浅谈无人机在地质灾害应急调查中的应用

张翊超　于淼　韩建超

摘 要：通过对北京市怀柔区四渡河滑坡点及密云区大石地崩塌点的应用模拟试验，分析了多旋翼无人机在地 质灾害应急调查中的使用方法和无人机建模软件基本功能及其相关使用技巧，并探讨如何利用現有软件中的相关功能对无人机影像数据及其三维模型进行案例分析，为无人机在地质灾害应急调查中的应用提供实际案例，以期为无人机开发更多的软件和功能将其更充分的利用到地质灾害应急调查或地质灾害常规调查中，也为无人机地灾调查应用体系的建立提供更多的素材。

关键词：地质灾害;无人机;崩塌;滑坡;三维模型

中图分类号：P5;P231    文献标识码：A   文章编号：1007-1903（2019）04-0096-04

Abstract： Through the application simulation test of Siduhe landslide point in Huanrou District and Dashidi collapse point in Miyun District， Beijing， this paper analyzes the application method of multi-rotor UAV （unmanned aerial vehicle） in emergency investigation of geological disasters， the basic function of UAV modeling software and related application skills. In order to provide practical cases for the application of UAV in emergency investigation of geological disasters， this paper also discusses how to use relevant functions in existing software to analyze UAV image data and its 3D model. We expect to provide more materials to develop more software and functions， to make full use of geological disaster emergency investigation or traditional geological disaster investigation， and to enrich the application system of UAV for ground disaster investigation.

Keywords： Geological disaster; UAV; Collapse; Landslide; 3D model

0 引言

应急调查是地质灾害应急处置的首要和基础环节（刘传正，2006），其通过快速查明地质灾害体的地质结构和环境条件为地质灾害应急处置提供科学依据，因此在有限的时间内准确了解到地质体的状态是应急调查的第一要务，而数码摄影技术一直是应急调查的重要手段。近年来，数码摄影发展迅速，从最早的百万像素的单反数码相机发展到现在的微型千万像素数码相机，设备向微型、高清发展，目前已完全实现了无人机的机载需求。无人机凭借其结构简单、成本低、风险小、灵活机动、实时性强等独特优势（李德仁等，2014），在灾害发生前或发生后完全可以在应急调查中随车、随身携带，迅速到达灾害现场。目前国内较为前沿的无人机折叠后仅比手掌稍大，可飞行距离达到了5km，并可提供飞行实时高清影像。无人机在地质行业尤其是地质灾害方向的应用已有很大进展，并形成了很多成功案例，但由于缺乏系统总结，无人机在地质灾害应急调查中的应用还处在探讨阶段。本文利用已知案例分析无人机在地质灾害应急调查中应用方法并探讨建立无人机在地质灾害应急调查中的应用体系。

1 无人机的分类及其在调查中的应用方式

无人机经过多年的技术更新，分为固定翼、直升机、多旋翼以及垂直起降等类型，其中多旋翼无人机具有稳定度高，体积小、易携带，起飞降落点对环境要求较低等特点。

多旋翼无人机在地质灾害应急调查中通过进行低空近距离调查拍摄，扫面拍摄建立三维点云模型等工作对难以靠近的灾害隐患位置进行详细观测，并可在短时间内完成小范围点云模型的建立。2019年北京市的地质灾害隐患点共计5037个，小型隐患4920个，中大型117个，特点是分布广，易发性高、灾害规模小。部分灾害点坡度陡，植被少，人员较难攀爬，调查难度较大，多旋翼无人机在北京的地质灾害应急调查中应得到充分的利用。

目前北京市内的山体大部分植被茂密，如拍摄距离过高，地表植被等因素对所成影像干扰较大。所以在无人机飞行时要求无人机驾驶员具有较高操作能力，可驾驶无人机对干扰元素进行适当规避，并对所需地表灾害特征进行拍摄，所拍摄特征照片应既有灾害点特征位置的局部特写，还要在较高角度对灾害体周边的地物进行较为整体全面的拍摄。

在突发地质灾害应急调查中，无人机应起到在先行者的功能，首先根据需要通过无人机对灾害体以及地面受灾范围进行拍照并根据地物对比进行损失调查及估算。而后应对灾害发生部位进行近距离拍摄及直接观察，并进行评估，确定是否仍有发生二次灾害的隐患（图1）。（刘传正，2017）

2 无人机应急调查方法

在突发地质灾害调查中无人机的主要优势是视角高，自由度高，所获取影像清晰度高，在滑坡、泥石流、崩塌3种类型的地质灾害的应急调查中应用不同的方法进行调查分析。

无人机对于小型滑坡、崩塌这两种地质灾害的灾前调查和灾后评估有较大的适用性，尤其适合北方地区干旱少雨的气候，小型崩塌常见，且部分位于较陡峭的岩壁难于实地调查。在发生岩体蠕变的前期，应先进行无人机调查，对灾害体有预先的估计，以制定临时避险措施。在灾害发生后无人机也可做先期的调查，以减少二次灾害对现场人员的威胁。

对于大型滑坡、泥石流等覆盖面积较大的地质灾害无人机的应急调查主要体现在对人员、财产损失的发现和计算，可利用飞行的高视角帮助受困群群众寻找临时避险场地，可以用較快速度对灾害体进行建模，分析灾害成因，避免二次灾害的发生。

