无人机倾斜摄影测量技术在地质灾害监测中的应用研究

辛成章

（甘肃省地质矿产勘查开发局测绘勘查院，甘肃 兰州 730060）

在调查地质灾害的过程中，有必要对该地区的水文、气象和岩层数据进行全面的测量和分析，以确定地质特征的稳定性和发展，评估地质灾害风险并提供预防未来地质灾害的参考依据。无人机倾斜摄影测量技术是近年来出现的一项新技术，通过将传统航空摄影与三维地面摄影相结合，可以实现全向和多角度成像效果，从而避免了传统正射存在的不足，对真实地理情况进行全面反映。

1 无人机倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影测量技术可以从不同的角度获取飞行信息数据，并且还可以区分正面图像和侧面图像。通过完全交叉使用不同的摄影镜头，可以从不同角度收集数据。无人机倾斜摄影测量技术在地质灾害监测中的应用具有较大的优势，比如成本低、效益高、操作灵活性强、测量精度高且不容易受到干扰。借助无人机倾斜摄影测量技术，可以获得更清晰的图像数据，通过这些数据可以构建更为精准的三维模型，改变传统摄影成像和制图技术的存在的不足，且由于体积较少可以广泛的应用于各种场景中。近年来，无人机倾斜摄影测量技术已广泛应用于文物和建筑保护、园林绿化、智能城市等领域[1]。

2 无人机倾斜摄影测量技术在地质灾害监测中的主要作用

2.1 实时采集图像

发生地质灾害时，调查人员通常无法联系到受害者或者直接到灾害区域进行调查。此时，应用无人机倾斜摄影测量技术可以将无人机引导到灾区，并将实时图像传输回后方指挥中心，以便灾难专家可以根据图像及时了解地质情况，并在图像分析的基础上制定地质灾害防治措施。

2.2 正射影像

监测地质灾害通常要覆盖大面积，传统的调查工作需要花费大量时间和精力，且容易出现监测不全面的问题。正射影像是覆盖整个调查区域的真实，客观的全场图像，并且测量图像经过校正和处理后精度非常高，不仅包含细节，还反映了整个情况。

2.3 三维模型

与正射影像相比，在三维模型中使用倾斜摄影以不同角度（例如垂直和倾斜）捕获图像数据，使信息更加完整和准确。还可以更直观地从各个角度观察灾难，并放大各个区域的测量长度、高度差、坡度、面积、坐标等。丰富了地质灾害研究的内容并扩大了范围。三维模型在地质灾害调查中的应用可以使外行更直观、更容易掌握地质灾难情况，为决策和部署提供了保证。

2.4 线性地形图

线性地形图是调查地质灾害的基础。传统的地形图测绘中通常具有地形困难和地质灾害地区交通不便的特点。不仅操作复杂、投资大、周期长，而且只能设置一种测绘比例尺。无人机倾斜摄影测量技术在地质灾害监测根据需要，将正射影像和三维模型可以基于比例线快速创建各种地形图，以更好地满足调查地质灾害时的地图需求[2-4]。

3 无人机倾斜摄影测量技术在常见地质灾害监测中的应用流程

地质灾害是灾难性的表现，由于各种原因影响人们的生产和生活。泥石流、山体滑坡、地震和其他自然灾害等都属于地质灾害的范畴，会极大的威胁人们的生产生活以及生命安全。因此需要对地质灾害进行针对性的监测并进行治理，以保证人民的生命安装与正常生活。针对各种不同的自然灾害，应针对性的采取合理的对策，以确保正常生产生活活动的进程。日常生活中，较为常见的地质灾害是洪水和山体滑坡，洪水大部分情况下是由于暴雨引起，如果控制不当将造成极大的危害。洪水灾害不仅会毁坏基础设施等，而且可靠导致土地被淹等严重后果。滑坡也多是由于暴雨引起的，造成山体沿着山坡倾斜活动，并造成极大的危害。此外，其他的地质灾害诸如地震之类的也会造成巨大的损失和危害，因此地质灾害监测非常重要。无人机倾斜摄影测量技术在常见地质灾害监测中主要的应用流程如下：

