無人機技術在城市地質調查中的應用

王曉東

摘要：城市地質調查工作已被越來越多的國家所重視，其調查技術方法和工作手段也趨于多元化。隨著科學技術的不斷進步，無人機技術被廣泛的應用于各行各業，自20世紀20年代以來，無人機技術便開始了快速的發展，中國無人機市場已發展了將近30余年，從最初的軍用領域逐漸擴展到民用領域，因其方便性能和高實用性也必將成為城市地質調查工作中一項重要的技術手段。無人機技術具有高分辨率影像成像、快速機動的響應能力、航攝效率高、使用成本低等特點，在城市規劃建設、災害防治、環境保護等方面發揮著積極的作用。

關鍵詞：城市地質調查;無人機;災害防治;環境保護

中圖分類號：P5;P231 文獻標識碼：A 文章編號：1007-1903（2019）01-0103-06

0前言

城市地質學是作為地球科學的一個分支，將地球科學領域的理論體系、技術方法及成果應用于城市規劃建設與管理中，以促進城市規劃建設的科學性和城市的可持續發展，是通過在城市領域應用的實踐檢驗來推動地球科學發展的一門基礎性、前瞻性、綜合性和應用性都很強的科學（何中發，2010）。為了獲取城市規劃、建設和管理所需要的地質資料，規避城市地質安全風險，合理利用城市地質資源，為實現城市和諧關系提供基礎依據，需采用多手段多方法進行調查研究。無人機技術的出現和發展為城市地質調查工作提供了新的技術手段，其高精度成像和快速時效的工作特點，在城市規劃建設、資源開發、地災防治、環境監測等工作中均具有優秀的表現。

1城市地質調查發展概況

1.1國外城市地質發展概況

城市地質工作在20世紀初首次由加拿大皇家協會提出，于20世紀八九十年代開始重視并發展（李友枝等，2003）。20世紀初期，加拿大皇家協會會議上發表了專題，就地質對城市中心建設的意義進行了探討（Belanger，et al，2000）。20年代后期，德國出版了特殊土壤圖以支持各重要城市的建設規劃。二戰結束后，德國、捷克、荷蘭等國家系統的制定并實施了城市地質填圖計劃，對城市范圍內的土壤和巖石屬性等各項地質內容進行了填圖（張麗君，2001）。60年代后期，受到工業化發展的影響，工業污染成為了西方發達國家的主要城市工作內容（張麗君，2001）。德國首次編制了描述土壤潛力的地質潛力圖，并詳細的描述了編圖方法和編圖內容。70年代初期，為了在圖上展現城市地區地質數據，并進行數據化管理，西班牙展開了1：2.5萬的地質填圖工作，以用于城市規劃建設。1970年，加拿大正式啟動了一項計劃，旨在開發出一種對地球科學信息進行編輯處理的計算機系統，實現城市中心的快速發展（Belanger，et al，2000）。80年代，發展中國家的城市地質工作得到空前發展。此時城市地質工作具有了以電子自動化技術進行主題填圖的特點（張麗君，2001），通過圖件的各項定量化指標，可使規劃者、決策者和工程師及時提取有關信息并進行合理的城市規劃工作。90年代末，英國啟動了“倫敦計算機化地下與地表”項目（LOCUS）（張麗君，2001）和“陸地利用規劃中的環境地質”項目（Thompson，et al，1998），LOCUS項目以包含4萬多份鉆孔資料的數據庫為基礎，運用了GIS與模型技術。加拿大啟動了第二階段城市地質調查計劃（Thompson，et al，1998）。這標志著全球城市地質工作以GIS技術的應用和可持續發展的概念變為主流。到2000年，英國啟動“城市地球科學研究”項目，以為城市發展提供地質信息為目的，通過地表礦床特征、三維巖體特征和信息系統研發3類主題進行研究（郭培國等，2014）。2008年8月在挪威首都召開的第33屆國際地質大會討論了很多關于城市地質的問題，最具代表性的是挪威在首都奧斯陸開展的調查項目，該項目以氡災害、地面沉降、城市土壤污染、地熱、砂礦資源、地下水、礦產地質、基地穩定性與檢測、地質教育等10個方面進行了研究（郭培國等，2014）。2013年意大利羅馬地區運用電阻率層析成像技術成功的探查了未知的地下空間或隧道（Fasani et al，2013）。

1.2國內城市地質發展概況

城市地質工作是城市規劃建設的重要基礎，貫穿于城市選址布局、規劃建設、運行管理、轉型升級的全過程。中國城市地質工作與其他西方發達國家相比具有起步晚、技術方法落后、標準體系不完善、工作機制不順暢等諸多不足之處。

