地质灾害应急测绘中无人机航测技术应用_贺昆霖.pdf

LOW CARBON WORLD 2022/11地质灾害应急测绘中无人机航测技术应用贺昆霖（湖南省自然资源调查所，湖南 怀化 418000）【摘要】由于地质灾害现象的频繁发生，无人机航测技术得到了较大范围的应用，尤其在处理突发性地质灾害应急工作中凸显出不可替代的作用。为此，对无人机航测技术的应急测绘特点进行简单介绍，并对应急测绘的应用进行具体描述，结合实际地质灾害案例进一步说明无人机航测技术在地质灾害应急测绘中的重要性，以期为相关技术应用提供支持。【关键词】地质灾害；应急测绘；无人机航测技术；应用【中图分类号】P231【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2022）11-0064-030引言地质灾害的产生原因是地质环境或地质动力活状态的不正常变化而发生的自然灾害，如泥石流、山体滑坡/崩塌、地裂缝、地面塌陷、地面沉降等现象。地质灾害具有突发性，容易危及人们的人身财产安全和严重破坏自然环境。发生地质灾害后，及时、安全以及有效的救援工作将大大降低死亡概率，同时还会有效提高当地政府在群众中的地位。在实施救援之前，人工获悉灾区详细情况的工作方法效率低，并且具有一定的限制，还可能会发生二次伤害的隐患。而无人机技术的研发与应用，不但解决了以上问题，而且能够全面的迅速生成实景模拟图，为救援工作的顺利开展提供真实可靠技术支撑。1应急测绘中无人机航测技术的特点无人机航测技术具有科学性，其在应急测绘领域的应用能够保障地质灾害相关数据更加准确，并且所绘图片清晰可辨。此外，其在军事领域与电影行业中的应用也更加频繁，能够实现俯视拍摄，直观展现画面与角度。在地质灾害应急测绘作业中，无人机航拍技术能够更加准确地采集到当前状况，为救援工作做出较大贡献。通常无人机的最高高度能够控制在 750 m，易于操作，任意调控飞行的方向与高度，而且具有较高的效率，到达设定的目的地后，会实时将拍摄的画面传送至电脑端，方便地面工作者立即获知灾区的情况。无人机拍摄具有诸多功能，且像素比较清晰，可对地质灾害的整个过程进行高清记录。此外，无人机设计的是无死角摄像头，转动方向灵活，可以根据想要拍摄的画面去任意调整摄像头角度。其还具有较高的安全性，无须专人驾驶，远程操控即可获取现场状况。无人机还具有体积较小、省时省力的特点1。2无人机航测技术的系统组成与作用2.1系统组成无人机航测技术由遥感信息采集系统与处理系统组成。其中，遥感信息采集系统的主要构成包括以下 3 种：飞行控制系统。飞行控制系统分为自动飞行控制与人工控制指令两种，自动飞行控制可以对指令进行自动控制；人工控制指令是指通过人工发出指令来实现信号的快速定位，捕捉一系列飞行器的实时状况，此外，其还可以通过数字化来监控无人机，使其以最快的速度采集任务信息。无人机遥感平台。其依靠航空数码相机以及惯性测量、全球定位与通信等先进技术，确保航空拍摄效果的智能性与自动化，为掌握自然灾害和实时环境节省了大量时间。地面监控系统。该系统的操作是在地面上完成的，主要设备有电源、监控软件、便携式计算机与天线等，各个系统之间联系密切，可以在系统中直接实现对数据的设置，科学设定飞行参数，还可以实现导航方式的自由选择。2.2无人机航测的成果应用无人机航测技术进行应急测绘后，最终取得的成果包括监控视频、全景影像、数字地表模型、数字正射影像以及实景三维模型等。在实际的救援工作中，无人机航测的成果具有使用价值，并且能够实现实时获取。实景三维模型与数字正射影像都具备测量功能，在发生地质灾害的时候，其可以科学地低碳技术64DOI:10.16844/10-1007/tk.2022.11.030LOW CARBON WORLD 2022/11测量与分析灾情对周围面积的影响，也可以有效预测到二次灾害可能发生的时间与影响规模，还可以准确评估发生的概率与波及范围。无人机所生成的数字正射影像主要是通过固定翼无人机得出的，经过微分纠正与空三加密，再结合影像处理软件进行适当处理。通过五镜头多旋翼无人机进行拍摄，通过倾斜摄影三维软件做空三加密以及模型重构，经过精修后即可生成实景三维模型，建模流程如图 1 所示。3地质灾害应急测绘中无人机航拍技术的具体应用3.1制定应急预案为了确保能够快速且高效地开展应急测绘工作，需要根据现场的环境、设备以及人员配备等方面制定应急预案，确保所制定的应急预案涵盖无人机与紧急情况解决措施、应急人员操作手册以及相应的岗位职责等，并需要结合现场实际情况的变化更新应急预案，组织应急模拟训练活动，确保应急救援工作中，应急预案工作人员与设施符合相关标准2。3.2数据采集流程在实际应用无人机航测技术时，为了确保采集到的数据具有较高的精度，需要进行野外布设与采集像控点，然后再规划测区探勘航线，其主要目的在于准确地处理航测数据并对其精度进行验证。无人机数据采集流程如图 2 所示。3.3应急航摄开展应急航摄操作的前提条件是具有明确的工作目标，因此在规划航线过程中，需要全面了解地质灾害区域的具体情况与精确的数据，其关键在于确定灾害点的中心位置。