輕便型無人機快速測繪技術在地質災害應急搶險中的應用研究

趙財全，劉家明，楊潤生，朱榮先，高 勇，段浩鋒

（云南全測精達科技有限公司，昆明 650025）

隨著科技的不斷發展，無人機技術也有了各種突破性的進展。無人機遙感等新興技術被廣泛應用于各個領域。同時，無人機在礦山地質災害調查和探測中發揮著無可比擬的作用。當今世界地質災害的發生越來越頻繁，對人類社會的經濟和安全產生了重大影響。我國幅員遼闊是發生嚴重地質災害最頻繁的國家之一。人們正逐步將基于無人機的快速測繪技術應用于地質災害研究，以地質災害數據采集的形式建立地質災害后數據采集、分析和處理的協同服務機制。測繪無人機在災害預測和評估中發揮著重要作用，對我國經濟的發展具有重要意義。

1 快速測繪技術的主要內容

1.1 開展地形測量

測量和制圖時，應注意確保地圖尺寸數據與實際地形值相符。另外，由于我國幅員遼闊，各地區之間的地形特征也存在差異，因此在測量大片森林或綠地時不能簡單地使用自動文件符號來描述，必須用不同的植被符號展現。測繪時，應確保所有區域測量數據的準確性，并使用數據末尾的2位數字進行識別。測繪丘陵和巖石等區域時，勘測員應測量整個區域，并確保測量數據與實際地形數據相符，以確保測繪數據的正確。此外，測繪工程師在測繪過程中，還必須不斷思考和檢查測繪好的地形圖，以發現存在的問題和缺陷，使測量方法適應當地環境，確保測繪工作的高質量[1]。

1.2 進行地形測繪

在進行地形測繪工作時，測繪人員不僅要繪制高程線，還要完成完整地形數據的標注。同時，在測量過程中，工作人員還必須完美掌握地圖中包含的高度線的所有信息，以確保測繪工作的質量，并在測繪項目中發揮高度線的優勢。為了獲得完整的技術地圖，在制圖工作期間，工作人員應詳細標記區域的特征及其數值，并將所有制圖數據和完整地圖發送給研究人員，研究人員將不同的位置和特征用線段和控制點進行標記。工作完成后，再次進行核查，以確保地圖上的所有點和線段均正確[2]。

2 無人機的系統構成

在地質災害調查中，測繪無人機的性能可以在調查中發揮關鍵作用。影響測繪無人機性能的3個關鍵因素，主要是飛行平臺、機載數字采集設備和控制系統。

2.1 飛行平臺

一般來說，輕型無人機的重量約為6~8 kg，不同海拔和氣壓條件下進行地質災害的調查時，通常需要增加無人機的負載能力和總重量。如果高度超過3 800 m，則應相應增加無人機的起始重量，以確保無人機能夠平穩飛行。為了保證無人機在飛行過程中的定位，使其有效地應用于地質災害工作中，機身通常需要采用輕便的木質和碳纖維材質，使其適應地質災害的環境，完成調查任務[3]。飛控平臺外業數據采集時的相關信息如圖1所示。

圖1 飛控平臺外業數據采集時的相關信息

2.2 機載數字采集設備

地質災害應急搶險需要輕型無人機具有極大的測繪覆蓋范圍，同時也需要有較高的分辨率，以此全面地提取地質數據，以有效地滿足地質災害調查工作的要求。此外，圖像土壤分辨率也是影響無人機測繪技術在地質災害調查工作中準確性的原因。因此，也有必要提高無人機測繪的分辨率，這對采集數據的精度有很大影響。

2.3 控制系統

作為測繪無人機的心臟，測繪無人機的控制系統在地質災害調查中的應用效果有著非常大的影響。可以說，測繪無人機的應用效果直接取決于控制系統能否良好發揮作用。控制系統包含許多子系統，如驅動系統、監控系統和通信系統等。災害調查工作對無人機的各項功能綜合應用，以便實現對災區數據的采集、上傳、分析[4]。

3 無人機技術的優勢

隨著無人機技術的不斷發展，基于無人機的快速測繪技術優勢也越來越明顯。與傳統的測量方法相比，無人機的測量和測繪不僅可以有效擴大測繪范圍，而且有助于提高測繪的準確性和效率，降低測繪項目的成本，具有較高的應用價值。

3.1 擴大測量范圍

無人機技術在測繪項目中的應用改變了傳統的技術測量方法，有效擴大了技術測量的范圍，同時提高了測繪的質量和速度。無人機技術在測量和測繪技術中的應用使得能夠測量到難以到達的區域，且從無人機獲得的測量數據具有極高的準確度。因此，使用無人機進行技術測繪一方面可以有效提高測繪項目的質量和速度，另一方面可以有效提高測繪數據的準確性和可靠性。

3.2 提高測繪安全性

在傳統的測繪項目中，員工必須前往測繪現場進行實地勘查，地質災害搶險地區危險度較高，如果工作人員不充分了解周圍的地形條件，盲目開展測繪工作，很容易危及工作人員的安全。此外，如果發生突發性地質災害，工作人員使用傳統測量和繪圖方法進行測量工作，很有可能對周圍人員的生命安全產生負面影響。因此，加強無人機技術在測繪技術中的應用，可以有效提高外業測量、數據采集的安全性，促進我國地形測繪技術的發展。