李烈榮等總結出中國城市地質發展經歷了5個歷史階段（李烈榮，2012），第一階段是20世紀80年代在全國范圍內130多個城市開展的1：5萬區域調查;第二階段是20世紀90年代初開展的城市水文地質、工程地質、環境地質綜合調查;第三階段是20世紀90年代后期零星開展的地下水、地質災害調查（薛禹群等，2008;張茂盛等，2013）;第四階段是2004--2009年開展的城市地質調查試點工作;第五階段是2009年以來開展和完成的全國主要城市群和經濟區的地質調查工作（張茂盛等，2014）。

近10年來中國城市地質工作卓有成效，在工作發展理念方面取得了很大的創新，創立了一系列的理論體系和評價體系，針對城市發展時突出的地質問題做了系統的地質條件適宜性評價和重要戰略資源勘查評價工作;2016年中國初步建立了地質環境保障工程、戰略性地質資源保障工程和首都地質資源環境承載能力監測預警平臺（衛萬順等，2018）。2017年11月在北京召開了全國城市地質工作會;2018年9月在上海召開了城市地質災害普查與監測技術應用研討會。為支撐服務國家區域協調發展戰略和城鎮化建設，近期城市地質工作分析了中國19個城市群的資源環境承載能力、337個主要城市的優勢地質資源和重大地質問題，形成了中國城市地質資源環境狀況的總體認識，提出了優化城市群發展規模和布局、發揮城市地質資源優勢、保障城市地質安全的對策建議，強調了城市地質工作的重要性。

針對中國城市地質的發展現狀，中國地質調查局2017年提出了符合中國國情和實際的《城市地質調查總體方案（2017-2025年）》。該方案提出到2020年完成100個地級以上城市的基礎性綜合地質填圖，到2025年完成338個地級以上城市1：5萬基礎性綜合地質填圖，實現全國地級以上城市地質工作的全覆蓋，建立系統完備的城市地質工作支撐體系，全面提升地質工作服務保障城市規劃、建設、運行管理全過程的能力和水平。目前，中國已完成了306個地級以上城市環境資源摸底調查和34個城市三維地質調查工作。通過調查，提出了與地方政府合作，推廣試點工作經驗、以城市群為單位，推進綜合地質調查、瞄準國家重大需求，強化精準服務的城市地質調查工作三部曲。

1.3城市地質工作基本內容

隨著城鎮化的飛速發展，城市人口不斷擴大。城市人類工程活動、經濟活動等已經成為了強大的地質應力，與常規地質活動同時影響著地質環境。由此原有的地質平衡便被打破了，從而使得城市地質問題日趨嚴重，資源開發、土地利用、環境保護和災害防治等城市地質工作迫在眉睫。城市地質工作的任務就是在城市范圍內為城市規劃建設、管理治理服務提供地質信息和地質工作。隨著城鎮化的飛速發展，城市人口不斷擴大。城市人類工程活動、經濟活動等已經成為了強大的地質應力，與常規地質活動同時影響著地質環境。由此原有的地質平衡便被打破了，從而使得城市地質問題日趨嚴重，資源開發、土地利用、環境保護和災害防治等城市地質工作迫在眉睫。城市地質工作的任務就是在城市范圍內為城市規劃建設、管理治理服務提供地質信息和地質工作。城市地質調查分為城市地質條件調查、問題調查、資源調查、城市規劃、地質評價、城市地質信息平臺建設、質量控制和成果編制與驗收等方面。李友枝等（2003）總結出城市地質工作的研究內容主要為基礎地質調查、水文地質調查、地質災害調查、資源開發和利用、環境污染評價和防治等。隨著城市地質工作在近幾年的空前發展，其在工作領域、內容和服務對象上都產生了深刻的變化：城市地質工作服務于城市發展的全過程，是城市可持續發展的基礎性工作和前瞻性工作。其工作內容是系統研究地質資源環境要素、為城市發展提供地質資源、環境保證與約束程度并，判斷城市發展對地質資源環境的影響程度，提高城市發展中地質安全的程度（鄭佳森等，2018）。

2無人機技術的特點與應用

2.1研究現狀

世界上第一架無人機誕生于1917年，當時主要運用軍事戰場偵察方面。美國作為航空工業基礎和技術實力最為雄厚的國家其無人機的研究與發展處于世界領先。美國于1939年開始研制無人機，20世紀50年代以后，美國相繼研發出了“火蜂”“先鋒”“獵人”“捕食者”“全球鷹”等戰略偵察無人機;2013年美國DARPA（美國國防部高級研究計劃局）公布了“九頭蛇項目”，目的是建立水下戰斗網絡，這一平臺可搭載水下及空中無人機。當今美國無人機已經有了較為完備的發展狀態（程誠等，2016）。

