淺談無人機在地質災害應急調查中的應用

張翊超　于淼　韓建超

摘 要：通過對北京市懷柔區四渡河滑坡點及密云區大石地崩塌點的應用模擬試驗，分析了多旋翼無人機在地 質災害應急調查中的使用方法和無人機建模軟件基本功能及其相關使用技巧，并探討如何利用現有軟件中的相關功能對無人機影像數據及其三維模型進行案例分析，為無人機在地質災害應急調查中的應用提供實際案例，以期為無人機開發更多的軟件和功能將其更充分的利用到地質災害應急調查或地質災害常規調查中，也為無人機地災調查應用體系的建立提供更多的素材。

關鍵詞：地質災害;無人機;崩塌;滑坡;三維模型

中圖分類號：P5;P231? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1007-1903（2019）04-0096-04

Abstract： Through the application simulation test of Siduhe landslide point in Huanrou District and Dashidi collapse point in Miyun District， Beijing， this paper analyzes the application method of multi-rotor UAV （unmanned aerial vehicle） in emergency investigation of geological disasters， the basic function of UAV modeling software and related application skills. In order to provide practical cases for the application of UAV in emergency investigation of geological disasters， this paper also discusses how to use relevant functions in existing software to analyze UAV image data and its 3D model. We expect to provide more materials to develop more software and functions， to make full use of geological disaster emergency investigation or traditional geological disaster investigation， and to enrich the application system of UAV for ground disaster investigation.

Keywords： Geological disaster; UAV; Collapse; Landslide; 3D model

0 引言

應急調查是地質災害應急處置的首要和基礎環節（劉傳正，2006），其通過快速查明地質災害體的地質結構和環境條件為地質災害應急處置提供科學依據，因此在有限的時間內準確了解到地質體的狀態是應急調查的第一要務，而數碼攝影技術一直是應急調查的重要手段。近年來，數碼攝影發展迅速，從最早的百萬像素的單反數碼相機發展到現在的微型千萬像素數碼相機，設備向微型、高清發展，目前已完全實現了無人機的機載需求。無人機憑借其結構簡單、成本低、風險小、靈活機動、實時性強等獨特優勢（李德仁等，2014），在災害發生前或發生后完全可以在應急調查中隨車、隨身攜帶，迅速到達災害現場。目前國內較為前沿的無人機折疊后僅比手掌稍大，可飛行距離達到了5km，并可提供飛行實時高清影像。無人機在地質行業尤其是地質災害方向的應用已有很大進展，并形成了很多成功案例，但由于缺乏系統總結，無人機在地質災害應急調查中的應用還處在探討階段。本文利用已知案例分析無人機在地質災害應急調查中應用方法并探討建立無人機在地質災害應急調查中的應用體系。

1 無人機的分類及其在調查中的應用方式

無人機經過多年的技術更新，分為固定翼、直升機、多旋翼以及垂直起降等類型，其中多旋翼無人機具有穩定度高，體積小、易攜帶，起飛降落點對環境要求較低等特點。

多旋翼無人機在地質災害應急調查中通過進行低空近距離調查拍攝，掃面拍攝建立三維點云模型等工作對難以靠近的災害隱患位置進行詳細觀測，并可在短時間內完成小范圍點云模型的建立。2019年北京市的地質災害隱患點共計5037個，小型隱患4920個，中大型117個，特點是分布廣，易發性高、災害規模小。部分災害點坡度陡，植被少，人員較難攀爬，調查難度較大，多旋翼無人機在北京的地質災害應急調查中應得到充分的利用。

目前北京市內的山體大部分植被茂密，如拍攝距離過高，地表植被等因素對所成影像干擾較大。所以在無人機飛行時要求無人機駕駛員具有較高操作能力，可駕駛無人機對干擾元素進行適當規避，并對所需地表災害特征進行拍攝，所拍攝特征照片應既有災害點特征位置的局部特寫，還要在較高角度對災害體周邊的地物進行較為整體全面的拍攝。

在突發地質災害應急調查中，無人機應起到在先行者的功能，首先根據需要通過無人機對災害體以及地面受災范圍進行拍照并根據地物對比進行損失調查及估算。而后應對災害發生部位進行近距離拍攝及直接觀察，并進行評估，確定是否仍有發生二次災害的隱患（圖1）。（劉傳正，2017）

2 無人機應急調查方法

在突發地質災害調查中無人機的主要優勢是視角高，自由度高，所獲取影像清晰度高，在滑坡、泥石流、崩塌3種類型的地質災害的應急調查中應用不同的方法進行調查分析。

無人機對于小型滑坡、崩塌這兩種地質災害的災前調查和災后評估有較大的適用性，尤其適合北方地區干旱少雨的氣候，小型崩塌常見，且部分位于較陡峭的巖壁難于實地調查。在發生巖體蠕變的前期，應先進行無人機調查，對災害體有預先的估計，以制定臨時避險措施。在災害發生后無人機也可做先期的調查，以減少二次災害對現場人員的威脅。

對于大型滑坡、泥石流等覆蓋面積較大的地質災害無人機的應急調查主要體現在對人員、財產損失的發現和計算，可利用飛行的高視角幫助受困群群眾尋找臨時避險場地，可以用較快速度對災害體進行建模，分析災害成因，避免二次災害的發生。

