无人机遥感在高位崩塌地质灾害调查中的应用

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　　摘要：高位崩塌地质灾害的传统调查手段可能危及作业人员的人身安全，且存在强度大、成本高、效率低、数据不精确等缺点。无人机遥感技术当前在国内多领域正处于探索和发展阶段。基于無人机遥感技术，对贵州油杉河景区的仙宇屯高位崩塌单体进行了研究，通过图像拼接和几何校正，实现了精度0.487m的DOM和实景三维立体模型，并对航拍成果的精度进行了检验与分析。结果表明，该技术方法获取的影像数据在今后崩塌地质灾害调查中具有非常大的发展空间和研究意义。
　　关 键 词：高位崩塌; 地质灾害; 无人机遥感; 实景三维模型
　　中图法分类号： P642 文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.025
　　无人机（unmanned aerial vehicle，UAV）是一种有动力、可控制、能携带多种设备、执行多种任务并能重复使用的无人驾驶航空器[1-3]。无人机遥感（UAV remote sensing， UAVRS）是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通信技术、POS定位定姿技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，自动化、智能化、专业化地快速获取国土、资源、环境、事件等空间遥感信息，并进行实时处理、建模和分析的先进新兴航空遥感技术解决方案[4-5]。经过近一个世纪的快速发展，无人机遥感在我国大面积的工作平台上已有大量的成功案例，如地震灾害救援与灾情评估[6]、气象监测与预报、极地科考、智慧城市、精准农田管理等领域[7-8]的应用，卓越突出，效果显著。
　　我国西南地区地貌形态多样，地质构造复杂，地形切割剧烈，地质灾害发育，且时常伴有多云多雨多雾的天气，使得传统航空摄影测量不能获得理想的影像。而无人机遥感系统能弥补因云雾遮挡而无法获取高清晰、高质量数字影像的不足，是卫星遥感与载人飞机航空遥感的有力补充。无人机遥感以其具有快速获取高分辨率、高精度、高时效的遥感数据影像，机动性强，超低空飞行，结构简单和经济便捷的优势，成为遥感数据获取的重要工具之一。基于以上特点和优势，在地质灾害应急调查、防治和预测预警中发挥了不可估量的作用。2008年5月12日，四川省汶川县遭受地震毁灭性的破坏，交通、通讯全部阻断，臧克[9]等技术工作组应用微型无人机遥感对北川县城进行航拍，为抗震救灾提供了决策支持;2010年6月28日，贵州省关岭县岗乌镇因暴雨发生特大型滑坡碎屑流地质灾害，通过无人机航拍获得第一手高清晰影像用于了解灾情情况和指导应急救援[10];2017年8月8日，四川省北部阿坝州九寨沟县发生7.0级地震，成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室团队基于震前和震后高精度遥感影像，对灾区进行遥感解译分析，第一时间揭示了地震灾害的空间分布及其影像范围[11];同年8月28日，贵州省纳雍县张家湾镇普洒社区大树脚组发生山体崩塌地质灾害，通过无人机航拍灾前灾后影像的对比，为救援工作节省了大量时间。
　　虽然近几年无人机遥感技术在大平台、大领域的研究应用比较广泛，并获得了越来越多的研究开发和应用（见图1），但是作为一项新兴技术，利用无人机遥感对某单体地质灾害进行调查，提取各种信息加以研究应用的例子少之又少。因此，本文以油杉河景区为例，基于无人机遥感对仙宇屯高位崩塌地质灾害进行勘测，制作高精度的数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，DOM），结合三维立体模型，量测更精确的崩塌参数，为崩塌地质灾害的进一步研究与应用提供一种可行的技术方法和实践参考。
　　1 低空无人机遥感系统组成
　　无人机低空遥感系统主要由飞机系统、地面系统和后期数据处理三大部分组成。其中飞机系统包括无人机平台、遥感传感器系统（如相机、激光三维扫描仪、红外扫描仪等）、遥感控制系统和数据实时传输与解压缩系统;地面系统包括航迹规划系统、无人机地面控制系统以及数据接收解压缩与实时显示系统;后期数据处理包括图像拼接、几何校正、信息提取与分析等，提取信息的精度取决于无人机搭载的遥感设备的要求[12-13]。
　　2 低空无人机遥感监测的主要工作流程
　　无人机低空遥感监测的主要工作流程：起降场地选择→航迹规划→无人机遥感影像获取→影像预处理→可视化数字影像（正射影像DOM和数字高程影像DEM）→数据应用。
