無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中的應(yīng)用

朱磊

摘要：無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有響應(yīng)快、耗時(shí)短、成圖快和精度高的優(yōu)勢(shì)，以?xún)A斜航空影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)結(jié)合Smart3D Capture軟件平臺(tái)可快速地獲取災(zāi)害區(qū)域的實(shí)景三維模型，為進(jìn)一步評(píng)估受災(zāi)情況及安置點(diǎn)的選擇等提供第一手信息。實(shí)踐表明：無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)與實(shí)景三維模型相結(jié)合，可以較精確地估算受災(zāi)面積以及預(yù)測(cè)滑坡和泥石流產(chǎn)生的土石方量，在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中具有良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)；地質(zhì)災(zāi)害；應(yīng)急調(diào)查；實(shí)景三維模型

地質(zhì)災(zāi)害對(duì)人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)安全威脅極大，隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)以及修建交通網(wǎng)絡(luò)、開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)資源等，開(kāi)挖大量的山地，尤其是臨河公路的修建等，使得原來(lái)較穩(wěn)定—穩(wěn)定的巖土體逐漸處于欠穩(wěn)定—較穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨或地震等條件下極易產(chǎn)生崩塌、滑坡或者泥石流等災(zāi)害。隨著我國(guó)區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)不斷完善，促進(jìn)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，但是在修建公路、鐵路過(guò)程中形成了大量的臨空高陡邊坡，這也是誘發(fā)較大規(guī)模滑坡的重要因素。因此，如何快速有效地監(jiān)測(cè)各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題[1]。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)因具有成圖快、耗時(shí)短和精度高等優(yōu)勢(shì)而廣泛地應(yīng)用于各行測(cè)繪領(lǐng)域，在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中也有較多的應(yīng)用。隨著我國(guó)北斗系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的發(fā)展。無(wú)人機(jī)以靈活機(jī)動(dòng)的特征以及在較短時(shí)間內(nèi)能夠獲取較大面積災(zāi)害區(qū)域的航拍影像數(shù)據(jù)，結(jié)合其他軟件評(píng)判能夠快速生成三維實(shí)景模型，為進(jìn)一步評(píng)估災(zāi)情和確定應(yīng)急救援方案等提供了基礎(chǔ)依據(jù)，同時(shí)為應(yīng)急災(zāi)害調(diào)查提供第一手信息資料。鑒于此，本文以某地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查為例，分析無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中的應(yīng)用效果。

1.無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是集無(wú)人機(jī)技術(shù)、動(dòng)態(tài)定位技術(shù)、圖像融合技術(shù)與處理技術(shù)于一體的現(xiàn)代化測(cè)量技術(shù)，是在無(wú)人機(jī)垂直攝影測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，有效地避免了垂直攝影技術(shù)僅能夠從垂直方向獲取影像數(shù)據(jù)的弊端[2]。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量就是在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上搭載了多角度、多方位的攝影相機(jī)系統(tǒng)，即該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從多個(gè)方位獲取測(cè)繪區(qū)域影像數(shù)據(jù)的目的，但是由于不同方向獲取數(shù)據(jù)的角度等差異，對(duì)圖像融合及數(shù)據(jù)處理技術(shù)提出了更高的要求。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)中的多鏡頭相機(jī)包含1個(gè)垂直鏡頭和4個(gè)傾斜鏡頭，能夠盡可能地降低因遮擋等問(wèn)題而造成影像數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的空白，對(duì)提升測(cè)量精度意義重大。由于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量具有成圖快、耗時(shí)少和精度高的優(yōu)勢(shì)而廣泛地應(yīng)用于各行業(yè)的測(cè)繪中，并取得了較好的應(yīng)用效果。

2.技術(shù)流程分析

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中的技術(shù)流程主要包括三個(gè)方面：一是無(wú)人機(jī)航空攝影過(guò)程，包括搭建無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)航拍影像數(shù)據(jù)的獲取及處理過(guò)程；二是三維實(shí)景模型的制作，主要包括多視角影像數(shù)據(jù)的平差、匹配和實(shí)景三維模型的構(gòu)建等內(nèi)容；三是地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查分析，是在實(shí)景三維模型的基礎(chǔ)上對(duì)已發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行初步分析，為進(jìn)一步選擇有效地調(diào)查路線等提供基礎(chǔ)依據(jù)，同時(shí)為災(zāi)害區(qū)域的受災(zāi)群眾的撤離與安置選址提供可靠、直觀的依據(jù)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中具體操作流程見(jiàn)圖1。

