無人機在崩塌地質(zhì)災害調(diào)查中的應(yīng)用*

胡家梁，常海明

1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600

2.東平縣自然資源和規(guī)劃局，山東 泰安 271500

傳統(tǒng)的地質(zhì)災害體調(diào)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(qū)崩塌災害體信息。程明飛[2]等闡述了全站儀等傳統(tǒng)測量設(shè)備在崩塌災害調(diào)查中的應(yīng)用。傳統(tǒng)調(diào)查手段受人為因素限制較大，難以到達崩塌等地質(zhì)災害點及周邊開展調(diào)查工作，因此傳統(tǒng)調(diào)查存在地質(zhì)災害點標注精度不高等問題[3]。隨著無人機航攝技術(shù)的不斷進步，開始將無人機應(yīng)用于地質(zhì)災害體的調(diào)查，該技術(shù)避免了工作人員靠近災害體引發(fā)危險。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為開采灰?guī)r所形成的采石場，目前已關(guān)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(jié)理裂隙發(fā)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(shù)據(jù)獲取

此次調(diào)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(xù)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(jīng)現(xiàn)場勘查確定航拍重疊度（航向80%、旁向60%），航測范圍1km2，調(diào)查時間是2019 年9 月15 日12 點，當天調(diào)查區(qū)內(nèi)晴朗無風，太陽高度角約40°，陰影倍數(shù)小于2，主航線10 條，適宜航測。設(shè)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(shù)路線見圖1。此次研究共均勻布設(shè)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(shù)據(jù)處理

圖1 無人機崩塌地質(zhì)災害調(diào)查技術(shù)路線

圖2 研究區(qū)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(nèi)方位元素，不需要再做相機檢校，此次調(diào)查數(shù)據(jù)處理采用Pix4Dmapper。數(shù)據(jù)處理過程如下：（1）在每一幅相片中提取特征點，經(jīng)特征匹配算法計算出同名點，用于相對定向。（2）經(jīng)相對定向以后，做區(qū)域網(wǎng)平差，平差主要內(nèi)容包括相機參數(shù)、POS 數(shù)據(jù)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(qū)局部點見圖3。（4）通過點云生成DSM[4]。

研究區(qū)內(nèi)沒有建筑物分布，植被覆蓋率低，僅在研究區(qū)邊界附近有低矮灌木及雜草分布，不需要濾波處理，因此經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到的DSM 即可看作DEM。

2 數(shù)據(jù)結(jié)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(shù)據(jù)進行精度分析，平面及高程精度分析結(jié)果見表1。

圖3 研究區(qū)局部點云圖

表1 平面及高程精度對比結(jié)果 單位：m

經(jīng)分析此次調(diào)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(jié)果均符合規(guī)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(qū)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(shù)、坐標高程、結(jié)構(gòu)面特征等[5]。通過無人機調(diào)查結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，研究區(qū)共有6 個崩塌體，經(jīng)調(diào)查各崩塌體參數(shù)，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(shù)統(tǒng)計

圖4 崩塌點照片

圖5 崩塌點三維模型

3 結(jié)論

文章研究了無人機傾斜攝影技術(shù)在崩塌地質(zhì)災害調(diào)查中的應(yīng)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(xiàn)了崩塌體的真實場景，為類似崩塌等地質(zhì)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(xiàn)場的專家參與崩塌等地質(zhì)災害治理的會商決策。（2）傾斜攝影技術(shù)可以快速、準確地獲取崩塌災害體的坐標、高程、結(jié)構(gòu)面特征等，為災害體穩(wěn)定性計算提供參數(shù)，進而為崩塌災害防治提供技術(shù)支撐。（3）傾斜攝影技術(shù)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(zhì)災害調(diào)查的效率。