（1）在突发地质灾害发生时立即调查灾区的具体位置，充分了解灾区各种信息和数据的反馈，然后对灾区进行有关无人机飞行环境的分析，保证飞行条件的信息准确，尤其是气候情况，比如恶劣天气，例如风、云、雨和雪多等，以确保所有基本信息准确无误并确保无人机安全飞行。

（2）在确定灾难发生的确切区域之后，开始拟定详细的计划飞行路线，特别注意计算飞行高度和无人机的轨迹，传输模型建立在地面信息塔上。通常，无人机的飞行高度为60m～1000m，速度为80km/h～150km/h。

（3）设置飞行路径后，将飞行路径信息输入中控台，然后将指令信号发送至无人机。无人机收到信号后，可以通过短距离飞行，人工投射等方式起飞；无人机可以根据给定的轨迹飞行。

（4）数据收集与处理是无人机倾斜摄影测量技术在地质灾害监测中的应用的核心流程。主要如下：研究人员首先在受地质灾害影响的地区进行了实地研究。控制点位于调查区域的四个角，使用GNSSRTK系统获取控制点的CGCS2000坐标，并使用精化的水准面模型获取控制点的高程基准。一般发生地质灾害的地区环境复杂，能见度很差，存在很多塌陷区，并且随时都有危险，这使现场研究严重复杂化。在难以手动获取第一手信息的复杂情况下，无人机倾斜摄影测量技术可以帮助解决问题。

（5）获取数据后要进行空三加密，一般由ContextCapture软件自动完成。首先，ContextCapture软件使用正射图像和倾斜图像的POS信息对控制点数据执行空三融合处理。在对区域网络进行总体调整之后，可以将来自多个视点的图像密集匹配，以生成超高密度数字点云。通过创建密集点云，建立三维TIN模型和自动处理纹理这三个阶段的结果，创建测量区域场景的三维真实模型。整个过程仅需一名测绘人员和计算机进行工作，工作效率和以达到每天处理0.06平方公里的三维模型。而且如果要进行大范围的测绘，可以并行使用多个节点以加快模拟速度。结果输出的速度取决于计算机处理节点的数量，测量区域的大小和摄影图像的大小。

（6）对模型进行后处理时，由于获得了密集的三维点云，因此可以生成数字高程模型DEM，然后将其下视图像组合以创建正射DOM。另外，可以使用DP-Modeler模型后处理程序进一步处理模型。DP-Modeler是由精确的单体建模和网格修改软件。通过独特的摄影测量算法，支持航空摄影、地面图像、激光点云等多个数据源的集成，并且可以实现空地集成操作。预处理三维航拍数据并自动创建三维模型后，后处理地形图，航测输出的DEM、DOM以确定路线规划时，导入DP-Modeler软件，可以直接使用其模型上的测图模块以数字方式收集完整的地形特征。计算机自动收集有关模型表面高度的信息，并最终通过手动修改获得比例尺地形图。无人机倾斜摄影测量技术可以构建出灾害区域真实的三维场景实现，了灾害区域场景的360度显示，方便从不同角度观察和分析自然灾害的特征，并解释有地质灾害的大小、分布、威胁范围和其他信息。借助软件的测量功能，将大大提高测量效率和准确性。

4 无人机倾斜摄影测量技术在地质灾害监测中的应用

发生地质灾害后，可以使用无人机倾斜摄影测量技术分析地质灾害的成因，并通过遥感，地面勘测等方法获取地质灾害数据的内容，以弄清该地区的水文、气象、岩石等相关数据。分析地质灾害的风险，对灾害进行分类，提供适当的防灾技术，并观察地质灾害的动态或异常的地质变化。无人机沿着固定的路线飞行并从不同角度获取图像，因此它可以观察更清晰的高分辨率图像类型，定位灾难现场并生成真实的三维模型。