　　起降场地需根据地形、障碍物和无人机起降形式来选择。航迹规划应根据任务要求、控制区域范围、重叠度、分辨率等对待航拍区设计无人机飞行的路线，并载入无人机遥感控制系统，使无人机可以根据预定航迹进行遥感影像数据采集工作。无人机遥感影像获取是通过无人机平台和遥感传感器进行航空摄影，将采集的遥感影像通过无线传输通道传输到地面接收平台。影像预处理是指对无人机摄像由于镜头焦距的改变、像主点的偏移和镜头光学畸变等数码相机镜头产生非线性畸变进行纠正，以及针对成像时由于飞行器姿态变化引起的图像旋转和投影变形，进行影像配准，以获得空间地理信息[14]。数据应用即将所获取的遥感数据应用于崩塌精细地质信息的提取，用于指导和实践。
　　3 低空无人机遥感的应用
　　3.1 研究区概况
　　仙宇屯危岩体位于大方县境东北部的油杉河景区内（见图2），地形地貌复杂，地表结构破碎，山势险峻，属于典型喀斯特峰丛中槽切谷地形，地处低纬度高海拔区。景区海拔多在1 350～1 650 m之间，仙宇屯顶部海拔1 416 m，峡谷最低海拔1 130 m，相对高差286 m，地理坐标为N27°26′14.6″，E105°55′52.7″。景区内植被覆盖率好，占50%，在危岩体分布立面上，形成间距10～30 m的岩土植被分层。
　　1.乡村所在地;2.危岩体位置;3.水系;4.公路;5.县道;6.国道;7.高速路 图2 危岩体位置 Fig.2 Location of the dangerous rock mass 　　3.2 无人机航拍数据获取及预处理
　　随着无人机遥感普及，市面上出现了多种多样的轻小型无人机。根据国家遥感中心无人机遥感系统信息库统计分析，轻小型无人机基本以电池为驱动力，续航时间不超过1 h，体重日趋轻量化，绝大多数总重量在30 kg以下（包含遥感载体）。eBee无人机是目前比较认可的最轻、最容易操作、最安全的全自动小型航天器之一。eBee无人机是由瑞士传感器制造商senseFly生产的一款由Epp泡沫复合材料、碳纤维骨架制成的超轻无人机低空遥感系统，机体十分轻巧，机翼可拆卸，模块化规划，环形起飞和着陆，在整个飞行过程中全自动操作，地面平台可视。因此，在此次仙宇屯高位崩塌地质灾害勘查中，选用eBee无人机搭载专业数字相机低空航拍以获取精度较高的遥感影像数据。其中，无人机及其搭载的数字相机主要参数见表1～2。
　　航拍区域为山区，地形起伏大，植被茂盛，河谷深切，在距区域1.5 km处较平坦开阔的位置设定飞行参数、拍摄参数以及飞行航线后开始工作（见图3）。野外数据采集作业累计飞行4个架次，飞行里程83 km，获取航拍照片191张，有效覆盖面积1.35 km2。无人机飞行降落后，利用Pix4DMapper软件对所拍摄的图像进行全自动的处理，包括匀色与坐标畸变差改正、自由网平差、空三加密、密集点云数据等，输出高质量、空间参照式的正射影像图（DOM）和数字高程模型（见图4）。
　　通过获取的密集点云数据结合DEM数据，在ArcGIS三维建模工具平台上建立地表三维立体模型（见图5）。
　　3.3 精度评价
　　为了后期数据处理能够顺利进行，根据低空数字航空摄影规范[15-16]对飞行质量和摄影质量的要求，在航线规划时确定了无人机航摄重要参数（见表3）。实拍中，无航摄漏拍，航摄影像色彩均匀清晰，无云层遮挡，色调正常，反差适中，能满足勘查要求。
　　运行无人机航片处理软件获取正射影像图后，在ArcGIS三维建模工具平台上与Google earth校正影像进行叠加，叠加效果见图6。
　　从图6中可以看出，东北部、东南部和仙宇屯中部边界吻合较好，道路叠加效果一般，吻合度达90%，这是由于Google earth影像的时间为2015年3月31日，无人机影像获取日期为2016年12月31日，中间间隔时间较长，气候条件的不同，交通道路的快速规划，植被覆盖率的影响，使得两个影像的叠加存在一定的差异性，这充分体现了无人机遥感具有快速获取高分辨率、高精度影像的优势。
　　3.4 仙宇屯崩塌信息提取与分析
　　传统的高位崩塌地质灾害的勘查手段主要依靠人员进行实地调查、皮尺量测，存在工作量大、成本高、效率低、对作业人员的安全构成威胁等缺点，对于更加隐蔽的危岩体，且受地形地貌的限制，更是无法具体量测，只能根据经验判读危岩体的大小、方量，宏观评价危岩体的稳定性。而无人机所搭载的遥感系统因其体积小、重量轻、地面操作可视化，能避开传统方法所带来的种种弊端，因而可获取更精细化、准确化、信息化的影像数据。
　　（1） 定性分析。从图7俯视图可以看出，仙宇屯危岩体垂直矗立，三面环水，整体呈近南北向展布，四壁切割破碎，山势险峻，属于喀斯特峰丛中槽切谷地形地貌。由工程地质剖面图8可知，仙宇屯危岩体岩性为白云岩夹泥质白云岩，呈软硬互层状产出，软弱层较薄。通过野外实地调查复核（见图9），初步判定该危岩体在大气降雨、气温等风化营力作用下，软弱夹层变形模量越来越低，形成贯通的构造节理或风化卸荷裂隙，岩体结构面的变形模量也逐渐降低，逐层剥离，在坡面上形成以层面或夹层为底界的突出危岩体，最终发生倾倒-崩落的失稳模式[17-18]。
