无人直升机遥感在华北平原地裂缝监测中的应用

无人直升机遥感在华北平原地裂缝监测中的应用

杨进生，郭颖平，盖利亚，王志宏，陈宗良

(中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

摘要：本文介绍了无人直升机遥感技术在华北地裂缝(隆尧段)调查中的应用，给出了低空遥感地裂缝信息采集技术框架，并通过从不同角度、不同高度空中摄影方案，展示了部分遥感监测影像。根据华北平原(隆尧段)地裂缝的发育特征、建立遥感解译标志，并对隆尧地裂缝遥感信息进行探索性提取。通过野外验证，监测效果良好。本文研究成果为在平原地区快速、大面积寻找和监测地裂缝提供了可行的低空遥感技术和方法参考。

关键词：低空高分辨率遥感；无人直升机；地裂缝；信息提取

doi:10.3969/j.issn.1000-3177.2015.01.011

中图分类号：TP79文献标识码：A

Application of Unmanned Helicopter Remote Sensing in Monitoring

Ground Fissure in North China Plain

YANG Jin-sheng，GUO Ying-ping，GAI Li-ya，WANG Zhi-hong，CHEN Zong-liang

(CentreforHydrogeologyandEnvironmentalGeologyCGS，Baoding071051)

Abstract：The paper presents the application of unmanned aerial vehicle remote sensing for ground fissure survey in the North China Plain (Longyao area)，and the framework of low altitude remote sensing information acquisition technology.It shows part of monitoring imagery from a variety of aerial photography at different angles and height.The remote sensing interpretation keys are established according to the characteristics of ground fissure in the North China Plain (Longyao area) for tentative extraction of remote sensing information on Longyao ground fissure.The monitoring results are validated through field survey.It provides a reference for low altitude remote sensing feasible technology and a method for quick searching and monitoring ground fissure by large area in plain areas.

Key words：low-altitude high-resolution remote sensing；unmanned helicopter；ground fissure；information extraction

1引言

现代地裂缝在世界许多国家普遍存在，已成为当今世界范围内的主要地质灾害之一[1]。随着社会经济建设的飞速发展，在华北平原，人类活动对地质环境的影响越来越大，使人们赖以生存的地质环境已经发生或将要发生深刻变化，在人类向地质环境无止境索取的同时，也导致了地质灾害的频繁发生。在上个世纪七十年代以前，除强烈地震引起的地裂缝、地面塌陷外，其他成因的地裂缝鲜有发生。可是从上个世纪八十年代后，尤其是进入本世纪初，人类活动致使地质环境发生变化，导致华北平原地裂缝、地面塌陷地质灾害日益严重，造成建筑物损坏、道路变形、管道破裂、农田破坏、农田开裂漏水等严重后果，制约了工农业生产、工程建设、城市规划、生命线工程和土地利用等发展国民经济的各项工作，成为亟待解决的城乡地质环境问题。地裂缝灾害给华北平原区域经济建设、社会稳定带来严重危害，直接威胁重大工程的实施和安全运行。

地裂缝是地表岩层、土体在自然因素或人为因素作用下，产生开裂并在地面形成一定长度和宽度裂缝的地质现象[2]。以往人们对地裂缝灾害的调查主要是开展工程地质勘查和地球物理勘查；国外在使用无人机进行灾害监测方面起步较早，经过长期应用与研究，取得了很好的效果。国内无人机地质灾害遥感监测在“5.12”汶川地震后有了迅猛的发展[3-11]，特别是近几年，无人机技术、传感器技术的提高，使视域广阔、分辨率高、快速监测地裂缝灾害成为现实。早期遥感监测地裂缝灾害主要是利用卫片进行信息提取，在特定的环境和条件下是可行的，但是对于那些裂缝较小，经常被岩土覆盖的裂缝，却是很难用常规遥感方法解译出来。低空遥感具有机动灵活、适时获取遥感信息的能力。本次华北地裂缝低空遥感监测研究选择河北省邢台市隆尧段示范区，前期收集了大量相关资料并进行了地面踏勘工作，根据当地地裂缝的发育特点和发育程度，选择适当的季节和时间，进行多角度、多分辨率的实验飞行，通过低空摄影技术、信息提取手段、建立地裂缝遥感解译标志，研究平原地区地裂缝遥感特征的表现形式，探索地裂缝低空遥感监测的技术方法，为今后开展地质灾害低空遥感监测、防灾减灾决策提供科学依据。

