無人機在崩塌地質災害調查中的應用*

胡家梁，常海明

1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600

2.東平縣自然資源和規劃局，山東 泰安 271500

傳統的地質災害體調查主要采用RTK、全站儀等。李玉立等[1]利用北斗RTK 成功地獲取露天礦區崩塌災害體信息。程明飛[2]等闡述了全站儀等傳統測量設備在崩塌災害調查中的應用。傳統調查手段受人為因素限制較大，難以到達崩塌等地質災害點及周邊開展調查工作，因此傳統調查存在地質災害點標注精度不高等問題[3]。隨著無人機航攝技術的不斷進步，開始將無人機應用于地質災害體的調查，該技術避免了工作人員靠近災害體引發危險。

1 研究區概況與數據獲取方法

1.1 研究區概況

研究區為開采灰巖所形成的采石場，目前已關閉，但未對采石場進行治理，各采坑巖石裸露，形成采坑高陡裸露巖邊坡，坡度62.7°～85°的直立巖面。由于巖體節理裂隙發育，屬于中等風化-強風化，巖面有采礦遺留廢渣塊，坡頂隱約可見第四系地層，暴雨時存在崩滑隱患。

1.2 數據獲取

此次調查采用大疆精靈4RTK 四旋翼無人機，該款無人機具備5 項攝影功能，可用于傾斜攝影，無人機重1.41kg，單塊電池續航30min，最大飛行速度為50km/h，無人機搭載2000 萬像素云臺相機，相片最大分辨率為5472×3648。

經現場勘查確定航拍重疊度（航向80%、旁向60%），航測范圍1km2，調查時間是2019 年9 月15 日12 點，當天調查區內晴朗無風，太陽高度角約40°，陰影倍數小于2，主航線10 條，適宜航測。設定航線為東西走向，相對航高80m，分辨率為5.0m/pix，飛行速度為10m/s。此次航測共出動7 個架次，耗時2.5h，拍攝照片1682 張。研究技術路線見圖1。此次研究共均勻布設15 個控制點（見圖2）。其中，像控點10 個、檢核點5 個，控制點中心砸入鋼釘，周邊噴涂紅色油漆，即十字叉（長1m），十字叉中點即為像控點。控制點坐標使用GPS-RTK 采集，定位時對每個控制點做10次平滑，取平均值，作為控制點坐標。

1.3 數據處理

圖1 無人機崩塌地質災害調查技術路線

圖2 研究區像控點分布圖

此次研究采用大疆精靈4RTK 無人機，該款無人機在出廠時已測得相機內方位元素，不需要再做相機檢校，此次調查數據處理采用Pix4Dmapper。數據處理過程如下：（1）在每一幅相片中提取特征點，經特征匹配算法計算出同名點，用于相對定向。（2）經相對定向以后，做區域網平差，平差主要內容包括相機參數、POS 數據等。（3）運用Pix4Dmapper，通過前方交會算法得出每個像點的地理坐標，進而完成相片空三加密處理，研究區局部點見圖3。（4）通過點云生成DSM[4]。

研究區內沒有建筑物分布，植被覆蓋率低，僅在研究區邊界附近有低矮灌木及雜草分布，不需要濾波處理，因此經數據處理后得到的DSM 即可看作DEM。

2 數據結果

2.1 檢核點誤差

將RTK 測量得到的檢核點坐標值作為其真值，對得到的數據進行精度分析，平面及高程精度分析結果見表1。

圖3 研究區局部點云圖

表1 平面及高程精度對比結果 單位：m

經分析此次調查，平面最大的誤差ΔX 為0.020m，ΔY 為0.021m，ΔX 的平均誤差為0.011，ΔY 的平均誤差為0.010，最大誤差點為GCP11。高程最大誤差ΔZ為0.131m，ΔZ的平均誤差為0.063m，平面及高程檢核結果均符合規范。

2.2 崩塌災害體信息獲取

利用搭載RTK 功能的無人機快速獲取研究區的DEM與DOM，除了能獲取崩塌體的準確坐標，還可以在Pix4D mapper 軟件中測量崩塌體幾何參數、坐標高程、結構面特征等[5]。通過無人機調查結合現場調查，研究區共有6 個崩塌體，經調查各崩塌體參數，見表2。崩塌體W1、W2 照片及三維模型見圖4、圖5。

表2 崩塌體參數統計

圖4 崩塌點照片

圖5 崩塌點三維模型

3 結論

文章研究了無人機傾斜攝影技術在崩塌地質災害調查中的應用，通過傾斜攝影獲取高分辨率的三維模型，在計算機中呈現了崩塌體的真實場景，為類似崩塌等地質災害的研究提供了新的思路及方法。（1）建立崩塌災害體三維模型夠能使崩塌體災害信息的表達更為直觀，有利于未到過現場的專家參與崩塌等地質災害治理的會商決策。（2）傾斜攝影技術可以快速、準確地獲取崩塌災害體的坐標、高程、結構面特征等，為災害體穩定性計算提供參數，進而為崩塌災害防治提供技術支撐。（3）傾斜攝影技術具有精度高、成本低、速度快、效率高的特點，在保障人員安全的前提下，能夠有效地提高崩塌等地質災害調查的效率。