3.無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中的應(yīng)用

3.1災(zāi)害基本現(xiàn)狀

根據(jù)已發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害可知：待測(cè)區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害主要為滑坡和泥石流，其中滑坡堵塞了下方河流，形成了堰塞湖。滑坡規(guī)模相對(duì)較大，臨空陡邊坡在暴雨條件下形成，同時(shí)由于暴雨集中且持續(xù)時(shí)間久，導(dǎo)致季節(jié)性干溝上游形成了規(guī)模相對(duì)較小的泥石流。受災(zāi)面積相對(duì)較大，急需進(jìn)一步勘查，為災(zāi)害治理及受災(zāi)群眾的安置提供可靠的依據(jù)。此外，本次災(zāi)害受威脅群眾為203人，同時(shí)該區(qū)域公路過(guò)往車(chē)輛、行人的安全無(wú)法保障。

3.2飛行計(jì)劃及數(shù)據(jù)獲取

由于滑坡等影響，調(diào)查區(qū)域內(nèi)的公路破壞較為嚴(yán)重，對(duì)勘查人員的及時(shí)到位產(chǎn)生較大的影響，因此需要結(jié)合航空影像數(shù)據(jù)有效布設(shè)調(diào)查路線。航拍影像數(shù)據(jù)的獲取是地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查的基礎(chǔ)，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容[3]：①無(wú)人機(jī)型號(hào)的選擇，根據(jù)無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)、續(xù)航能力等確定，本次選擇的無(wú)人機(jī)型號(hào)為H3100型；②飛行航線設(shè)計(jì)，根據(jù)選擇額無(wú)人機(jī)型號(hào)以及搭載的攝影相機(jī)型號(hào)等，確定本次調(diào)查飛行的行高、航向重疊度和旁向重疊度等參數(shù)，為了提高本次應(yīng)急調(diào)查精度，無(wú)人機(jī)中搭載了1個(gè)焦距相對(duì)較短的鏡頭和4個(gè)焦距相對(duì)較長(zhǎng)的傾斜攝影相機(jī)，同時(shí)根據(jù)待測(cè)區(qū)域已有大比例尺地形信息等，確定飛行子區(qū)為2個(gè)，其中Ⅰ區(qū)的飛行高度為450m，Ⅱ區(qū)的飛行高度為400m；③由上可知，本次地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查過(guò)程中將測(cè)繪區(qū)域劃分為兩個(gè)飛行子區(qū)，其中Ⅰ區(qū)的航向重疊度和旁向重疊度均為75%～80%之間，Ⅱ區(qū)的航向重疊度和旁向重疊度均為70%～75%之間；④本次無(wú)人機(jī)選擇八旋翼無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)具有較高的穩(wěn)定性和較長(zhǎng)的續(xù)航能力，在獲取影像數(shù)據(jù)的同時(shí)，應(yīng)及時(shí)檢查影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量，直至數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足要求為止；⑤在滿足待測(cè)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查對(duì)時(shí)間需求的基礎(chǔ)上，盡可能地選擇天氣狀況較好的時(shí)段進(jìn)行，尤其是風(fēng)速條件等；⑥為了盡可能地縮短無(wú)人機(jī)獲取航空影像數(shù)據(jù)的時(shí)間，可根據(jù)飛行子區(qū)特征，采用多架無(wú)人機(jī)同時(shí)展開(kāi)航空影像數(shù)據(jù)采集的方式進(jìn)行，可有效地提高航空影像數(shù)據(jù)的獲取效率，為地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援、撤離以及居民安置點(diǎn)選擇等贏得更多的時(shí)間。

3.3實(shí)景三維模型構(gòu)建

地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中實(shí)景三維模型的建設(shè)是以無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量過(guò)程中獲取的航空影像數(shù)據(jù)制作而成的，該模型具有精度高、逼真度高的優(yōu)勢(shì)，常常用作地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查的電子沙盤(pán)和調(diào)查路線布設(shè)的基礎(chǔ)依據(jù)[4]。同時(shí)，實(shí)景三維模型為進(jìn)一步應(yīng)急救援以及應(yīng)急管理提供了參考。因此，將無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用至地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中具有重要意義。此外，由于地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查具有任務(wù)重和時(shí)間緊的特點(diǎn)，必須在較短的時(shí)間內(nèi)獲取測(cè)繪區(qū)域內(nèi)的實(shí)景三維模型，采用現(xiàn)代化的自動(dòng)化建模技術(shù)。在獲取測(cè)繪區(qū)域航空影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本文采用 Smart3D Capture軟件平臺(tái)作為本次自動(dòng)建模的軟件平臺(tái)，進(jìn)一步制作測(cè)繪區(qū)域的三維實(shí)景模型，其精度能夠滿足實(shí)際調(diào)查需求。同時(shí)，由于航空影像數(shù)據(jù)是通過(guò)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取的多角度、多方位傾斜影像數(shù)據(jù)，故影像數(shù)據(jù)精度高，能夠滿足應(yīng)急調(diào)查的基本需求。此外，三維實(shí)景模型的建立為進(jìn)一步評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展趨勢(shì)等提供了基礎(chǔ)，如在持續(xù)強(qiáng)降雨或者地震條件下，滑坡、泥石流或者崩塌災(zāi)害等可能發(fā)生的區(qū)域。

