微型多旋翼無人機在水電勘察中的應用

鐘 果,黃 翠,劉云鵬

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

微型多旋翼無人機在水電勘察中的應用

鐘 果,黃 翠,劉云鵬

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

近年來，無人機在測繪領域的應用使得攝影測繪技術取得了快速的發展，而針對野外地質調查和水電勘察，無人機的相關應用起步還較晚，本文在結合筆者實際工作經驗的基礎上，對微型多旋翼無人機目前在水電工程勘察方面的應用進行歸納闡述，在如何利用無人機進行地質調查以及無人機從設計研制初期，如何針對該類特殊用戶群體對機體進行改良定制等方面，提出一些思路。

多旋翼；微型無人機；地質勘察；水電勘察

0 前 言

由于微型多旋翼無人機具有快速機動、操作簡單、使用成本低、危險性小、能獲取高分辨率影像數據等優點，近年來在各民用領域得到了越來越廣泛的應用。目前在工程地質勘察領域也逐步開始使用無人機作為調查手段，但還是多用于地形測繪和遙感等輔助調查，對工程地質勘察的核心少有涉及。無人機究竟應如何用于工程勘察特別是水電勘察領域，本文在結合現今技術條件的前提下提出了一些思路。

1 無人機類型及水電勘察環境簡介

無人機，簡稱UAV(Unmanned Aerial Vehicle)，指不載有操作人員、利用空氣動力起飛、可以自主飛行或遙控駕駛、可以一次使用也可以回收使用的、攜有致命或非致命有效負載的飛行器。目前國內外無人機相關技術飛速發展，無人機系統種類繁多、用途廣、特點鮮明，致使其在尺寸、質量、航程、航時、飛行高度、飛行速度、任務等多方面都有較大差異。由于無人機的多樣性，出于不同的考量會有不同的分類方法(見表1)。

本文中所述無人機，綜合上述分類方法，可歸納為微型多旋翼民用無人機(以下簡稱“無人機”)，其任務范圍多為超近程、低空領域。無人機一般由飛機平臺系統、有效載荷系統(信息采集系統)和地面控制系統三大部分組成。飛機平臺系統和有效載荷系統組成了整個飛行器，根據負載能力和實現任務的不同，一個平臺可以搭載相應一套或多套有效載荷系統，實現復雜功能。

水電工程多位于高山峽谷地區，崩塌、滑坡、泥石流等地質災害頻發。受山區經濟發展限制，通常山高路險、交通不便，同時植被發育、通視條件差。許多重要地質現象依靠人力往往無法抵近進行實地觀察和調查，即便能夠開展調查的區域也通常難度巨大或存在安全隱患，地質勘察工作存在諸多困難和制約因素。特別是雅魯藏布江下游河段、金沙江中上游河段、雅礱江中上游河段等未來水電開發的熱門地區相應問題更加突出。同時，隨著近幾年相關大型水電工程逐漸建成發電，不斷涌現出大量高壩大庫，運營期庫岸地質災害調查工作也應運而生。但水庫長度動輒數十公里，涉及面積廣，利用傳統地質調查手段，往往需要投入大量人力資源，費時費力。因此，如何快速進行庫岸調查也是一項亟需解決的現實問題。

表1 無人機的分類

目前國內無人機市場在影視航拍、農業植保、電力巡檢、警用安防等領域發展最為迅速，工程領域僅測繪技術應用方面較為廣泛，專門用于工程地質勘察類的應用有限。究其原因，一是工程地質勘察工作所需資料涉及面廣且內容深入，僅依靠無人機搭載的任務設備高空獲取的資料有限，不能進行有效的分析工作；二是工程地質勘察一般設計范圍大、地形地貌及地質條件復雜，無人機對其適應性有限；三是無人機自身性能及設備硬件等因素限制。但無人機同時具有快速機動、操作簡單、使用成本低、危險性小、能獲取高分辨率影像數據等優點，對于高山峽谷、植被發育地區及高寒地區等人力難以工作的地區適應性強，利用無人機加載的任務設備也可以獲取地質專業所需的部分資料。因此，研究如何有效利用無人機的上述優點，結合水電地質勘察的任務特點，取長補短，使其能在常規人工作業難度大的高山峽谷地區部分代替人工進行野外作業，有效地獲取地質資料是具有實用意義的。

2 無人機在水電勘察中的應用

目前在水電勘察工作中，對無人機參與的工作項定位多為輔助調查，有的甚至未明確出現在任務工作項里，即認為無人機在水電勘察中僅為獲取相關資料的一種新手段，而非一種新工藝或新技術，因此并未對其進行嚴格限制和約束，而無人機進行工程勘察本身也可滿足現有勘察規范，只是作為一種飛行器，需另行滿足民航相關法律法規。目前用于地質勘察的無人機搭載設備多鏡頭或相機等影像拍攝類工具，多任務云臺不僅對無人機硬件提出了很高的要求，使用及維護成本也較高，在現階段仍未推廣，因此主要就搭載拍攝類設備的應用進行闡述。