　　（2） 定量分析。无人机遥感影像生成的三维模型可直接在三维ArcGIS平台上立体量测所需的各种参数，为崩塌危岩体的稳定性评价提供更精确的数据。通过三维模型可直接量测南面危岩体和西北面危岩体的高程、底部宽、岩体厚度、岩体表面积和方量等崩塌参数，见表4。这些参数为定量化研究地質灾害提供了较详细的基础数据，对地质灾害监测、分析具有重要的指导意义。
　　4 结论与存在的问题
　　基于低空无人机遥感测量系统对油杉河景区内仙宇屯的高位崩塌地质灾害调查可知，无人机遥感能够解决传统高位崩塌地质灾害调查的各种弊端。基于ArcGIS平台构建的实景三维模型可准确描述所在区域的微地貌特征，可精确量测地质灾害体的基本属性信息，并在此数据基础上估算危岩体方量，为定量研究地质灾害提供准确、详实的基础数据和统计分析数据。
　　尽管无人机遥感技术已经被地质灾害行业所关注，但对于传统的以野外调查和室内实验为主要手段的勘查员来说，掌握无人机的飞行技术、数据收集与处理等面临着诸多挑战，无人机技术的培训将是普及无人机应用的重要手段。然而，由于国内无人机遥感正处于探索和发展阶段，先进的遥感设备成本昂贵，其操作和数据处理专业化能力要求较高，使得无人机遥感在地质灾害勘查中并不多见，对于山势险峻的区域更是少之又少。无人机遥感技术在地质灾害勘察方面的应用还存在技术门槛较高和法律法规、技术标准不完善等限制。
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　　引用本文：胡才源，章广成，李小玲.无人机遥感在高位崩塌地质灾害调查中的应用[J].人民长江，2019，50（1）：136-140.
　　Application of UAV remote sensing in high altitude collapsedgeological hazards investigation
　　HU Caiyuan  ZHANG Guangcheng2 ，LI Xiaoling1
　　（1.College of Environmental Monitoring of Guizhou Province， Guiyang 550004， China; 2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）
　　Abstract：The traditional investigation method of high-altitude collapse geological hazard has hidden danger to the operator with shortcomings such as high labor intensity， high cost， low efficiency， inaccuracy data. The UAV remote sensing technology is currently used in the exploration and development stage in many fields. Based on this technology， the high-altitude collapse monomer of Xianyutun in the Youshan River scenic area was introduced. Through image stitching and geometric correction， 3D real scene model and DOM of 0.487m precision were realized. The accuracy of aerial photography was tested and analyzed. It is showed that the image data obtained by this technology have great development space and research significance for the investigation of collapse geological hazards in the future.
　　Key words： high-altitude collapse; geological disaster; UAV remote sensing; 3D real scene model
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