3 无人机使用限制及注意事项

通过调研和实践，本文认为无人机使用限制及注意事项主要体现在以下3个方面：

（1）山区地质灾害发生地大部分都远离机场，但进行飞行前应参考当地地图或者遥感图像，确认最近飞机场的距离，保证安全距离。

（2）对地质灾害特征的拍摄大多不需要距地面120m以上的飞行高度，距地面120m以下是目前国内通用航空对无人机视距内驾驶公认的较为安全的飞行高度，所以应尽量保持飞行器在较低空飞行。

（3）对发生在峡谷中的地质灾害，或发生地点存在对飞行设备的通信、GPS信号产生影响的干扰源，应在飞行前下载卫星图像，并保证起飞位置的GPS信号强度。

4 无人机的应用实例

在一般的突发地质灾害调查工作中携带的无人机应以便携易用、续航时间、拍摄效果作为选择的重要依据（马娟等，2019），目前市面上可选择的无人机种类较多，大疆公司的精灵及御系列有成本低、飞行安全系数高、易用性高等特点，可在大部分条件下正常起飞。目前较为前沿的设备型号是精灵系列的PHANTOM 4 PRO RTK以及御 Mavic Pro 2系列。二者皆可进行长达30分钟，范围5km内，高度500m的飞行，并对目标点进行4k（3840×2160）30p/s的视频拍摄或者拍摄5472×3648的静态图像。御系列的特点是更为便携，可以作为随身设备使用;精灵系列的RTK版本是一款针对测绘研发的无人机，所以可在三维建模时生产更高的精度的模型。

4.1 四渡河滑坡

2019年7月笔者对怀柔四渡河已知滑坡点进行航拍调查，该滑坡为一小型岩质滑坡，整体呈等腰三角形，该滑坡被岩石节理裂隙切割，下部可见两个小型次级滑坡，且滑坡表层第四纪地层在图像中可明显观测到滑坡后缘裂缝，以及滑坡形态。相对于传统调查，可更好的判断灾害体类型。根据无人机所拍摄图像可确定该滑坡向为一小型岩质滑坡，坡向45°。滑坡体两翼为两条张性裂缝（图2），走向分别为240°、300°根据自然物尺寸（树木底冠约2m）可量算该滑坡前缘长120m;两翼各长100m，宽约0.4～0.8m，深约2～3m。并在滑坡体下部形成两个小型次级滑坡体。滑坡体滑动之后前缘与地面以及所修建的浆砌石挡墙形成新的稳态，所以推测该滑坡目前较为稳定，危险性较小。

4.2 大石地崩塌隐患体

密云石城镇四合堂村大石地崩塌隐患为岩质高陡边坡，坡高约60～70m，坡向140°～200°，坡度约60°～80°，人员攀登难度较大，且不能全面的掌握所有崩塌隐患体的特征，初期调查应用了三维激光扫描技术，采用专项地质调查、水工环调查等手段对崩塌体进行研究，其结果并不能完全反应崩塌体特征及地貌。应用无人机对崩塌隐患区域隐患点或灾害点进行调查之后可对目标及受影响对象进行航线拍摄，应用Dpgrid、pix4d等软件进行三维建模。建立点云数据，根据三维建模可确定灾害体影响范围及研判灾害发展趋势，并可根据三维建模点云较为准确的对一些所需信息进行采集与计算（图3）。

目前，应用pix4d和Dpgrid两款软件均可对目标地区进行航拍建模，pix4d软件由瑞典pix4d公司基于EPFL（瑞士洛桑联邦理工学院） 计算机视觉实验室多年研究成果开发，较为易用，操作简便，但对于成果的输出较为封闭。且支持应用较少。Dpgrid软件由国内武汉大学研制，功能较多，但操作较为繁琐。

5 结论及展望

（1）无人机作为一种新的工具在地质灾害的调查以及应急方面前景广阔，目前在测量方面应用较多，后期软件针对性较差，目前仅能应用测量系统的相关软件进行拓展使用。

（2）根据目前的成果，可以预期通过遥感信息提取技术与地质灾害分析相结合，开发新的无人机地质灾害调查软件，加强时效性以及缩小误差，对地质灾害调查的工作具有重要意义。

（3）无人机对地质灾害的调查受植被影响较大，是目前急需解决的问题之一，通过被动光源的应用能够对部分地质体形态特征进行建模，但被植被覆盖的地表信息，很难获得数据，对无人机的应用有很大影响。

参考文献

刘传正， 2006. 重大突发地质灾害应急处置的基本问题[J]. 自然灾害学报， 15（3）： 24-30.

刘传正， 陈红旗， 韩冰， 等， 2010. 重大地质灾害应急响应技术支撑体系研究[J]. 地质通报， 29（1）： 147-156.

刘传正， 2017. 论地质灾害风险识别问题[J]. 水文地质工程地质， 44（4）：1-7.

马娟，张鸣之， 韩冰， 等， 2019. 地质灾害无人机调查数据管理云平台建设[J]. 中国地质灾害与防治学报， 30（1）： 101-105.

李德仁， 李明， 2014. 无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J]. 武汉大学学报（信息科学版）， 39（5）： 503-513，540.