2.1 危險源調查

水電建設中，如從建筑物垂直高度劃分，一般認為有地下建筑物、臨河高度的地面建筑物(包括臨時建筑)、蓄水高度的永久建筑物和蓄水位以上的建筑物。而相應的調查區域也可進行類似的劃分，顯然地下建筑區域不能通過無人機實現工程勘察工作，而從臨河高度開始至蓄水位以上高度的區域，均可作為無人機調查的工作范圍。實際工作中，低高程區域包括臨河高度至蓄水高度之間的區域，相對來說交通條件及相關設施如水、電供給都更為完善，調查也更為便利，因此一般也可靠傳統人工調查方式進行野外作業。這里重點關注的是高高程區域即蓄水位以上的區域，水電設計中除設計需要的水工建筑以外，人工邊坡、環境邊坡及需整治的泥石流溝、崩塌體及危巖體、滑坡及蠕滑變形體等，都屬于關注的對象。在遭遇特殊地形地貌條件時，傳統勘察手段往往在高高程區域難以開展，如遇懸崖陡壁、倒坡、植被茂密或冰雪覆蓋時，又或上方有落石、塌方或雪崩等危險源存在時，均無法進行勘探工作。此外即便無上述地形或地質條件，由于高高程區域建筑物少、重要性相對偏低，如一些環境邊坡，雖需治理但由于設置便道等相關投入過高，對對象認識及資料少導致方案的不確定性，都使相關勘察工作不能正常開展，也為以后埋下了一定的隱患。

該類勘察工作可歸納為危險源調查，高程高、范圍較集中、精度要求高是其特點，而微型多旋翼無人機恰能取長避短發揮自身優勢，對傳統勘察進行有效的補充。首先微型多旋翼續航時間有限，目前市面常見的此類機型中，續航時間一般為15～25 min，而在高山峽谷地帶，受氣壓、溫度影響，續航能力會有不同程度的下降，加上預留的安全返回時間，實際作業時間就只有10 min左右，但對范圍集中的對象可在一個架次內進行有效觀測。其次旋翼無人機相對固定翼而言，可進行懸停操作，因此在操作精度上較高，可用環拍方式對單一對象進行多角度、全方位觀測。

利用無人機進行危險源調查時，應提前對現場地形地貌進行了解，并對現場起飛條件進行判斷，如是否為敏感區域、GPS衛星信號狀態、場地起降條件、地面電磁干擾情況、氣象條件等。地形地貌是規劃航線的基礎，在高山峽谷區需注意的兩個飛行參數分別是相對高差和水平距離，這也是一個機型的基本性能參數之一。峽谷區相對高差一般較大，如需觀測點與起降點超過了設備機型的上限，一般解決方式是上升至機型升限，對搭載可上仰的航拍設備進行上仰操作以進行觀測，也可操作無人機后退直到觀測點落入航拍設備范圍內，但該操作會大大降低觀測精度。另一個解決辦法是提高起降點高度，即在可滿足起飛要求的最高點進行起降。水平距離在續航時間足夠的前提下一般僅影響設備圖傳及操作信號，但在峽谷地區如遭遇起降點河谷狹窄、高高程目標區域河谷寬闊的情況，則易出現遮擋或超視距飛行，極大影響飛行安全，此時如采用原有設備作業難度較大。目前市面已出現搭載可變焦的航拍設備的機型，使用該類機型仍可保持機體在河谷上方作業而非抵進操作，對續航時間及安全飛行都大為有利。

2.2 地質邊界識別

地表地質邊界的確定和劃分是水電地質勘察中的一項基礎工作，其成果對設計、施工和工程布置都有著重要影響。在一些特殊地形或地貌條件下，傳統野外作業手段受到嚴重限制，如:峽谷地區坡降及落差大的泥石流溝，不僅無法攀爬至后緣的形成區，在流通區進行調查時也冒著落石、崩塌的危險；又如:平面面積較大、地表荊棘覆蓋的區域，作業人員難以在地表進行穿越或多僅進行單線穿越，調查覆蓋面及精度難以得到保障。該類工作可歸納為地質邊界調查，范圍較大、精度要求相對較低是其特點。此時若根據調查對象的特點，利用無人機可實時進行傳輸、高危地區探測、成本低、高分辨率、機動靈活的優點進行輔助調查，不僅可對人工無法觀測的高陡區域進行大范圍掃描式影像記錄，對難以穿越的平坦地貌區也可進行類似操作。