3.3 降低測繪成本

工程測繪本身屬于一個大型項目，需要投入大量資金。過去工作人員需要購買許多專業設備和儀器來進行工程測繪，同時為了測量和記錄數據，工作人員需要將大量測量設備帶到使用地點，這必然會導致測繪工作成本的增加，給測繪項目帶來大量的負擔，同時也對工作人員的人身安全造成了一定威脅。通過將無人機技術應用于測繪項目，測繪人員可以輕松控制無人機從測量區域獲取信息，而無需前往現場進行實地測繪。因此，將無人機技術應用于測量和測繪技術，一方面可以降低測量和測繪技術的成本，并以較低的成本獲得較高收益，另一方面可以減少對測繪工程資金的占用。

3.4 數據處理效率高，操作靈敏

與傳統的測繪技術相比，無人機測繪能夠快速處理收集的數據，同時返回圖像的分辨率也能滿足行業要求。無人機本身具有操作靈敏度高的優點，這也體現在無人機測繪技術上，無人機可以在低空連續飛行，為人員留下足夠的操作空間，同時對起飛和著陸地點沒有硬性要求，測繪時工作人員能夠以各種方式自由起飛下降。而無人機的組成也非常簡單，這使其能夠以高度的靈活性輕松地安裝和拆卸各種組件。

3.5 工作效果好

無人機測繪的技術特點，使其可以顯著提高測繪工作的效果，同時也可以用于不同地形的測繪。其操縱過程也非常舒適，可以保質保量地完成測繪工作。此外，無人機還可以實時捕獲特定區域的圖像，為研究人員及時提供所需的數據，以確保其工作效率。

4 無人機測繪技術的應用

4.1 確定勘查區域和航線

根據目前的無人機飛行標準，大多數無人機的飛行時間相對較短，通常約為30 min。基于這種情況，有必要對機身進行有針對性的劃分，以使測量路線、飛行時間和飛行次數變得有意義和高效。如果測量區域較大，可將其劃分為多個部分，以便快速完成測量任務。此外，在進行空中記錄時，應盡可能根據記錄的實際區域確定路線，以避免重復拍攝。

4.2 獲取災情信息

結合基于無人機的快速測繪技術的高精度，使用特殊的數據采集設備可以實現對受災區域整體情況的構建，同時使用二維坐標進行校正，可以構建與實際測量區域對應三維模型，還原災害區域地質概況，將無人機在低空拍攝的圖像與恢復的地貌進行對比和詳盡分析。此外，三維模型的使用有助于無測量領域技術背景的技術人員或指揮官可視化地質災害現場情況，并為其決策做出數據支持。三維可視化模型如圖2所示。

圖2 內業處理的三維可視化模型

5 無人機技術的限制及提高應用質量的思考

5.1 無人機測繪技術的限制

無人機測繪技術在實際應用中受到了這幾個方面的限制：首先，山區的大多數地質災害發生地區都遠離機場，但是在無人機測繪之前應當通過當地地圖或遙感圖像確認，測繪地點最近飛機場的距離，以確保無人機安全落地。其次，距地面120 m以下是我國目前公認的安全飛行高度，地質災害應急搶險的測繪通常需要低于120 m的飛行高度。第三，如果地質災害發生在峽谷或對飛行器定位有強烈干擾的地點，應在飛行前上傳當地的影像圖片，并在起落位置保證信號強度。第四，無人機測繪結果受植被的影響較大，測繪結果應結合現場條件進行研究和評估。另外，就地質災害研究而言，測繪無人機的工作要求與一般無人機的要求不同。在地質災害研究中，測繪無人機需要修正能見度測量值，以獲得準確數據。目前有3種方法用于校正測繪無人機的數值，但這3種方法各有其特點，沒有一種校正取景側邊差的方法可以針對多種地質災害進行迭代計算，針對不同的地質災害需要使用不同的校正取景側邊差的方法，這會增加額外的計算并影響取景側邊差校正的速度。此外，使用測繪無人機時，航向應超過50%，旁向應超過15%，而飛行期間的旋偏角不應超過15°。

5.2 提升無人機技術應用質量的思考

5.2.1 校正無人機的參數

在地質風險研究過程中，糾正測繪無人機的參數會對測繪機的應用效率產生非常大影響。在校正測繪無人機時，可以通過了解獨立系統中的精確三維空間坐標來校正測繪無人機的參數。

5.2.2 改進曝光系統

對于地質災害的測量，測繪無人機在拍攝和采集數據的過程中，有必要使用等效曝光模式，即將測繪無人機留在預定位置，然后執行等距離控制曝光。為了使無人機在曝光過程中達到均勻曝光，需要使用測繪無人機中的定點曝光系統，以一定頻率控制測繪無人機發送信號，然后根據信號頻率計算時間，結合無人機的飛行速度，有效地計算出距離，然后根據一定的距離控制無人機的攝像設備進行曝光。通過控制曝光冗余，有效保證測繪無人機圖像的完整性，避免圖像缺漏，同時也避免了距離誤差，有效保證圖像的重疊度。

6 結束語

無人機技術目前在地質災害應急搶險中發揮著其及時、靈活、可視化高的優點，未來在保留無人機技術優點的基礎上，技術人員應改進無人機的缺點，實現技術創新，在地質災害搶險中更廣泛地應用無人機技術，以提高工作效率，降低工作強度，提高工作質量，更快、更靈活、更高效地開展地質災害搶險工作。