無人機傾斜攝影測量在地質災害應用調查中的研究應用

李 洋

廣東省核工業地質局測繪院 廣東 廣州 510800

在進行地震地質災害的勘察時，必須對該地區水文、氣象、巖層資料進行全面的監測和評價，以便對其進行危險性評價，以便為以后的地質工作做好準備。近幾年，隨著無人駕駛飛機的傾斜成像技術的興起，突破了以往僅有縱向觀測的限制。可以更快更有效的收集資料。采用航空照相技術和立體照相技術，能實現全方位、多角度的立體影像，使實際的地質狀況得到最好的體現。

1 地質災害調查分析

地質災難是由于人類和自然的原因而導致的地質環境退化，對人類生命和財產的危害，對人類的生產、生活、社會、經濟乃至整個邊坡體的破壞都是十分重要的。地質災害的本質是由地面裂縫、崩塌或滑坡引起的強烈的地質運動，以及由環境劇變引起的自然災害。地質災害對人類社會生命財產進行安全構成一個巨大威脅。隨著城市基礎設施建設、交通網絡建設和礦產資源開發，大量的山區開挖，特別是臨河公路建設，使本來穩固的巖石漸漸失去穩定性。在暴雨或地震情況下，有很大的危險，如崩塌，滑坡或泥石流[1]。

通過對地震資料的分析，提出了一種基于遙感與地表測量技術的地震監測方法。在取得地表資料資料的基礎上，還要做好當地的地質資料、水文資料，以便更好的了解該區域的地理特點。從基本上把握該區域的災情，并為防災減災作出重要的社會貢獻。

2 無人機傾斜攝影測量技術

在無人機的俯仰成像技術中，采用五種不同的電子成像技術，對不同的方位、不同的角度進行不同的成像。由此獲得了目標地區的有關影像。在飛機的運動中，感應器會實時地對飛機的速度、高度、座標等相關的參數進行采集，并對采集到的數據進行分析、加工。在同一個飛行周期內，利用實時資料，可以獲取多個相同地區的多個交迭影像，既能發展出相同的場景又能反映出三個不同的公司，從而確保操作人員能夠對建筑的管理進行高效的了解和把握。最后，為使用者提供最真實、客觀、全面的真實影像。該系統能夠真實的反應地表的真實情況，并將其與地形相關的位置、效果等結合起來，使使用者在使用過程中得到更好的效果。在智能城市、三維導航、城市三維建模等方面，無人機的傾角成像技術已得到了越來越多的應用。與常規的航空測量技術相比較，在中國電網建設項目現場進行現場勘察時，可以更好的體現某一水平的地貌特征。在地質災害監測領域，應用一片多架次的傾斜照相技術，獲取了高精度、直觀的三維地貌三維建模，為監測、評估和分析提供了依據。

無人機傾斜攝影技術原理并不復雜，它的問世使測控工作得到了新的發展與突破，主要原理如下。首先，利用無人機進行俯仰測得資料，能夠從多個角度對被測對象進行拍照，其所提供的資料要遠高于常規的正射象資料。斜面照相技術的問世，可以有效地解決傳統的直射象的缺點。其次，斜像還可以測量單幅圖像，也就是說可以通過圖像處理軟件計算出單幅斜像的高度、坡度、輪廓和體積，由此，無人機傾斜攝影技術的使用領域得到了進一步的擴展[2]。與GIS技術公司大量的數據相比，無人機傾斜攝影技術所提供的信息量相對比較少，這樣，就可以方便地進行信息的傳送和分享。以上便是該項技術的工作原理，其原理決定了它在地質調查范圍的作用。

3 無人機地質災害調查模式的優缺點

無人機攝影測量在地質災害調查中的主要優點是：它能更快地測量所需數據，方便、高效地獲取高分辨率圖像，減少了時間和人力成本； 人員技術要求不太高。操作管理人員只需按照實際操作手冊學習無人機的相關教育理論基礎知識和應用數學知識，就能順利操作無人機，對無人機拍攝的圖像數據進行設計專業信息處理問題形成的正射影像圖比傳統的測量圖更直觀，更方便企業領導決策；第三，在地形條件比較復雜、地質災害危險的地區，人工勘測測量方法很難完成，使用無人機發展可以輕松完成。與傳統的航空航天設備相比，無人機不需要機場，地形限制較少，可以低空飛行。此外，地質災害發生地區的工作環境要求相對較低，可以采取難以進入的地區，使地質災害調查更加全面。

