無人機技術在地質災害危險性評價課程的應用與推廣

彭三曦 單慧媚 熊彬

摘要：在科學技術高速發展的背景下，代表科技前沿的高校，引入高效、高精度的無人機技術進行地質災害危險性評價成為高校本科教學的重要部分。對于地質災害危險性評價專業課程，應用無人機技術進行災害體的三維建模、信息提取及災害評價成為本科教育人才模式的改革創新的重點，更是提高學生工程實踐能力、工程設計能力和工程創新能力的重要手段。本文結合桂林理工大學地質災害評價專業新技術、新方法的課程建設與推廣實例，總結分析無人機技術在科學研究和實踐應用方面的優勢，突顯無人機技術在本科教學中人才培養的重要性，為地質災害評價專業教學與實踐教育提供理論基礎。

關鍵詞：無人機技術；地質災害評價；三維建模；信息提取

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）14-0094-03

一、引言

桂林理工大學是一所以中央與地方共建、廣西壯族自治區管理為主的綜合性高校，源于1956年原國家重工業部在廣西組建的桂林地質學校，地質學科突出。1978年更名為桂林冶金地質學院，1993年更名為桂林工學院，2009年正式更名為桂林理工大學。地質災害評價課程是以自然科學和地球科學為理論基礎，以地質調查、工程問題、數學地質方法和災害體穩定性評價為主要手段。該課程適應國民經濟建設和社會發展的需要，培養側重于地質災害的穩定性分析與評價，突出空中、地面、地下、陸地背景下，各種方法技術相互配合，交叉滲透，已形成科學合理、立體交叉的現代化綜合技術和方法。

經過長期的課程建設和發展，桂林理工大學地質災害評價課程已經形成一套成熟的教學課程，使學生具備地質調查、現場測繪、數據統計與計算、災害體評價、災害治理與設計等技術能力。實現了理論知識和工作實踐的有效結合，為用人單位所喜愛。然而，隨著科技的快速發展，地質災害評價中運用傳統的地質羅盤、皮尺等工具進行的地質災害調查已經不能滿足地質災害評價所要求的高效率和高精度的需求。單純地采用傳統學科的講授和野外實踐教學，已經不能滿足社會對地質災害評價專業人才能力的需求。無論是生產單位、科研機構或者是高等學校，迫切需要大量掌握快速進行地質災害評價的人才，能夠熟練進行現場三維建模、三維信息提取以及二次開發的人才。如何高效、高精度地進行地質災害的危險性評價，特別是高陡、危險區域的評價，一直是地質工作者面臨的一大難題，而無人機技術的航空攝影、三維建模及三維信息提取能有效地解決這個問題[1-3]。

綜上，本文以桂林理工大學地質災害評價課程為例，結合其在無人機技術應用課程建設與推廣過程，總結分析了無人機技術在地質災害評價的應用實踐的課程建設與內容，對比分析地質災害中無人機技術與傳統方法的優勢，為地質災害評價課程的本科教學與實踐教育提供理論基礎。

二、地質災害評價課程建設

作為桂林理工大學地質工程專業的老牌優勢學科，地質災害危險性評價延續水文地質工程地質專業教學模式，重點針對廣西等西南巖溶地區的巖溶塌陷、高陡邊坡的危巖防治、滑坡防治進行學科建設與學生培養；作為廣西地區唯一的精品課程，培養出來的學生能夠獨立擔負工程技術或工程管理的能力，畢業生普遍得到用人單位的好評。經過不斷地完善教學機制和增強師資力量，我校地質災害危險性評價課程得到長足進步。近幾年來，隨著消費級無人機及相關三維建模軟件的普及與推廣，無人機技術在地質災害危險性評價的科研和工程應用教學中受到重視并得以發展。目前，該課程的教學重點主要有三方面：高陡邊坡危巖的穩定性分析與評價、滑坡的勘察與防治以及巖溶塌陷的評價與防治。同時，要求學生掌握三維建模的軟件使用和運用計算機技術解決地質災害危險性評價的有關問題。

（一）高陡邊坡危巖穩定性分析與評價

高陡邊坡危巖的調查與穩定性分析是地質災害危險性調查的重要內容，包括理論學習和野外實際應用。該部分內容要求學生熟練掌握危巖體的現場勘察、結構面的測量、數據的統計與歸納、赤平投影圖的繪制以及危巖的穩定性分析與防治。現場勘察包括熟練運用地質羅盤進行結構面的傾向、傾角測量，數據的記錄與統計；赤平投影圖的繪制包括赤平投影的基本原理、數據的統計、計算機技術（如：CAD、南方cass和理正軟件）的應用；危巖的穩定性分析包括掌握危巖發生的基本原理、危巖在不同工況情況下的穩定性的預測以及危巖崩落時的運動軌跡；危巖體的防治包括根據現場實際條件進行相關的設計處理。