3.4災(zāi)害現(xiàn)狀分析

使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取了災(zāi)害區(qū)域的航空影像數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而以Smart3D Capture軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)制作了實(shí)景三維模型，為進(jìn)一步展開(kāi)地質(zhì)災(zāi)害的評(píng)估和制訂應(yīng)急撤離、安置等管理提供依據(jù)[5]。在制作的實(shí)景三維模型中可以清晰地看出（圖2）：災(zāi)害區(qū)域由于滑坡及泥石流等，導(dǎo)致災(zāi)害區(qū)域破壞較為嚴(yán)重，形成了較大面積的裸露土地，該區(qū)域在持續(xù)強(qiáng)降雨條件下極易進(jìn)一步誘發(fā)形成滑坡、泥石流和崩塌等災(zāi)害。根據(jù)實(shí)景三維模型中反映的受災(zāi)面積，估算出本次受災(zāi)面積可達(dá)60281.32m2，同時(shí)根據(jù)在實(shí)景三維模型中劃定的地質(zhì)災(zāi)害邊界等，進(jìn)而預(yù)測(cè)出本次滑坡及泥石流產(chǎn)生的土石方量約為95341.48m3。此外，由于滑坡和泥石流災(zāi)害等，導(dǎo)致下方的河流堵塞，形成了堰塞湖，湖內(nèi)水位持續(xù)上漲，極易產(chǎn)生較大的災(zāi)害。由上可知：本次地質(zhì)災(zāi)害受災(zāi)程度較為嚴(yán)重，通過(guò)本次地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急調(diào)查，初步劃分了受災(zāi)邊界和災(zāi)害影響范圍，進(jìn)而計(jì)算出了可能發(fā)生泥石流、滑坡等的土石方量。同時(shí)，為進(jìn)一步管理受災(zāi)群眾的撤離以及安置選址提供了直接的參考依據(jù)。本次采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在該地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中取得了較好的應(yīng)用效果，由于及時(shí)獲取了災(zāi)害區(qū)域的航空影像數(shù)據(jù)，為災(zāi)害發(fā)展評(píng)估贏得了時(shí)間，同時(shí)為受災(zāi)群眾的轉(zhuǎn)移和安置點(diǎn)選擇等贏得了更多的時(shí)間，故本次調(diào)查所取得的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。

3.5應(yīng)急調(diào)查路線布設(shè)

在獲取災(zāi)害區(qū)域航空影像數(shù)據(jù)和實(shí)景三維模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害分布特征和發(fā)育特征，本次沿著垂直區(qū)域斷裂展布方向布設(shè)了兩條應(yīng)急調(diào)查路線，調(diào)查路線方向?yàn)楸睎|—南西向。根據(jù)兩條調(diào)查路線發(fā)現(xiàn)：在災(zāi)害區(qū)域內(nèi)新識(shí)別出不穩(wěn)定高陡邊坡3處，危巖體5處，可能發(fā)生泥石流區(qū)域1處，均在暴雨或者強(qiáng)降雨條件下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。本次路線地質(zhì)調(diào)查為進(jìn)一步評(píng)價(jià)災(zāi)害發(fā)展提供了基礎(chǔ)信息，同時(shí)為確定治理方案提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)本次實(shí)例分析可知，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查具有較好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)具有響應(yīng)快、成圖快、耗時(shí)短和精度高的優(yōu)勢(shì)，所制作的實(shí)景三維模型也能逼真地反映出測(cè)繪區(qū)域的真實(shí)狀況。因此，將無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)與三維實(shí)景模擬技術(shù)相結(jié)合，在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查中具有廣闊的應(yīng)用前景，為災(zāi)區(qū)指揮救援、受災(zāi)狀況分析等提供了可靠的第一手信息。在今后的發(fā)展中，應(yīng)加強(qiáng)無(wú)人機(jī)航空影像數(shù)據(jù)的處理研究，對(duì)提升測(cè)量精度意義重大。

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