傳統的中國地質環境調查與研究的技術，通常包括利用GIS、GPS等技術，比如利用大飛行器航攝技術進行的常規航測、衛星、可視化、多波段掃描等技術。在此對兩種模式進行了對比分析（見表1）。不難發現，采用無人機俯仰照相技術能較美國地理勘探站的常規測量方式降低現場工作的能耗，大大縮短野外施工周期，可以提供更高采樣密度的地形圖和可測量的三維實體模型來評估現實生活中危險點的風險程度。

表1 兩種地質調查模式優缺點的比較表

每種信息技術發展都有一個自己的優勢，但也有自己的劣勢。無人機傾斜攝影技術也不例外，優勢很明顯，缺點也不容忽視。目前，無人機傾斜攝影技術主要存在以下缺點。第一，對于無人機本身來說，它的電池容量小，雖然無人機制造商已不斷更新其電池容量。但是對于在災害現場需要完全飛起來勘查的無人機而言，一塊電池是往往不夠的，需要進行幾塊電池的更換。在飛行過程中，無人機的缺點就是，非常容易受到其他無線電設備等因素的干擾，從而發生控制故障、無人機故障和墜落等事故，存在一定的隱患。第二，來自于自然環境對無人機的影響。在一些山區，由于衛星信號卻飯，導致無人機起飛困難，并且對于小型無人機而言，天氣和風向對他們產生的影響是很明顯的。除此之外，在一些郁郁蔥蔥的密林中，無人機無法獲得實際的地面標高，只能自己根據植被的表面進行標高。最后，無人機的后處理需要時間，并且對后處理計算機的硬件、軟件都有著較高的要求。

4 地質災害中的無人機傾斜攝影測量技術應用

當地質災難出現時，采用 UAV成像技術可以對不同地區的地質環境進行監測，從而對其形成原因進行研究，并借助衛星、無人駕駛飛機進行地面勘察，獲得相應的地質災害資料。弄清水文、氣象、巖層等相關信息。在區域內，分析中國地質災害，劃分災害類型，提供一個相應的災害防治研究方法，觀測地質災害的動態管理活動或異常發展變化。通過沿著固定路徑飛行，可以從多個角度捕捉到撞擊，從而觀察到更清晰、分辨率更高的撞擊類型，并確定和融合災害發生的位置，形成真正的三維模型類型。通過無人機傾斜攝影與測量技術相結合，可以從多個角度的圖像數據中獲取真實的情況。在真實三維模型的基礎上，通過三維GIS軟件加載。由于我國當前網絡模型的精度分析可以明顯優于0.05米，因此我們可以在模型上直接清楚地看到項目區表面的地質結構。同時，可以通過測量工具測量裂紋。在該模型中，不良地質體的人工識別和標記，都可以較為明顯地反映地表覆蓋情況，并且提供報告材料。最后，再進行風險評估、穩定性計算和處理措施[3]。

在地質災難現場勘查中，采用無人機的俯仰照相技術，其技術流程由三部分組成：建立了俯仰照相系統，并對其進行了數據的收集和整理；二是建立一個立體現實的模型，它包含了多視角影像資料的調整與比對以及建立一個立體的真實的模型。三是基于現場實際情況的3D建模，對地質災難事件進行了一個初步的發展剖析。為今后合理選用合理的勘察路徑，為災民撤離和轉移工作提供了科學的依據。地質災害應急調查中無人機傾斜攝影測量技術的具體操作流程見圖1。

圖1 無人機傾斜攝影測量技術在地質災害調查中的應用流程

為確保三維數據建模的順利進行完成，提高學習模型的準確性，應遵循以下需要注意事項。課程重疊度一般應在60%-80%，最低不應低于53%；橫向搭接一般應為15%-60%，最小不應小于8%。在實際航線規劃中，飛行人員應盡可能設置較高的照片重疊率，以避免航拍孔和重復飛行。一般情況下，課程重疊率應設置在75%-85%，側面重疊率應設置在65%-75%。攝影區域邊界線外的球場覆蓋范圍，應不少于兩條基線。攝影發展區域邊界線以外的側面覆蓋率一般我們不應小于圖像的50%；在方便學生測量照片控制點且不產生影響企業辦公建筑室內設計正常使用加密的情況下，攝影活動區域邊界線以外的橫向覆蓋率應不小于影像的30%。如果地面物體的表面升高或凹陷，則需要進行局部多角度收集。

