無人機航空三維傾斜攝影測量技術在地質災害中的應用研究

張琦 ZHANG Qi；聶金旺 NIE Jin-wang

（①西藏大學工學院，拉薩 850000；②西藏大學高原地表環境遙感監測聯合實驗室，拉薩 850000）

0 引言

中國地質災害點多面廣，且大多地處高位，對人們生活造成威脅的地質災害往往具有突發性，如山體崩塌、滑坡、泥石流[1]。傳統人工地質調查強度大、成本高且易受野外環境影響[2]。青藏高原山高坡陡，平均海拔4000m 以上，空氣稀薄，氣候條件惡劣，環境脆弱，傳統的地質調查方法在西藏地區更是難以開展[3]。且突發性地質災害大多伴隨著次生災害，因此為了保障作業人員的生命安全有必要采取新的災害調查方式對地質災害進行調查。

1 無人機攝影的優勢

近年來隨著傳感、遙感、飛控云臺、計算式視覺、圖像傳輸等相關技術的快速進步與完善，無人機的發展與應用也進入了快車道[4]。與傳統人工方法相比，無人機不需要進入危險區就能獲取相應災害影像資料，無人機因其具有安全性高，便攜、可操作性強以及成本低等優勢被廣泛應用于地質災害監測、地質災害災害搜救中，張建新等利用無人機對伊利谷地的滑坡地質災害進行監測，研究成果為當地的地質災害監測提供了參考[5]。2008年汶川地震，震區內無法通信且隨時可能會有余震以及其他次生災害的發生，這對搜救人員的人身安全造成了極大的威脅，何磊等通過實驗表明在災害應急和復雜地形下，無人機攝影測量技術可以為決策者提供第一手的資料[6]。無人機還被廣泛應用于農業生產[7]、森林病蟲害防治[8]、軍事[9]、測繪[10]等諸多學科領域中。

2 研究區概況

龐村滑坡位于西藏山南市隆子縣加玉鄉龐村加玉河右岸，龐村滑坡為一古滑坡，滑坡平均坡度為20°～40°，2019年4 月，因地震加上多日降雨原因，當地村民發現龐村滑坡出現大量裂縫，滑坡整體出現不穩定狀態[11]。居民區主要在滑坡前緣河流階地處。威脅戶數為90 戶共257人，威脅財產8481.26 萬元以上[12]，龐村地理位置如圖1所示。

圖1 龐村地理示意圖

3 外業采集

3.1 無人機飛行器選擇

無人機從驅動力上可分為電力驅動和燃油驅動兩種類型，燃油驅動相比電力驅動動力更足，穩定性更好、續航時間更長。青藏高原空氣稀薄，研究區平均海拔3500m，空氣相對密度約為平原的70%左右且隨著無人機不斷爬升空氣密度不斷減小，因此燃油無人機在青藏高原飛行存在著巨大的安全隱患。

無人機按照機翼的不同可分為固定翼、多旋翼和復合翼三類，固定翼無人機具有體積大抗風能力強、航測面積大、續航時間長、載荷大等特點，因此被廣泛應用于測繪、測量；但固定翼無人機起飛和降落需要一定的滑行跑道、復合翼無人機則不需要跑道就能實現起降，但兩者都不能懸停因此不能實現定點高精度拍照。相較于固定翼，多旋翼無人機具有起降方便、體積小、便攜性強，操作性強、學習成本低、可懸停拍照的特點，比較適合小范圍高精度測量，因此被廣泛用于災害監測中。

本次外業采集工作使用的無人機是大疆M300RTK搭載禪思P1 鏡頭對龐村滑坡區進行影像數據采集。

3.2 無人機防地飛行

無人機防地飛行即根據地形起伏調整飛行高度從而實現無人機重疊率、分辨率保持相同，使用無人機進行防地飛行時需注意無人機飛行旁向重疊率和航向重疊率設置，若重疊率過低則可能導致數據合成缺失或合成失敗。根據《低空數字航空攝影規范》，無人機航高公式如下：