（二）滑坡的勘察與防治

在掌握滑坡的特征、誘發因素及治理措施理論知識基礎上，通過野外現場教學，讓學生具備運用理論知識轉化為工程實踐的能力。野外現場教學主要包括：觀察滑坡的基本特征、測量與記錄滑坡的規模、分析滑坡的誘發因素、設計滑坡的治理措施、對比分析滑坡治理費用及提出治理設計方案。學生在滑坡勘察與防治的設計報告中，需要運用CAD、南方cass軟件及理正軟件進行現場等高線的制作、滑坡體土方量的計算以及如削方減載等相應治理措施的設計與費用估算。每一步驟都要求學生掌握充分的理論知識，確保學生能夠進行獨立承擔指導項目開展工作的技術能力。

（三）巖溶塌陷的評價與防治

在掌握巖溶塌陷發生的地質背景、誘發因素及治理措施理論知識基礎上，通過野外現場教學，讓學生具備運用理論知識轉化為工程實踐的能力。野外現場教學主要包括：巖溶塌陷發生的規模、各塌陷間的內在聯系、巖溶塌陷區域覆蓋層厚度、治理措施與建議，分析塌陷區域覆蓋層厚度，地下水位、水位季節性波動幅度、巖溶易發區劃分與評價、巖溶塌陷治理等相關知識。學生在巖溶易發性評價與治理的過程中，需要運用CAD、BP神經網絡及Arcgis等軟件進行作圖、評估與設計。巖溶塌陷評估與治理設計的每一步驟都要求學生掌握充分的理論知識，確保學生能夠進行獨立承擔指導項目開展工作的技術能力。

三、無人機技術的應用推廣

消費級無人機的民用普及化給地質災害危險性評價帶來了一次全新革命。無人機自帶定位系統，操作簡單，價格低廉，數據處理簡便，數據可靠，一臺智能手機即可實時操作，成為當前獲取目標體空間數據的一種重要方式。無人機具有輕巧、成本低、分辨率高、續航時間長、高危地區探測、影像實時傳輸及機動靈活等優點而深受學者的喜愛，在防災減災、地理測繪、農業林業、水利水電、公路交通等方面發揮著重要作用，是人機航空遙感和衛星遙感的有力補充[4-6]。因此，利用小型無人機獲取地質體空間幾個信息具有獨到的優勢。

利用消費級無人機進行地質災害危險性評價課程的改革和建設。課程主要步驟為：首先利用無人機進行傾斜航拍，通過無人機相片處理軟件Agisoft photoscan/contxt computer /Pix4D mappter建立災害體的三維模型和解譯三維坐標，并評定解譯的幾何信息精度。在此基礎上，通過GIS、CAD坐標提取插件等輔助軟件大量提取邊坡體各結構面的幾何信息，以實際應用于災害體的評價。

（一）無人機技術獲取災害體地質信息

1.消費級無人機的傾斜航拍技術。傳統的測繪航拍為正射影像，而高陡邊坡體結構面/滑坡體結構面/巖溶塌坑面的獲取要求無人機從目標體的側面進行拍攝，并配合一定的傾斜度調整，即無人機的傾斜航拍，有別于傳統意義上的正射影像。另外，研究無人機航拍的飛行路線，相機檢校和畸變校正等拍攝技術，實現高效飛行[7]。

2.三維實景模型的建立和三維坐標的轉化。無人機自帶GPS定位系統，利用Agisoft photoscan/contxt computer/Pix4D mappter無人機相片處理軟件，建立目標體的三維實景模型，進而提取和轉化目標體的三維坐標，用于工程實際。

3.完成結構面產狀計算程序的編寫，實現從實景模型提取結構面幾何信息。基于不共線的三點確定一個平面的原理，運用編程軟件Visual Basic編寫了結構面傾向、傾角計算程序，結合CAD坐標提取插件，進行實景模型點云的三維坐標提取，進而實現實景模型結構面的幾何參數提取。

4.評定目標體結構面幾何參數的精度，從而進行工程實際應用。通過基礎測量理論分析和典型實物試拍，進行拍攝技術和測量精度的測試和驗證。在此基礎上，實現野外目標體的結構面幾何參數的提取，為后續的地質災害評價與相應處理提供精確數據。