5 地質災害調查中無人機傾斜攝影技術的應用表現

在山地地質環境中，崩塌、滑坡、泥石流等地質環境條件十分復雜，對其進行勘察，不僅要耗費大量的人力、財力。利用無人機的傾斜成像技術，不但可以獲得現場的圖像資料，而且可以對整個地震過程進行實時監測，具體如下。

5.1 獲取實時圖像

在地質災難出現的時候，勘探者常常不能接近災難現場進行勘察。這時， UAV照相技術將無人偵察機引入到了受災地區。同時，將現場影像反饋給后方指揮部，讓各專業人員能從影像上即時了解其狀況，并依據影像資料，制訂相應的防治對策。

5.2 正射影像

對防災減災的調研和研究通常都是大范圍的，常規的調查和分析工作既耗時又耗時間，又易造成疏忽。對社會研究的結果產生了一定的影響。正射影像以其數學精度、幾何精度和修正后的圖象特性，涵蓋了全部的觀測范圍內的真實與客觀的景象，包含了所有的細節和全貌。調查者可以利用專用的軟件，從一個正向的視頻圖象中獲得所需要的信息，并結合現場核實，以確保調查工作全面、真實和準確。

5.3 三維立體模型

與正射成像技術相比較，三維立體圖像從多個發展的視角、豎向、斜向等角度采集圖像資料，使圖像的信息管理更為全面、精確。通過對地震災情的觀測，可以從多個不同的視角對其進行觀測，并將其放大，測量其長度、高差、坡度、面積、坐標等。為進一步拓寬了測繪領域的范圍，拓寬了測繪領域中的無人機技術。另外，利用三維建模技術，可以方便、直觀地了解地質環境，為領導干部的決策和部署工作奠定基礎。

5.4 線劃地形圖

地形線狀圖是地質災難調查與分析的重要依據。地質災害地區的地貌特征是傳統地貌地貌的復雜性、交通管理不便，并且導致作業設計難度大、投資大、建設項目周期長，而且我們只能自己設定比例尺數據進行分析野外測繪，生產出小于或等于既定比例尺的地形圖，嚴重影響制約了地質災害情況調查的順利發展進行。利用無人機傾斜攝影測量技術進行不同比例尺的航空攝影，工作量基本相同，可以根據大比例尺地形圖測量的要求進行航空攝影。然后，根據需要，應用立體影像，可迅速產生各類不同規模的直線狀地形圖，以適應地質災難的要求。

6 無人機傾斜攝影技術在地質災害調查方面的發展前景

在監測、調查和研究分析中國地質環境災害時，由于我國無人機傾斜攝影測量數據技術的靈活性和高精度，極大地發展了測量的效率和準確度。在硬件上，無人機運行總的來說比較平穩，抗逆性強，提高攝影頻率，為獲取影像的硬件支撐，尤其是在解析度和耐候性能上。有了長足的進步。另外，對硬件進行改善，可以改善圖象資料的準確率，同時減少噪音。這樣可以節約大量的時間和費用。此外，在軟件的研制過程中，應重視對學員的抗干擾及資料資料的保密。

由于無人機的高度發展，傾斜成像技術已經被廣泛地運用，而這種新技術只有在實際中才會出現。無人駕駛的傾角照相公司也正在為其自身的用途作規劃。隨著對海量信息的需求越來越多，以及技術的深入發展，今后的計量工作將越來越精確，越來越快捷。不過，如果對無人駕駛飛機的感測器進行更新，并對其運算法則進行進一步的改進，那么就沒有人能夠改進其用途了。舉例來說，利用無人駕駛的傾斜照相技術能夠迅速探測到山體崩塌的區域。為營救工作提供迅速反應。然而，因為中國在發展無人駕駛飛機方面仍存在一些缺陷，最主要的問題在于電池的電量不夠。由于其體積小、體積小、攜帶方便等特點，因此其續航能力差。所以，必須發展新型的高效率的電池[4]。

7 結論

無人機傾斜攝影技術是一項全新的技術手段，它可以為地質環境監測工作的開展和應用奠定基礎。目前，在開展地質災難監測與監測的基礎上，采用無人機傾斜成像技術進行了初步探索。為更好地開展地質災難的調查，今后還需要繼續改進和創新，拓展具體應用領域，提高實踐運用能力。確保其創新、方便和有效。