無人機技術在地質災害監測中的應用

鄒 宇，何清平

（1.貴州天木智繪科技有限公司，貴州 貴陽550007；2.貴州水利水電職業技術學院，貴州 貴陽551400）

無人機架構的測量系統擁有凸顯的靈活優勢，快速而且精準，其能夠擺脫傳統測量多重的外在干擾，測量過程更加靈活，獲取數據的效率較傳統測量技術、航空攝影測量和遙感技術來說更為快捷，獲取的數據質量更為精準[1]。近年來，隨著無人機技術的不斷發展，以及測繪地理信息數據平臺的不斷建構和完善，基于無人機低空航空攝影測量技術與遙感等在測繪諸多領域得到了廣泛應用。傳統地質災害監測主要依靠野外調查、沉降觀測等傳統手段，結果雖然可靠，但具體的施工程序較為復雜，制約條件較多，而無人機技術在地質災害監測中的應用，其操作簡單、價格低廉、機動靈活等優點彌補了傳統地質災害監測的不足，基于地理信息數據平臺可以對地質災害監測數據進行實施傳輸和分析，從而為地質災害監測提供一種更為先進、便捷、快速的技術方法[2-4]。

1 無人機測量技術內涵

無人機是通過無線電遙控設備或機載計算機程控系統進行操控的不載人飛行器。設備結構簡單、使用成本較低、操作靈活，除了能夠完成傳統人機任務，更適用于傳統人機不宜執行的任務，例如危險區域的地質災害調查、空中救援指揮和環境遙感監測等[1]。隨著我國改革開放的不斷深入，科學技術水平得到了空前提升，直接推動了測繪地理信息行業的不斷發展，智能化水平更高、工作效率更高、可操作性和數據處理性更靈活的測繪裝備不斷得到創新和發展，無人機測量技術就是科技創新和發展的產物。無人機測量技術屬于近景航空攝影測量，其是基于無人機作為搭載平臺，機載航空攝影相機、數碼攝錄機等數字攝影測量與遙感設備進行拍攝和記錄，利用地面無線電遙控設備或計算機程控系統對無人機飛行姿態、各類參數進行控制和修正，從而實現對地面信息的調查和監測，即無人機攝影測量與遙感技術[5]。

無人機測量系統可以分為空中控制系統、地面控制系統和數據后處理系統，空中控制系統包括無人機搭載平臺、攝影測量與遙感設備，以及攝影測量與遙感空中控制子系統。無人機攝影測量與遙感的數據獲取過程如下：（1）根據任務需求進行飛行規劃和飛行參數設計；（2）按照預設規劃和參數設計對任務區域進行無人機攝影測量與遙感飛行；（3）通過數據存儲設備或5G數據信息傳輸通道收集和存儲地面信息、飛行姿態信息、各類控制系統信息等；（4）利用數據處理系統對獲取的數據信息進行處理和分析，提取任務所需測繪地理信息數據。

圖1 無人機地質災害監測工作流程圖

2 無人機地質災害監測方法和流程

地質災害監測是通過運用各種技術和方法，測量、監視地質災害活動以及各種誘發因素動態變化的工作，即通過采集和獲取地質災害各要素空間關系及地質災害相關的特征、紋理、環境信息等，基于已有的數據資料，對地質災害發生的可能性和危害性等進行分析、評價。根據地質災害監測任務需求，以及無人機測量技術原理，可以將基于無人機的地質災害監測工作分為數據獲取、數據處理和數據分析評價三個部分，見圖1[2，6]。數據獲取部分包括了地質災害監測任務的確定、任務分析及相關資料收集、實地勘探、飛行規劃和參數設計、無人機作業內容。數據處理包括數據的參數校正、空中三角測量、三維模型構建、正射影像獲取等。數據分析評價包括地質災害監測屬性數據的獲取，數據庫的構建，以及基于已有相關資料信息對地質災害進行分析和評價等內容。無人機地質災害監測可以彌補傳統攝影測量易受云層遮擋影響的缺陷，為用戶提供高分辨率、低成本、實時性、可重復性的遙感影像信息，用戶可以通過無人機測量結果獲取多重高精度的參數和屬性信息，彌補了傳統攝影測量與遙感高精度空間位置和高分辨率的影像信息不能兼得和融合的缺陷。

3 實例分析

無人機因其獨有的優勢和特點，在諸多領域得到廣泛應用，而在地質災害監測領域具有無法替代的位置：（1）其在地質災害監測中的應用具有空間便捷性和時效便攜性，能夠排除條件限制第一時間對地質災害現場進行監測；（2）獲取的數據信息更為全面，精度更高，相對于傳統測量技術來說，無人機測量技術可以同時獲取高精度的空間數據信息和全方位的高分辨率的影像信息。無人機應用于地質災害監測，在我國已經有多項成功案例，最早的2008年汶川地震無人機系統應用于地質災害研究和監測。2017年九寨溝地震之后的地質災害監測，2019年重慶城口山體滑坡地質災害監測等[3-4]。本文基于已有無人機地質災害監測案例和數據對無人機的地質災害監測的數據獲取處理、精度等進行分析評價。

3.1 某礦礦山地質災害監測

以某礦礦山地質災害監測實例為基礎，采用無人機飛行平臺搭載攝影測量與遙感設備，獲取了礦區范圍內高于0.20m的低空數字影像，通過自動操控和調節，影像航向和旁向重疊度達到了80%和50%，并生成了數字正射影像和影像空間模型[2]。對比傳統遙感影像，獲取的影像分辨率和精度更高，進而反映的地面空間位置和屬性參數更為詳細，通過影像提取和分析，共計獲取了塌陷坑約43處，結合礦區已有下沉等值線，對礦區由于采煤沉陷造成的地質災害進行了分區，對受影像區域內的各種地物類型等進行了劃分，并進行了面積統計。

3.2 無人機滑坡地質災害監測

以湖州市洞子門二期工程滑坡監測為研究案例，區域內地形以丘陵為主，高差90m，測區面積25km2[6]。根據監測需求，在測區范圍內共布設了4個像控點，以及排11個邊坡監測點。采用四旋翼無人機搭載AMC536傾斜攝影平臺航攝，加裝地形匹配系統進行監測，為了確保獲取數據信息的監測區域全覆蓋，在已有方案基礎上，適當增加了外擴區域。獲取的傾斜攝影測量原始影響數據分辨率優于7mm，圖像輻射分辨率為24bit，飽和度等級優于10級，色彩還原真實準確，區域色調一致。通過數據處理和監測點的坐標提取，對無人機監測數據信息與已有數據進行對比得出，無人機獲取的坐標信息中水平位移中誤差為16mm，垂直位移中誤差為28mm，完全滿足滑坡監測的需求。基于無人機監測結果，可以清晰辨別存在滑坡隱患的區域范圍，以及滑坡隱患的土質類型和信息。

4 結束語

無人機應用于地質災害監測，可以充分發揮其空間獲取能力，能夠為地質災害分析提供高精度高分辨率、實時性的影像數據信息，避免因人工判讀和調查的主觀誤差，獲取的數據信息的準確度和可信度更高，在很大程度上能夠提升地質災害分析評價的準確性。但無人機系統是一種集成的應用系統，無人機監測過程是人員的操控過程，人員的專業素質和操控水平等都直接影響了無人機監測結果的精度。所以，為了保證監測結果精度，應當從人員素質提升、無人機監測操控系統智能化、觀測方法靈活化等多方面著手。