（二）硬件設施

無人機技術在地質災害危險性評價課程的技術推廣需要具備基礎的硬件設備，包括消費級無人機和高性能的計算機[7]。我校近年來對這方面的建設日益重視，分別投入經費和場地進行課程的發展與建設。目前已經購買3臺專業級無人機，正在招標購買6臺精靈4pro小型無人機，此外，配備3臺128G內存的工作站和工作站機房，工作站用于進行相片處理軟件Agisoft photoscan/contxt computer/Pix4D mappter/Arcgis等的運行。

（三）版權購買

為快速處理和獲取地質災害體的三維數據信息，需要運用Agisoft photoscan/contxt computer/Pix4D mappter/Arcgis等軟件進行災害體的三維模型建立、三維模型的信息提出以及災害體的危險性評價與防治措施設計。因此，我校投入巨大的課程建設費用用于購買正版軟件的使用權。

四、問題與分析

近兩年來，桂林理工大學地質災害危險性評價課程在無人機技術應用與推廣的課程建設方面取得了較好的發展，但是存在的問題也比較突出。地質災害危險性評價的課程建設與推廣迫切需要加強師資隊伍建設。高校教師是主要授課者，師資隊伍的專業水平代表一個專業的教學水平，也是課程建設的主要內容，因此，師資隊伍建設是課程建設和持續發展的有力保證。目前，我校地質災害危險性評價的師資力量主要集中在以傳統的評價方法進行災害體的評價，而在無人機的航線規劃、三維實景模型的建立與信息提取、軟件的二次開發與利用方面缺少人才。課程建設與推廣碰到的問題主要體現在老教授對新興的無人機技術具有排斥心理，同時，不能迅速掌握相關的飛行技術和計算機軟件處理能力，而動手能力強、計算機較強的教師，缺乏專業積累和工程實踐。這個問題的主要原因是消費級無人機的普及與推廣最近幾年才興起，應用到工程實踐較少，三維實景建模的軟件更新速度快，具有計算機背景的對口教師較少。

目前，加強地質災害危險性評價課程的師資隊伍建設可通過以下兩個方面進行，一是對現有青年教師進行各種無人機飛行操作和三維實景建模的培訓，讓他們熟練掌握無人機技術在地質災害危險性評價中的實際應用，同時鼓勵以老帶新，在請教本課程老教授專業積累的過程，展現無人機技術的高效性與實用性，消除老教授對無人機技術的排斥心理；二是積極引進相關領域的專家，保持接觸最前沿的科學研究和保證無人機技術在災害評價的工程實際應用，為此，桂林理工大學也出臺了一系列引進專業的高薪待遇。

五、展望

地質災害危險性評價是我們不可回避的現實問題，嚴重地影響國家的經濟建設和生產安全。在計算機技術高速發展和無人機普及的背景下，無人機技術在地質災害危險性評價領域帶來了全新的變革。它能高效、精準地獲取災害體的三維地質信息，特別是在高陡邊坡區域的災害體。因此，熟練掌握無人機技術對于地質災害評價課程，乃至地質類課程的課程建設、人才培養與可持續發展都至關重要。信息化技術的高速增長，對地質災害危險性評價課程提出了新的要求，針對性地進行相關領域的研究都有益于應用型人才和研究型人才的能力提高，也成為該課程所面臨的主要問題和未來發展所需。此外，對于具備本專業基礎的本科生甚至研究生，都日益認識到新科技、新技術帶來的課程建設與技術變革，越發迫切的期望能掌握相關領域的技術能力。

參考文獻：

[1]趙淑玲，王澤，王曉娜.無人機遙感技術在地質災害監測中的應用分析[J].中小企業管理與科技（上旬刊），2018，（05）：167-168.

[2]何敬，唐川，王帥永，等.無人機影像在地質災害調查中的應用[J].測繪工程，2017，（05）：40-45.

[3]黃海峰，林海玉，呂奕銘，等.基于小型無人機遙感的單體地質災害應急調查方法與實踐[J].工程地質學報，2017，（02）：447-454.

[4]劉海洋，王學良，李麗慧.等.無人機航空攝影測量技術在崩塌災害調查中的應用[Z].2017年山區第四紀環境與城鎮建設學術研討會，中國浙江衢州，2017：6.

[5]彭大雷，許強，董秀軍，等.無人機低空攝影測量在黃土滑坡調查評估中的應用[J].地球科學進展，2017，（03）：319-330.

[6]吳楠，韓東.無人機攝影測量在庫區地質災害安全檢查中的應用.四川地質學報，2016，（02）：316-319.

[7]蔣學金，地質災害復雜環境下無人機影像快速處理技術分析[J].電腦知識與技術，2016，（21）：167-168.