中國研制無人機始于20世紀60年代初期，60年代中期初步研制開發出了“長空一號”系列;到80年代，中國正式研發出“長虹一1”并應用于軍事方面;1994年12月中國研發出“ASN-206”多用途無人駕駛飛機;2003年中國研發的“WZ-2000”低速可自主起降無人機實現了首飛，邁出了中國一航發展無人機產品可喜的一步;2015年軍用無人機CH-5首飛，其續航能力長達20小時。中國軍用無人機主要有兩大系列，一個是成都飛機設計研究所的翼龍系列（翼龍I、翼龍ID、翼龍Ⅱ），另一個是中國航空設計研究院的彩虹系列（彩虹3、彩虹4、彩虹5）;而民用無人機則種類繁多，大疆創新科技有限公司、極飛科技、雷柏科技等各個公司都在積極的研制和開發新一代的消費級無人機。中國的無人機技術已經具備了追趕世界一流水平的能力。

2.2技術特點與優勢

無人機具有空域申請便利、受氣象限制小、應用范圍廣、使用成本低、圖像精細等特點（吳永亮等，2017）。

（1）機動快速的響應能力

無人機運輸便利、升空準備時間短、操作簡單，可快速到達監測區域;另外其體積小、機動靈活，不需要專用跑到升降，受天氣和空域管制的影響較小（孫杰等，2003）。機載高精度遙感設備可以在短時間內快速獲取遙感監測結果。

（2）高分辨率遙感影像數據獲取能力

無人機搭載的高精度數碼成像設備，覆蓋面廣，具備垂直或者傾斜成像的能力，獲取圖像的空間分辨率達到厘米級，適應于1：1萬或更大比例尺遙感應用的需求（孫杰等，2003）。目前城市地質工作所需的影像主要為RGB三波段，無人機可掛載多光譜相機、高光譜相機和激光雷達傳感器，所拍攝的影像空間分辨率高、影像清晰。所獲取的影像為真彩色數字影像，已滿足1：500地形圖的測量規范要求。

（3）航攝效率高

無人機航攝可進行針對性航拍，重點獲取指定區域數據，針對不合格影像可現場重拍。

（4）數據處理速度快

影像數據處理速度快。例如Pips軟件能對航空影像數據及無人機影像數據進行快速化自動處理，可完成從空中三角測量到各種比例尺等測繪產品的生產處理任務（陳硯國，2018）。

（5）操作簡便可靠

飛機操作簡單，智能化程度高，部分無人機機型有故障自動診斷及顯示功能，一旦遙控失靈或發生其他故障，飛機自動返航到起飛點上空待命;故障解除則繼續執行飛行任務，否則自行開傘回收。

（6）使用成本低

無人機成本較低，飛行操作員的培訓時間短，機器存放和維護簡便，無調機和停機的費用。

2.3行業應用

無人機已被普遍應用于軍事范疇和民用范疇。軍用方面，無人機分為偵察機和靶機;民用方面，可應用于多個行業，處于迅速發展階段;西方發達國家也在積極發展無人機技術。

（1）地形圖測繪

無人機航拍過程主要包括航飛、控制測量、像控、調繪、成圖等。因其靈活機動和影像分辨率高的特點，可出色的完成1：500地形圖測制。

（2）應急監測

無人機結合底圖拍攝具有影像分辨率高、時效性強的特點。特別是在高危地區，一旦發生自然災害，無人機可以快速做出反應，而不會因為工作人員親臨現場造成危險。通過影像的處理可有效并且快速精準的反映現狀，便于救災人員及時規劃救援方案，從而提高救援效率，減少損失。無人機航拍可計算出受災面積和房屋損毀數量，進行災后統計和評估。

（3）國土資源監測

無人機航攝可以應對土地調查監測和土地核實工作，對國土資源變化進行實時監測，能夠有效降低土地調查成本，還能對發現的違法用地、非法開采等情況進行及時的評估和制止，為國土執法提供依據（陳硯國，2018）。

（4）其他民用產業應用

目前，中國民用無人機主要應用于搜索救援、災害防治、資源勘查、氣象監測、交通管制等方面。不管是城鎮還是農村地區，無人機都在逐漸發揮其積極的作用，在提高工作效率，解放生產力的同時，精準的數據反饋和多元化的工作內容成為無人機的發展方向（圖1）。

2.4應用實例

（1）2017年7月的萬噸危廢傾倒長江的環境污染事件中，環保人員利用無人機航拍現場勘查污染范圍、提取污染物和物證，追查了污染廢物的源頭，及時制止了此類污染的持續發生。