3 無人機使用限制及注意事項

通過調研和實踐，本文認為無人機使用限制及注意事項主要體現在以下3個方面：

（1）山區地質災害發生地大部分都遠離機場，但進行飛行前應參考當地地圖或者遙感圖像，確認最近飛機場的距離，保證安全距離。

（2）對地質災害特征的拍攝大多不需要距地面120m以上的飛行高度，距地面120m以下是目前國內通用航空對無人機視距內駕駛公認的較為安全的飛行高度，所以應盡量保持飛行器在較低空飛行。

（3）對發生在峽谷中的地質災害，或發生地點存在對飛行設備的通信、GPS信號產生影響的干擾源，應在飛行前下載衛星圖像，并保證起飛位置的GPS信號強度。

4 無人機的應用實例

在一般的突發地質災害調查工作中攜帶的無人機應以便攜易用、續航時間、拍攝效果作為選擇的重要依據（馬娟等，2019），目前市面上可選擇的無人機種類較多，大疆公司的精靈及御系列有成本低、飛行安全系數高、易用性高等特點，可在大部分條件下正常起飛。目前較為前沿的設備型號是精靈系列的PHANTOM 4 PRO RTK以及御 Mavic Pro 2系列。二者皆可進行長達30分鐘，范圍5km內，高度500m的飛行，并對目標點進行4k（3840×2160）30p/s的視頻拍攝或者拍攝5472×3648的靜態圖像。御系列的特點是更為便攜，可以作為隨身設備使用;精靈系列的RTK版本是一款針對測繪研發的無人機，所以可在三維建模時生產更高的精度的模型。

4.1 四渡河滑坡

2019年7月筆者對懷柔四渡河已知滑坡點進行航拍調查，該滑坡為一小型巖質滑坡，整體呈等腰三角形，該滑坡被巖石節理裂隙切割，下部可見兩個小型次級滑坡，且滑坡表層第四紀地層在圖像中可明顯觀測到滑坡后緣裂縫，以及滑坡形態。相對于傳統調查，可更好的判斷災害體類型。根據無人機所拍攝圖像可確定該滑坡向為一小型巖質滑坡，坡向45°。滑坡體兩翼為兩條張性裂縫（圖2），走向分別為240°、300°根據自然物尺寸（樹木底冠約2m）可量算該滑坡前緣長120m;兩翼各長100m，寬約0.4～0.8m，深約2～3m。并在滑坡體下部形成兩個小型次級滑坡體?；麦w滑動之后前緣與地面以及所修建的漿砌石擋墻形成新的穩態，所以推測該滑坡目前較為穩定，危險性較小。

4.2 大石地崩塌隱患體

密云石城鎮四合堂村大石地崩塌隱患為巖質高陡邊坡，坡高約60～70m，坡向140°～200°，坡度約60°～80°，人員攀登難度較大，且不能全面的掌握所有崩塌隱患體的特征，初期調查應用了三維激光掃描技術，采用專項地質調查、水工環調查等手段對崩塌體進行研究，其結果并不能完全反應崩塌體特征及地貌。應用無人機對崩塌隱患區域隱患點或災害點進行調查之后可對目標及受影響對象進行航線拍攝，應用Dpgrid、pix4d等軟件進行三維建模。建立點云數據，根據三維建?？纱_定災害體影響范圍及研判災害發展趨勢，并可根據三維建模點云較為準確的對一些所需信息進行采集與計算（圖3）。

目前，應用pix4d和Dpgrid兩款軟件均可對目標地區進行航拍建模，pix4d軟件由瑞典pix4d公司基于EPFL（瑞士洛桑聯邦理工學院） 計算機視覺實驗室多年研究成果開發，較為易用，操作簡便，但對于成果的輸出較為封閉。且支持應用較少。Dpgrid軟件由國內武漢大學研制，功能較多，但操作較為繁瑣。

5 結論及展望

（1）無人機作為一種新的工具在地質災害的調查以及應急方面前景廣闊，目前在測量方面應用較多，后期軟件針對性較差，目前僅能應用測量系統的相關軟件進行拓展使用。

（2）根據目前的成果，可以預期通過遙感信息提取技術與地質災害分析相結合，開發新的無人機地質災害調查軟件，加強時效性以及縮小誤差，對地質災害調查的工作具有重要意義。

（3）無人機對地質災害的調查受植被影響較大，是目前急需解決的問題之一，通過被動光源的應用能夠對部分地質體形態特征進行建模，但被植被覆蓋的地表信息，很難獲得數據，對無人機的應用有很大影響。

參考文獻

劉傳正， 2006. 重大突發地質災害應急處置的基本問題[J]. 自然災害學報， 15（3）： 24-30.

劉傳正， 陳紅旗， 韓冰， 等， 2010. 重大地質災害應急響應技術支撐體系研究[J]. 地質通報， 29（1）： 147-156.

劉傳正， 2017. 論地質災害風險識別問題[J]. 水文地質工程地質， 44（4）：1-7.

馬娟，張鳴之， 韓冰， 等， 2019. 地質災害無人機調查數據管理云平臺建設[J]. 中國地質災害與防治學報， 30（1）： 101-105.

李德仁， 李明， 2014. 無人機遙感系統的研究進展與應用前景[J]. 武漢大學學報（信息科學版）， 39（5）： 503-513，540.