使用者在使用過(guò)程中得到更好的效果。在智能城市、三維導(dǎo)航、城市三維建模等方面，無(wú)人機(jī)的傾角成像技術(shù)已得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。與常規(guī)的航空測(cè)量技術(shù)相比較，在中國(guó)電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察時(shí)，可以更好的體現(xiàn)某一水平的地貌特征。在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，應(yīng)用一片多架次的傾斜照相技術(shù)，獲取了高精度、直觀的三維地貌三維建模，為監(jiān)測(cè)、評(píng)估和分析提供了依據(jù)。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)原理并不復(fù)雜，它的問(wèn)世使測(cè)控工作得到了新的發(fā)展與突破，主要原理如下。首先，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行俯仰測(cè)得資料，能夠從多個(gè)角度對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行拍照，其所提供的資料要遠(yuǎn)高于常規(guī)的正射象資料。斜面照相技術(shù)的問(wèn)世，可以有效地解決傳統(tǒng)的直射象的缺點(diǎn)。其次，斜像還可以測(cè)量單幅圖像，也就是說(shuō)可以通過(guò)圖像處理軟件計(jì)算出單幅斜像的高度、坡度、輪廓和體積，由此，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的使用領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的擴(kuò)展[2]。與GIS技術(shù)公司大量的數(shù)據(jù)相比，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)所提供的信息量相對(duì)比較少，這樣，就可以方便地進(jìn)行信息的傳送和分享。以上便是該項(xiàng)技術(shù)的工作原理，其原理決定了它在地質(zhì)調(diào)查范圍的作用。

3 無(wú)人機(jī)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查模式的優(yōu)缺點(diǎn)

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的主要優(yōu)點(diǎn)是：它能更快地測(cè)量所需數(shù)據(jù)，方便、高效地獲取高分辨率圖像，減少了時(shí)間和人力成本； 人員技術(shù)要求不太高。操作管理人員只需按照實(shí)際操作手冊(cè)學(xué)習(xí)無(wú)人機(jī)的相關(guān)教育理論基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)，就能順利操作無(wú)人機(jī)，對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)信息處理問(wèn)題形成的正射影像圖比傳統(tǒng)的測(cè)量圖更直觀，更方便企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)決策；第三，在地形條件比較復(fù)雜、地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)的地區(qū)，人工勘測(cè)測(cè)量方法很難完成，使用無(wú)人機(jī)發(fā)展可以輕松完成。與傳統(tǒng)的航空航天設(shè)備相比，無(wú)人機(jī)不需要機(jī)場(chǎng)，地形限制較少，可以低空飛行。此外，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地區(qū)的工作環(huán)境要求相對(duì)較低，可以采取難以進(jìn)入的地區(qū)，使地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查更加全面。

傳統(tǒng)的中國(guó)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與研究的技術(shù)，通常包括利用GIS、GPS等技術(shù)，比如利用大飛行器航攝技術(shù)進(jìn)行的常規(guī)航測(cè)、衛(wèi)星、可視化、多波段掃描等技術(shù)。在此對(duì)兩種模式進(jìn)行了對(duì)比分析（見(jiàn)表1）。不難發(fā)現(xiàn)，采用無(wú)人機(jī)俯仰照相技術(shù)能較美國(guó)地理勘探站的常規(guī)測(cè)量方式降低現(xiàn)場(chǎng)工作的能耗，大大縮短野外施工周期，可以提供更高采樣密度的地形圖和可測(cè)量的三維實(shí)體模型來(lái)評(píng)估現(xiàn)實(shí)生活中危險(xiǎn)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)程度。

表1 兩種地質(zhì)調(diào)查模式優(yōu)缺點(diǎn)的比較表

每種信息技術(shù)發(fā)展都有一個(gè)自己的優(yōu)勢(shì)，但也有自己的劣勢(shì)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)也不例外，優(yōu)勢(shì)很明顯，缺點(diǎn)也不容忽視。目前，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)主要存在以下缺點(diǎn)。第一，對(duì)于無(wú)人機(jī)本身來(lái)說(shuō)，它的電池容量小，雖然無(wú)人機(jī)制造商已不斷更新其電池容量。但是對(duì)于在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)需要完全飛起來(lái)勘查的無(wú)人機(jī)而言，一塊電池是往往不夠的，需要進(jìn)行幾塊電池的更換。在飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)的缺點(diǎn)就是，非常容易受到其他無(wú)線電設(shè)備等因素的干擾，從而發(fā)生控制故障、無(wú)人機(jī)故障和墜落等事故，存在一定的隱患。第二，來(lái)自于自然環(huán)境對(duì)無(wú)人機(jī)的影響。在一些山區(qū)，由于衛(wèi)星信號(hào)卻飯，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)起飛困難，并且對(duì)于小型無(wú)人機(jī)而言，天氣和風(fēng)向?qū)λ麄儺a(chǎn)生的影響是很明顯的。除此之外，在一些郁郁蔥蔥的密林中，無(wú)人機(jī)無(wú)法獲得實(shí)際的地面標(biāo)高，只能自己根據(jù)植被的表面進(jìn)行標(biāo)高。最后，無(wú)人機(jī)的后處理需要時(shí)間，并且對(duì)后處理計(jì)算機(jī)的硬件、軟件都有著較高的要求。