（2）2017年8月8日四川阿壩州九寨溝縣7.0級大地震的救援過程中，四川電力公司第一時間趕赴災區，通過無人機技術協助完成了電力設備的搶修工作，并配合武警官兵對道路損壞情況進行偵察，獲取了地表影像資料，給救援方案提供了信息支持，為救援搜索爭取了時間，極大的降低了搜救人員的勞動強度，減少了救援人員的傷亡。

（3）在土地確權工作過程中，《農村土地承包經營管理調查規程》規定了DOM地物點與實地同名點的誤差精度，采用無人機航空攝影測量方法獲得影像底圖后，經過精度驗證，得出采用影像分辨率為0.06m的航測正射影像制作的底圖所得點位的誤差小于規定誤差的結論，完全滿足土地確權工作的精度要求。2016年甘肅禮縣土地確權工作過程中，采用無人機航拍測繪影像遙感技術，通過一個半月的時間完成了9個鄉鎮159個村的航拍工作任務，完成率達到了47.2%。降低了測繪生產成本、提高了工作效率，縮短了工作周期。

（4）蚌埠市天河科技園的規劃運用無人機航拍攝影，采用全數字攝影測量工作站進行立體測量，利用空三導入的方法建立數字立體模型。整個數字化測圖過程比直接野外測量縮短了將近一半的時間，有效的提高了工作效率，降低了作業成本。這充分證明了無人機在城市地質工作中發揮的重要作用。3無人機在城市地質調查中的應用

（1）環境監測和環境治理

無人機航拍具有續航時間長、時效性強、機動性好、巡查范圍廣等特點，可為環境執法人員排查污染源縮短時間，提高排查的效率和準確性。尤其是在霧霾嚴重的地區，可在排查到污染源時在一定程度上減緩或防止霧霾的污染，利用攜帶了催化劑的無人機在空中進行噴撒，在一定范圍內可消除霧霾污染，達到環境治理的效果。無人機可以實時監測和追蹤如原油泄漏、井噴等環境污染事件的進程和發展以及時做出應對措施;環監部門可以利用無人機技術在指定區域巡航，監測工業工廠的廢氣與廢液排放情況，尋找污染源，并且可以采集標本監測其排放是否達標;無人機在土壤、空氣、水質和植被等狀況的觀測中也發揮著重要的作用。

（2）災害防治

無人機動性好，輕型無人機從起飛到降落僅需要不到半個小時，就能完成10萬km2的航拍，且成像速度快，對于災后救援工作具有重要的意義。無人機技術避免了工作人員親自去存在塌方、滑坡和泥石流等危險的地區，可以有效的保障救援人員的人身安全。無人機航攝為確定救災重點區域、合理分配救援力量、選擇安全救援路線等提供了有價值的參考數據。此外，無人機可實時全方位的監測受災地區的最新情況，以防引發次生災害，引起二次人身傷亡。

（3）土地確權

無人機大到兩國的領土之爭，小到農村土地的確權，都可發揮積極的作用。無人機機動靈活，通過航拍可對土地資源進行實時監測，解決農村土地歸屬問題，為土地執法提供重要依據，對即將開展的第三次全國土地調查工作提供準確和詳實的數據資料。部分國家內部的邊界確權問題，有時牽扯到不同的種族，使用無人機前去采集邊界數據，可有效地避免潛在的社會沖突。

（4）城市規劃建設

無人機可以為城市規劃建設的前期資料收集工作服務。通過無人機高精度拍攝，收集道路交通系統及其他主要市政工程系統等基礎城市資料，確定城市功能的空間布局，合理選擇城市的各項用地，提出市域城鎮體系規劃。

4結論

無人機具有高分辨率影像和高精度定位數據獲取能力，并有快速時效的特點，作為新興科技產品，在傳統地質的基礎上應加大技術投入，進而為城市地質工作提供有效的手段支持，降低工作成本，提高工作效率并保障人身安全。2017年中國民航局宣布民用無人機將實行實名登記注冊，針對發展特點和需求，擬將農林噴灑、空中拍照、航空攝影和執照培訓四類主要經營項目列為許可對象，在此基礎上，應積極吸取各國先進的管理經驗，進一步明確無人機飛行的技術標準和法律法規。隨著國民經濟增長需求、環境保護和安全及社會發展對數據的要求不斷提升，無人機在規劃建設、水利監測、災害防治、城市資源和礦產資源開發、環境綜合治理等各個城市地質工作領域中均發揮著積極的作用，應用前景廣闊。