無人機航拍進行地質邊界識別主要利用了不同巖性或不同成因的覆蓋層間具有不同光譜的特性，進行人工選擇性識別。識別對象如為高差大的地質體，則可按高處航拍與低處現場調查相結合的方式，驗證航拍區的邊界成果，使成果更加真實可靠；而如觀測對象高差不大，并具備現場實地調查的條件，則可航拍取得整個觀測區的影像資料，根據具體地質條件進行觀測區布點，并在觀測點進行詳細的現場調查，輔以航拍資料進行地質體邊界識別工作。以上工作一般需利用無人機影像資料配合軟件后期制作DOM正射影像圖，并在拍攝時布置相控點，利用已有的該區域測繪地形圖或DEM、DOM等數據進行坐標配準，以保證最終成果可用于實際工程。完成正射影像一般需保證60%的航向重疊率、30%的旁向重疊率，而如需保證重疊率一般是采用地面站對無人機進行規劃控制，這里主要包括航線規劃及拍攝任務規劃。

需要說明的是，由于生成的正射影像主要是應用于地質邊界識別，分米級甚至米級在目前已完全能達到精度要求，而無需如測繪類應用一般進行精細的精度校正；其次，高分辨率圖像數據量相當大，而且隨著地面分辨率提高，需要傳輸的圖像數據量呈幾何級數增長，數據碼數率也迅速增長，目前圖像的高速傳輸已經成為制約無人機應用的重要問題之一，因此在能順利完成地質邊界識別的前提下，盡量選用合理的分辨率，不僅能減輕后期數據處理量，在飛行中也可最大限度地優化航線和拍片數量。

2.3 其他應用

除了危險源調查及地質邊界識別外，目前在水電勘察中還在探索一些新的無人機應用方向，如:邊坡、滑坡等地表變形及位移監測。由于目前無人機可獲取厘米級甚至更高精度的影像，因此使得對一些傳統方式難以監測、規模較大的地質體作變形監測工作有了可能。該技術主要還是建立在前期傳統調查后對變形體有一定認識的基礎上，采取多架次多時段對監測對象進行航拍掃描，生成三維地表模型并對比不同時刻模型的變化情況加以分析，可真實展現裂縫長度、寬度及發展情況等。該項技術同樣可應用于危險源調查、地質體產狀輔助測量：對于傳統方式難以獲取的一些宏觀地質體產狀，利用數字攝影測量、空三加密法等手段生成數字高程模型(DEM)，提取產狀相關的點的坐標和高程要素，通過計算得到地質體產狀，并可根據長大節理面、構造面以及地表裂縫等對象不同的產狀信息進行空間走向及展布情況預測。該技術是危險源調查和地質體邊界調查的有力補充，因為無邊界的地質體資料和無產狀的地質界面資料都是不完整的，只有不斷豐富和完善調查對象的地質信息，才能對其進行分析判斷，最終為工程所用。

3 總 結

以上均為現階段水電勘察或地質勘察工作中無人機的一些應用，雖大多仍在起步階段，認識或理解仍有不足，但從中可以得出以下幾點認識：

(1)由于地質勘察工作自身的復雜性，無人機現階段乃至今后一段時期內暫不能完全替代人工進行工程勘察工作，但可作為一種先進的輔助手段對傳統勘察工作進行有力地補充。

(2)目前使用無人機進行地質勘察，更多的仍是搭載拍攝設備，生成數碼航空類影像數據，并在后期經過人工或軟件自動化處理，輸出包括數字表面模型(DSM)、數字高程模型(DEM)、正射影像(DOM)及真正射影像(TDOM)、三維影像圖、三維地表模型等二維、三維可視化數據，所用應用都是基于以上產品或其中間成果的。

(3)目前地質勘察類應用仍是以測繪成果為基礎并基于其上的，后期專門用于處理地質信息如自動生成地質對象產狀、完成對地質體邊界的識別等方面的軟件十分有限，這樣大大增加了后期數據處理的工作量，可專門針對這類應用進行軟件開發。

(4)目前利用無人機對地質勘察中的對象僅停留在觀測層面，如何能利用無人機進行對觀測對象的取樣或主動進行捕獲，這是獲取更詳細的地質資料必須邁出的重要一步，望能在今后的無人機設計研制中加以考慮。

[1] 孫毅.無人機駕駛員航空知識手冊[M].北京:中央民航出版社,2014.

[2] 李定松.無人機技術在地質災害監測中的應用[J].北京測繪,2015(4).

2017-01-16

鐘果(1983-)，男，四川成都人，高級工程師，從事工程地質相關工作。

P231

B

1003-9805(2017)02-0053-04