4 地質(zhì)災(zāi)害中的無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)?shù)刭|(zhì)災(zāi)難出現(xiàn)時(shí)，采用 UAV成像技術(shù)可以對(duì)不同地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而對(duì)其形成原因進(jìn)行研究，并借助衛(wèi)星、無(wú)人駕駛飛機(jī)進(jìn)行地面勘察，獲得相應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害資料。弄清水文、氣象、巖層等相關(guān)信息。在區(qū)域內(nèi)，分析中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害，劃分災(zāi)害類(lèi)型，提供一個(gè)相應(yīng)的災(zāi)害防治研究方法，觀測(cè)地質(zhì)災(zāi)害的動(dòng)態(tài)管理活動(dòng)或異常發(fā)展變化。通過(guò)沿著固定路徑飛行，可以從多個(gè)角度捕捉到撞擊，從而觀察到更清晰、分辨率更高的撞擊類(lèi)型，并確定和融合災(zāi)害發(fā)生的位置，形成真正的三維模型類(lèi)型。通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影與測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，可以從多個(gè)角度的圖像數(shù)據(jù)中獲取真實(shí)的情況。在真實(shí)三維模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)三維GIS軟件加載。由于我國(guó)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)模型的精度分析可以明顯優(yōu)于0.05米，因此我們可以在模型上直接清楚地看到項(xiàng)目區(qū)表面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，可以通過(guò)測(cè)量工具測(cè)量裂紋。在該模型中，不良地質(zhì)體的人工識(shí)別和標(biāo)記，都可以較為明顯地反映地表覆蓋情況，并且提供報(bào)告材料。最后，再進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、穩(wěn)定性計(jì)算和處理措施[3]。

在地質(zhì)災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)勘查中，采用無(wú)人機(jī)的俯仰照相技術(shù)，其技術(shù)流程由三部分組成：建立了俯仰照相系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)據(jù)的收集和整理；二是建立一個(gè)立體現(xiàn)實(shí)的模型，它包含了多視角影像資料的調(diào)整與比對(duì)以及建立一個(gè)立體的真實(shí)的模型。三是基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的3D建模，對(duì)地質(zhì)災(zāi)難事件進(jìn)行了一個(gè)初步的發(fā)展剖析。為今后合理選用合理的勘察路徑，為災(zāi)民撤離和轉(zhuǎn)移工作提供了科學(xué)的依據(jù)。地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的具體操作流程見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用流程

為確保三維數(shù)據(jù)建模的順利進(jìn)行完成，提高學(xué)習(xí)模型的準(zhǔn)確性，應(yīng)遵循以下需要注意事項(xiàng)。課程重疊度一般應(yīng)在60%-80%，最低不應(yīng)低于53%；橫向搭接一般應(yīng)為15%-60%，最小不應(yīng)小于8%。在實(shí)際航線規(guī)劃中，飛行人員應(yīng)盡可能設(shè)置較高的照片重疊率，以避免航拍孔和重復(fù)飛行。一般情況下，課程重疊率應(yīng)設(shè)置在75%-85%，側(cè)面重疊率應(yīng)設(shè)置在65%-75%。攝影區(qū)域邊界線外的球場(chǎng)覆蓋范圍，應(yīng)不少于兩條基線。攝影發(fā)展區(qū)域邊界線以外的側(cè)面覆蓋率一般我們不應(yīng)小于圖像的50%；在方便學(xué)生測(cè)量照片控制點(diǎn)且不產(chǎn)生影響企業(yè)辦公建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)正常使用加密的情況下，攝影活動(dòng)區(qū)域邊界線以外的橫向覆蓋率應(yīng)不小于影像的30%。如果地面物體的表面升高或凹陷，則需要進(jìn)行局部多角度收集。

5 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用表現(xiàn)

在山地地質(zhì)環(huán)境中，崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)環(huán)境條件十分復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行勘察，不僅要耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力。利用無(wú)人機(jī)的傾斜成像技術(shù)，不但可以獲得現(xiàn)場(chǎng)的圖像資料，而且可以對(duì)整個(gè)地震過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具體如下。

5.1 獲取實(shí)時(shí)圖像

在地質(zhì)災(zāi)難出現(xiàn)的時(shí)候，勘探者常常不能接近災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察。這時(shí)， UAV照相技術(shù)將無(wú)人偵察機(jī)引入到了受災(zāi)地區(qū)。同時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)影像反饋給后方指揮部，讓各專(zhuān)業(yè)人員能從影像上即時(shí)了解其狀況，并依據(jù)影像資料，制訂相應(yīng)的防治對(duì)策。