H=f×GSD/α

式中：H—相對航高；f—攝像鏡頭焦距；GSD—影像地面分辨率；α—像元尺寸[13]。

在防地飛行中，攝像鏡頭焦距f 與像元尺寸α 是固定的，因此飛行高度H 越高，影像地面分辨率GSD 越大。

3.3 飛行注意事項

無人機起飛之前應檢查無人機電池是否安裝到位，無人機旋翼卡扣是否扣緊，檢查完畢之后再執行飛行任務，進行無人機外業采集工作時必須選擇晴朗天氣進行作業，風速過大會影響無人機的飛行安全，若存在云霧則會影響無人機的照片質量從而影響無人機空三建模；當外業數據采集完成后必須進行影像質量檢查，若影像質量出現問題則考慮補飛或重飛；無人機數據采集工作流程如圖2 所示。

圖2 無人機數據采集流程圖

4 內業處理

4.1 數據初始化處理

國內無人機內業處理常用的三維建模軟件有，瞰景Smart3D，Pix4Dmapper 以及Photoscan, 主流建模軟件為Smart3D 和Pix4D，目前這兩種軟件的精度已經符合《三維地理信息模型數據產品規范》Ⅰ級標準，可以應用到大部分實際生產項目中。Pix4D 和Smart3D 相比，Pix4D 更為簡便快捷，而Smart3D 處理穩定性好比較適合大型項目[14]。本次研究的滑坡區域面積較小整體面積約0.3km2[11]，因此本次內業處理軟件使用Pix4D，為了能準確清晰地識別滑坡位置以及滑坡大小，本次飛行面積共3.711，采集滑坡區484 張影像數據圖片，剔除成像不清晰及拍照測試照片后，將剩余影像導入Pix4D 軟件中，首先對數據進行初始化處理，初始化完成后對初始化過后的數據查看其質量報告，若沒問題則進行后續處理，若質量報告不過關則檢查數據后再進行上一步操作直至數據處理合格，使用Pix4D軟件對無人機影像進行內業處理，內業處理流程如圖3所示。

圖3 內業處理流程

影像初始化處理合格后得到龐村初始化影像圖，如圖4 所示。

圖4 龐村初始化影像圖

4.2 數據后處理

將初始化后的數據進行點云紋理處理及DSM、正射影像處理，處理完成之后剔除不必要的要素層，加入三角紋理要素層得到龐村滑坡三視地理模型，如圖5 所示。

圖5 龐村滑坡三視地理模型圖

在Pix4D 中選擇打開文件夾選項，將得到的DSM、和正射影像圖導入ArcGIS 中，對所得影像進行簡單裁剪，得到滑坡數字正射模型（DOM）、滑坡數字地表模型（DSM）及等高線模型，如圖6 所示。

圖6 數字正射模型、數字地表模型圖及等高線模型圖

5 結論與展望

①龐村滑坡為一古滑坡，滑坡威脅著加玉河右岸的居民區，使用無人機拍攝影像對研究區生成的DOM 和DEM模型可以清晰地看出地面植被生長情況從而達到對滑坡表面監測的效果；從等高線模型可以看出，滑坡等高線從下往上由稀疏到密集，由此得出該滑坡為凹形坡，針對人力無法到達的區域，坡型可以幫助決策者了解災害的情況以及次生災害發生的概率。

②使用無人機調查地質災害相較于人工調查而言具有安全性高、省時省力的特點，無人機飛行測量調查可以讓觀察者遠離災害發生區域，從而避免了次生災害對調查者生命安全所造成的威脅，對于環境條件惡劣的山區，人力難以到達，使用無人機飛行一旦觀測到地質災害隱患可以第一時間上報給有關部門，為災害防治以及疏散人群贏得寶貴的時間。

不足：本次龐村飛行僅使用了可見光鏡頭對滑坡進行影像數據采集，可見光只能觀察表面植被生長情況，因此本次研究只能依據植被生長情況對滑坡發育情況做出大致的判斷；如若需要對滑坡的微小形變進行分析則需要無人機搭載能穿透植被的雷達對滑坡進行掃描分析。