4.1 实施快速调查和制图

与传统的测量和制图形式相比，使用无人机倾斜摄影测量技术进行测量和制图可以使其更灵活、更易操作。无人机飞行时，速度很高且周期较短，可以快速拍摄所需的照片并在短时间内重复拍摄。这种监测方法可以极大提高监测效率并动态跟踪灾害的实时情况，最大程度地减少灾害带来的的影响。例如，带有六旋翼的无人机可以达到每秒71次的拍摄速度，其精度可以达到40mm。此外，无人机（UAV）效率很高，操作人员只需接受简短培训即可有效执行测量和制图任务。就测绘效率而言，如果飞行时间为7min，则可以获得100000m2的测绘面积，在拍摄和制图精度方面，精度可以达到40mm，且可以直接观察图像以了解拍摄和制图情况。另外，通过执行分析和综合数据等操作，可以使用计算机从上方和下方观察灾区，然后从不同角度了解灾区的情况，从而为灾后救援工作开展和制定应对计划提供可靠的依据。

4.2 在监测地质灾害中的应用

在监测地质灾害时，无人机倾斜摄影测量图像可以显示各种地质灾害的各种因素，例如形状、颜色等，并且可以清楚地看出这些因素与地质灾害周围环境的特征不同。遥感影像图中呈现的某些地质灾害的异常情况可以提供对地质灾害的初步监测，从而有助于通过对灾区进行详细的灾难现场调查来进行详细的监测。比如，以滑坡地质灾害为例分析使用无人机的倾斜摄影测量图像对此类地质灾害的监测。

当监测与滑坡有关的地质灾害时，倾斜摄影测量图像可以通过遥感图像中的滑坡的质地、形状和颜色来解释灾害，以获得诸如位置之类的物理特征以及灾难的规模。假设当监测与黄土高原区域滑坡有关的地质灾害时，使用无人机倾斜摄影测量图技术可以从遥感数据中解释滑坡体的形状和特征。对于黄土高原，可以清楚地看到滑坡具有特征，很容易确定灾害边界。此外，无人机倾斜摄影测量技术还可以显示由山体滑坡形成的陡峭的山脊、地形和变色线，从而为与山体滑坡有关的地质灾害的监测和救援提供数据支持。

4.3 在地质灾害监测调查和评估中的应用

在监测地质灾害中，使用无人机倾斜摄影测量技术可以获取目标图像数据，然后通过提取目标地质状态的平面和三维图像，可以充分反映地质灾害区的地貌。当使用无人机倾斜摄影测量技术估算地质灾害的严重程度时，这些图像可以用作相关数据的主要来源。然后，根据地质灾害地区的植被破坏程度和其他地质条件，结合GIS技术，可以有效生成专题图，从而使用无人机倾斜摄影测量技术的空间分析能力可以准确评估当前水平。然后充分确定地质灾害区可能发生的灾害的类型和规模。可以看出，利用无人机倾斜摄影测量技术评估地质灾害的严重程度，可以作为预防地质灾害，开展抢险和资源分配活动的基准。

5 发展前景

在监测地质灾害时，由于无人机倾斜摄影测量技术的灵活性和高精度，大大提高了测绘的效率和准确性。从硬件的角度来看，无人机在飞行过程中非常稳定，对不良影响具有很强的抵抗力，可以增加拍摄频率，并且可以为图像采集提供硬件支持，尤其是在分辨率和耐恶劣天气方面，得到了很大的改善。另外，通过改善硬件的可以在降低噪声的同时提高图像数据的准确性，从而节省图像处理的成本和时间。此外，软件开发应着重于提高抗干扰能力和数据加密能力[5]。

6 结语

无人机倾斜摄影测量技术在监测中的应用还处于起步阶段，具体应用的发展还需要进一步加强。在实际应用中无人机倾斜摄影测量技术会自动处理数据，并保持其高机动性和高分辨率，但同时又容易出现偏离和定位错误，因此每次都会导致相对不完整的效果。为了获得有效的信息和数据，需要从不同角度拍摄以获得最佳效果。无人机体积小，重量轻，飞行过程中稳定性差，因此，有要对其硬件和软件进行改进，提高其实用性。