2研究区概况

河北省邢台市隆尧县地处滹沱河冲积扇西南缘，太行山前洪积—冲积倾斜平原的前缘。构造上属于邢台地堑区，构造线呈北东方向展布，内部发育有一系列断裂带。地貌上属于华北平原，地势西高东低，宣务山、尧山坐落西部，山地面积5.8km2。中东部地势平坦，土壤肥沃，适宜农作物种植。交通便利，京广铁路、京深高铁、107国道、京深高速、石安高速公路从西部境内穿过，祁南、内邢公路横跨东西。在1966年邢台大地震后，隆尧县各地多处出现地裂缝，对村庄房屋和田地破坏尤为明显，出现房屋开裂、道路塌陷和地层错动等现象。地裂缝信息有的区域地表表现形式较明显，出现破碎带、塌陷、裂缝、地表高低起伏不平，但有的区域地表缺少常见的表现形式，为隐伏地裂缝。地裂缝灾害的发生对农田建设、道路运行、人民的生产生活影响甚大。

3低空遥感平台

低空遥感平台(系统)由无人直升机飞行平台、任务设备(陀螺稳定吊舱和传感器)和测控地面(车)站组成，如图1所示。无人直升机遥感平台稳定，飞行速度慢，可低空飞行，适合大比例尺的航摄，陀螺稳定吊舱结合GPS，目标精确定位，可完成高精度摄影任务。

图1　无人直升机遥感平台

3.1飞行平台

无人直升机主要由机体、动力装置、遥控遥测分系统、自动驾驶分系统、陀螺稳定吊舱和传感器、测控地面站等部分构成，在发动机的驱动下使主旋翼转动，形成与空气的相对运动，产生向上升力将机身升起，利用复杂的机械操作，改变主桨及尾桨角度，完成直升机起降。

3.2陀螺稳定吊舱和传感器

陀螺稳定吊舱：采用三轴陀螺稳像隔振吊舱，可实现方位和俯仰两轴的陀螺稳像和横滚水平伺服调整；可以修正和补偿无人直升机平台的倾斜，使对地观测相机和摄像机处于监视状态或垂直向下状态，并借助方位和俯仰的陀螺稳定机构进行稳像，如图2所示。

图2　陀螺稳定吊舱和传感器

传感器：地质灾害遥感图像数据采集采用感光度和色彩深度好、存储量大的数码相机，广角镜头对焦至无穷远，以便获取高分辨率全色影像[12]。

3.3地面站

测控地面站安装在测控车上，主要由工控计算机、导航显示器、测控终端、内控键盘、外操纵器、不间断电源UPS、图像操纵器、硬盘刻录机、发电机、图像显示器等组成，实现航摄任务规划及完成无人直升机遥控、遥测、任务设备工作指令。

4遥感图像

4.1对地裂缝监测遥感图像的要求和预处理

低空遥感图像有效获取是地裂缝遥感监测成败的关键因素。遥感图像的分辨率直接影响地裂缝提取的效果。不同时相对地裂缝异常信息的显示有较大差异，利用地貌形态、地物阴影、洪水、霜雪、土壤湿度、植被、作物等种种标志，有利于解译出地面或地下裂缝的某些特征。植被、农作物覆盖度对地裂缝影像识别影响较大，所以获取低空遥感图像时尽量选择植被覆盖度较低或裂缝带出现局部塌陷(如雨后或小麦灌溉后)、作物生长初期进行遥感飞行为好。地裂缝低空遥感监测应适时获取高分辨率遥感图像，保证地裂缝遥感特征的最佳形态，能很好反映地裂缝信息异常。