5.2 正射影像

對(duì)防災(zāi)減災(zāi)的調(diào)研和研究通常都是大范圍的，常規(guī)的調(diào)查和分析工作既耗時(shí)又耗時(shí)間，又易造成疏忽。對(duì)社會(huì)研究的結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響。正射影像以其數(shù)學(xué)精度、幾何精度和修正后的圖象特性，涵蓋了全部的觀測(cè)范圍內(nèi)的真實(shí)與客觀的景象，包含了所有的細(xì)節(jié)和全貌。調(diào)查者可以利用專(zhuān)用的軟件，從一個(gè)正向的視頻圖象中獲得所需要的信息，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，以確保調(diào)查工作全面、真實(shí)和準(zhǔn)確。

5.3 三維立體模型

與正射成像技術(shù)相比較，三維立體圖像從多個(gè)發(fā)展的視角、豎向、斜向等角度采集圖像資料，使圖像的信息管理更為全面、精確。通過(guò)對(duì)地震災(zāi)情的觀測(cè)，可以從多個(gè)不同的視角對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)，并將其放大，測(cè)量其長(zhǎng)度、高差、坡度、面積、坐標(biāo)等。為進(jìn)一步拓寬了測(cè)繪領(lǐng)域的范圍，拓寬了測(cè)繪領(lǐng)域中的無(wú)人機(jī)技術(shù)。另外，利用三維建模技術(shù)，可以方便、直觀地了解地質(zhì)環(huán)境，為領(lǐng)導(dǎo)干部的決策和部署工作奠定基礎(chǔ)。

5.4 線劃地形圖

地形線狀圖是地質(zhì)災(zāi)難調(diào)查與分析的重要依據(jù)。地質(zhì)災(zāi)害地區(qū)的地貌特征是傳統(tǒng)地貌地貌的復(fù)雜性、交通管理不便，并且導(dǎo)致作業(yè)設(shè)計(jì)難度大、投資大、建設(shè)項(xiàng)目周期長(zhǎng)，而且我們只能自己設(shè)定比例尺數(shù)據(jù)進(jìn)行分析野外測(cè)繪，生產(chǎn)出小于或等于既定比例尺的地形圖，嚴(yán)重影響制約了地質(zhì)災(zāi)害情況調(diào)查的順利發(fā)展進(jìn)行。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行不同比例尺的航空攝影，工作量基本相同，可以根據(jù)大比例尺地形圖測(cè)量的要求進(jìn)行航空攝影。然后，根據(jù)需要，應(yīng)用立體影像，可迅速產(chǎn)生各類(lèi)不同規(guī)模的直線狀地形圖，以適應(yīng)地質(zhì)災(zāi)難的要求。

6 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方面的發(fā)展前景

在監(jiān)測(cè)、調(diào)查和研究分析中國(guó)地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害時(shí)，由于我國(guó)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)技術(shù)的靈活性和高精度，極大地發(fā)展了測(cè)量的效率和準(zhǔn)確度。在硬件上，無(wú)人機(jī)運(yùn)行總的來(lái)說(shuō)比較平穩(wěn)，抗逆性強(qiáng)，提高攝影頻率，為獲取影像的硬件支撐，尤其是在解析度和耐候性能上。有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。另外，對(duì)硬件進(jìn)行改善，可以改善圖象資料的準(zhǔn)確率，同時(shí)減少噪音。這樣可以節(jié)約大量的時(shí)間和費(fèi)用。此外，在軟件的研制過(guò)程中，應(yīng)重視對(duì)學(xué)員的抗干擾及資料資料的保密。

由于無(wú)人機(jī)的高度發(fā)展，傾斜成像技術(shù)已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用，而這種新技術(shù)只有在實(shí)際中才會(huì)出現(xiàn)。無(wú)人駕駛的傾角照相公司也正在為其自身的用途作規(guī)劃。隨著對(duì)海量信息的需求越來(lái)越多，以及技術(shù)的深入發(fā)展，今后的計(jì)量工作將越來(lái)越精確，越來(lái)越快捷。不過(guò)，如果對(duì)無(wú)人駕駛飛機(jī)的感測(cè)器進(jìn)行更新，并對(duì)其運(yùn)算法則進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，那么就沒(méi)有人能夠改進(jìn)其用途了。舉例來(lái)說(shuō)，利用無(wú)人駕駛的傾斜照相技術(shù)能夠迅速探測(cè)到山體崩塌的區(qū)域。為營(yíng)救工作提供迅速反應(yīng)。然而，因?yàn)橹袊?guó)在發(fā)展無(wú)人駕駛飛機(jī)方面仍存在一些缺陷，最主要的問(wèn)題在于電池的電量不夠。由于其體積小、體積小、攜帶方便等特點(diǎn)，因此其續(xù)航能力差。所以，必須發(fā)展新型的高效率的電池[4]。

7 結(jié)論

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是一項(xiàng)全新的技術(shù)手段，它可以為地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。目前，在開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)難監(jiān)測(cè)與監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，采用無(wú)人機(jī)傾斜成像技術(shù)進(jìn)行了初步探索。為更好地開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)難的調(diào)查，今后還需要繼續(xù)改進(jìn)和創(chuàng)新，拓展具體應(yīng)用領(lǐng)域，提高實(shí)踐運(yùn)用能力。確保其創(chuàng)新、方便和有效。