一般而言，地质灾害点的位置都是发生在丘陵或者山区，无人机搭载的航摄仪不具备足够的画幅，并且还会限制航线规划高度，导致航片在投影中出现较大的偏差，或者位于航片边缘处收到的影像质量效果差，所以在设计航线工作中，所规划的重点灾区应该避开丘陵或者山区两条航线，拍摄前要对重点灾害区域航线进行加密，或者对部分架构航线进行规划3。在应急测绘中进行倾斜摄影时，由于普通的五镜头倾斜相机比较重，无人机续航时间就会缩短。如果出现大面积的地质灾害情况，飞行架次可能会增加，加之所采集的数据信息比较繁杂，将会耗费较长的航测时间。因此在摄像采集设计中可使用单镜头轻量级多旋翼无人机，不仅能够确保航片具有一定的重叠度，还方便操作人员手控无人机采用“刷面”航拍的方法去完成数据的采集工作。多旋翼无人机航线如图 3 所示。3.4应急处理数据在应急处理无人机数据之前，需要通过检查无人机航摄数据的质量、对航片进行匀色、将重叠度进行抽稀等一系列预处理工作，保证所采集的数据全面覆盖重点区域。由于需要实施救援的地区有可能存在不能正常供电，数据处理设备无法安装等，所以在航摄作业中需要尽量减少数据的采集量。采用快速拼接软件对影像数据做自动化拼接处理，现场采集相片控制点或者通过基础地理信息数据纠正采集影像的坐标，并经过裁剪快拼影像，完成数字正射影像（digital orthophoto map,DOM）成果图的制作。DOM图3多旋翼无人机航线图1实景三维模型建模流程无人机航摄与控制测量自动空三加密技术自动摄像密集匹配纹理映射实景三维模型重构图2无人机数据采集流程测区资料收集与整理测区踏勘航线规划设定无人机参数校准区域磁场飞行检查采集数据低碳技术65LOW CARBON WORLD 2022/11快速处理数据流程如图 4 所示。在实施应急构建倾斜摄影的模块中，由于构建实景三维模型需要花费较长时间，所以需要对涉及重点地区的航片进行逐个处理。将灾区整个数据进行分块处理后再进行拼接4。若所涉及的数据较多，需要降低灾区非重点地区的分辨率，从而有效提升建模速度。分割建模如图 5 所示。4实际案例案例发生在 2020 年 5 月 10 日，某地一处山区出现山体滑坡地质灾害，塌方量约为 45 万 m3，影响到周边多幢楼房，并造成一定的人员伤亡。当地救援部门立即启动应急预案，对灾区实施应急测绘，主要内容包括采集与制作灾区的影响正面图与倾斜摄影实景三维模型、对灾区进行实景拍摄等。4.1应急测绘本次地质灾害所涉及的位置较为复杂，在设备的配备上主要包括电动固定翼无人机一架、多旋翼无人机 3 架、高性能台式工作站以及高性能笔记本工作站等。此次灾害的分布面积形状为面型，重点救援的地理位置为滑坡底部，需要大量的作业人员，但是在救援期间，可能会发生山体再次滑坡的情况，所以此次应急航测重点位置在山体顶部。在进行规划航线的过程中，山体顶部的重叠度增大，通过设置交叉航线，尽可能采集山体顶部情况，从而便于工作人员对灾区具体面积以及所涉及的土石方量予以精确计算。完成数据采集工作后，采用 SMART 3D 软件处理所采集到的图像，集中全部台式工作站以及笔记本工作站建成局域网进行综合处理，从而快速生成灾区正射影像图5。4.2成果图测绘此次山体滑坡地质灾害应急测绘工作通过无人机采集数据、影像，固定翼无人机采集 8 950 张图像，多旋翼无人机采集 1 286 张图像，拍摄的图像所涉及的范围全面准确地覆盖了灾区的面积。并且采用交叉拍摄的方式对重点区域进行数据采集，所得影像分辨率较高，覆盖率符合预期标准。为救灾指挥中心开展救援工作提供了及时准确的数据，使其节省了大量时间、精力、人力与物力。5结语总而言之，无人机航测技术在地质灾害事故中具有较高的应用价值。本文结合实际案例，对无人机实施应急航测工作的具体功能与操作顺序进行描述，对信息的提取、处理与成像等方面进行逐个叙述，以期为相关研究人员提供一定的参考。参考文献1 康尘云.基于正射影像的危岩体特征获取、稳定性计算和运动学模拟J.工程建设与设计，2022（15）：49-52.2 张华平，刘湘媛.遥感影像技术在地质灾害应急测绘服务中的应用研究J.中国金属通报，2021（24）：146-148.3 刘欣，李胜，梁婷，等.浅析无人机航测技术在地质灾害应急测绘中的应用J.江西建材，2021（10）：95-96，98.4 刘建勋.无人机航测技术在地质灾害应急测绘中的研究与应用：以 6.16 太原山体滑坡应急测绘为例J.世界有色金属，2020（19）：125-126.5 何敬，唐川，王帅永，等.无人机影像在地质灾害调查中的应用J.测绘工程，2017，26（5）：40-45.作者简介：贺昆霖（1990），男，汉族，湖南怀化人，本科，工程师，主要从事地形测绘、变形监测、地理信息等测绘工作。图5分割建模图4 DOM快速处理数据流程应急任务分析航摄采集控制测量/地形数据搜集航片匀色航片抽稀影像块快速拼接坐标纠正裁剪整饰DOM 成果低碳技术66