鉴于此，2013年5月15日使用Z-3无人直升机遥感平台获取了华北地裂缝隆尧段的地裂缝遥感图像。在进行不同高度、不同角度飞行试验后，确定本次飞行设计无人直升机相对航高300m，预设航向重叠70%，旁向重叠度40%，飞行面积3km2，搭载镜头焦距为24mm的大面阵数码相机，获取影像地面分辨率为0.08m。

无人直升机飞行时的抖动会影响航摄遥感图像效果，需要对遥感图像图片进行必要的几何纠正。同时，拼接遥感图像形成灾区整体监测图，也需要一定的影像处理，如空中三角测量、DEM编辑、生成正射影像等[13]。

4.2地裂缝遥感图像的处理技术

4.2.1空间滤波

根据研究区地裂缝特征，结合遥感图像处理软件中的多种卷积滤波器对图像进行处理(默认3×3变换核)，处理结果如图3所示。对比分析发现，经过高通滤波处理后的影像，所有的边缘信息都得到了增强，同时也增加了噪声信息，不适合该影像的地裂缝特征提取[14]；低通滤波抑制了影像中的高频信息，但较好地反映了地裂缝信息。

图3　不同空间滤波器的处理结果

在此基础上，采用低通滤波器中3×3、7×7、11×11、13×13等不同变换核对数据进行处理(图4)，通过对比，3×3变换核能较好地提取地裂缝信息。

图4　不同变换核的低通滤波

图5　其他图像处理方法效果

4.2.2其他图像增强处理

根据对研究区的实地调查，发现研究区的地裂缝整体上呈现为一条不连续曲线。为了更好地表达和提取地裂缝的特征信息，通过纹理信息提取、主成分变换、形态学滤波和去相关变换对实验区影像数据进行了处理[15]。对比发现，主成分变化可以较为清晰地解译出裂隙的位置及曲线形态分布，水平方向类似地裂缝信息，容易分析确定为田间地垄；纹理提取易受到道路以及建筑物等的干扰，提取效果一般；形态学滤波在此提取效果不明显，与原始影像差别不大；相对于主成分变化的处理结果，去相关变换效果相对较弱。

通过信息提取后，地裂缝信息十分明显，且地裂缝方向性和影响区域清楚。

5地裂缝遥感图像特征分析

隆尧县1966年邢台地震处于6.8级震中位置，地震发生时除有大面积地区喷砂冒水外，也产生大量的地裂缝，大部分地裂缝闭合后基本不再开裂。周村—西店子一线地裂缝至今仍在活动，在隆尧县城南附近地表有断续出露发育痕迹出现，是华北平原最大的地裂缝。该段地层主要为耕植土、粉土和粉质粘土组成，古河道较为发育，大致呈SN方向，在这个方向上地表水的垂直渗透作用较强，水的冲刷、潜蚀与搬运作用强烈[16]。该区地表作物主要以小麦和玉米为主，在作物生长初期他的生长状态与灌溉后的水土保持有必然的联系，在地裂缝发育带上，由于灌溉水分沿裂缝流失，致使小麦等作物生长稀疏，在高分辨率遥感图像上表现出秃斑状；雨后出现发育带上的塌陷，表现为有规律的塌陷坑，公路上由于裂缝的作用，地面出现破碎现象；以地裂缝条带为界，地势总体表现为南低北高(图6)。地裂缝条带在遥感图像上具有平直和弯曲的线性特征(图7)。

图6　解译特征

图7　地裂缝遥感异常监测图

6结束语

试验结果表明，在具备可反映地裂缝信息异常的情况下，选择合适时间、飞行高度，低空遥感在地裂缝监测中能快速获取地裂缝遥感信息，并通过信息提取技术，能很好地监测地裂缝在地表的地质现象表露特征。利用低空遥感技术进行地裂缝调查，能够快速、有效地为寻找地裂缝提供技术和方法指导，减少野外地面调查的盲目性，对减少地裂缝带来损害具有重要的社会经济意义。

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