无人机数据在地质灾害中的应用分析

2021-11-30吴霞

科学与信息化 2021年24期

吴霞

贵州省地矿局测绘院贵州贵阳 550018

引言

地质灾害识别是防灾减灾业务的重要工作，传统的勘察设计手段是人工勘察，具有局限性，更无法给专家提供有力直观的地形情况。通过无人机搭载倾斜相机对可能有地质灾害的地形进行航飞，实时获取该地三维实景模型，通过在三维模型上进行测量及评估，判别该地质灾害对生态系统的影响。因此，实时获取三维实景模型能为安全经济的建设运营、科学的防灾减灾提供强有力的理论支撑，同时也能够进一步推进新技术方法在工程勘察设计中的示范应用。

1 无人机发展概况

无人机（UAV）是一种动力驱动、无人驾驶、空气提供升力的航空器，在工业、农业、军事等领域均得到了广泛运用。无人机遥感是一种新型遥感系统，能实现机动性、全天候的遥感探测。我国无人机产业发展相对较晚，21世纪初才进入飞速发展阶段，并开始向民用转变，在测绘领域大放异彩。2016年至今，国家科技部进一步扩大了对无人机遥感领域的相关支持，并在广域航空安全监控、城市群经济区域建设与管理服务、城乡生态环境综合检测服务等领域取得了一定的成果。目前我国无人机遥感发展呈多样化趋势，其在生态环境资源监测、灾害应急响应监测以及国土突发事件监测中发挥着重要作用[1]。

2 无人机遥感技术的原理及应用优势

2.1 技术原理

对于无人机航空摄影测量技术而言，在实际运用中需要注意以下几点：第一，作业人员需要结合实际的测绘要求，选择符合测绘标准的无人机型号，同时为了让无人机可以适用于实际的测绘工作，在此之前还需要人员对无人机种类及参数进行分析；第二，在运用无人机航空摄影测量技术之前，需要科学合理地规划无人机航测路线，以保证其可以获得实质性的测量效果，并且路线的规划要尽可能的简单快捷，一方面是提升无人机航测效率，另一方面也可以有效确保无人机航测系统的安全性和可靠性。与此同时，相关人员在完成航测路线规划设计后，接着需要对无人机系统性能进行调试，确保航测结果的准确性；第三，测绘人员需要结合像控点分布状况，对于无人机所拍摄的影像数据开展处理和分析工作，为后续工程规划建设提供指导[2]。

2.2 应用优势

2.2.1 性价比高。相对比传统的载人飞行器测量系统，无人机航空摄影测量系统中配置的相关设备成本较低，而且可以避免人员造成安全事故问题。与此同时，无人机航空摄影测量技术在地形图测绘中的应用更加的高效便捷，一方面无人机航测系统可以适用于一些特殊区域的测量，不受地形、气候等自然条件的限制，在有效确保安全的基础上，高效完成地形图测绘作业，另一方面无人机航空摄影测量的效率更高，极大地降低了人工劳动力，缩短了测绘周期，同时也可以有效确保测绘结果的精准性。由此可见，相比传统的测绘技术，无人机航空摄影测绘技术的性价比更高，这使其在实际中得到了广泛的运用和推广。

2.2.2 响应快速。当前很多无人机航空摄影测绘系统都是低空开展作业，而之所以选择低空拍摄，其原因包括以下几点：第一，无人机航测系统不会受到起飞和降落地点因素的影响；第二，区域地形、气候等自然因素，对于无人机航测系统的影响较低；第三，低空摄影测量更加容易申请航行空域，给后续开展地形图测绘提供了诸多便利。

2.2.3 安全性高。由于无人机航测系统对于起飞和降落地点没有特别的要求，并且耗时较短，所以可以极大地避免无人机机体迫降过程中所造成的损坏和故障问题，有效确保了系统的安全性。除此之外，相比传统的载人飞行器系统，无人机航测系统一般都是计算机远程操控的，人员在控制中心对飞行器的飞行姿态、速度、拍摄角度等进行控制，达到对地形图测绘目的，这种方式显然效率和质量更高，并且还可以避免人员受到伤亡。

2.2.4 监测尺度大。因为测量区域不同，所以测量数据存在着一定的差异，并且测量的区域越大，获取准确数据的难度就越大。然而无人机遥感技术不仅可以适应较大的测量范围，还可以利用无人机设备的功能优势，满足最大尺度的监测要求，同时其还能够通过远程监控对测量范围进行调整，获取更为详细的内容。无人机遥感技术具有数据准确度高的特点，除了节省人力物力，还能够测量出准确的数据，为测量工程的开展奠定良好的基础，因此在工程测量工作中得到了广泛的应用。无人机遥感技术在数据获取、分析、筛选等方面都具有极强的优势，为工程后期的信息整理汇总提供了可靠的数据依据。

2.2.5 信息处理效率高。在工程测量工作中，借助无人机遥感技术对指定区域进行监控作业，可以快速分析处理该区域的各项数据信息，最大程度上提升数据信息的获取效率，同时能够确保各项数据信息的精确度，还能够避免人工操作产生错误的数据信息。在现阶段的测量工作中，单纯地依赖一种遥感技术，难以保证测量工作的高效进行，对于无人机遥感技术的应用也是如此。因此，在实际运用无人机遥感技术时，工作人员必须结合遥感系统，将不同系统优势发挥出来，确保获得良好测量效果。

2.2.6 监测效率高。目前无人机是一种比较先进的设备，而无人机遥感技术中的监测设备是由无人机搭载。因为无人机具有较高的飞行速度，并且具有智能化和自动化的特点，所以在监测工作开展的过程中，可以对其飞行的高度与速度进行灵活的调整，扩大监测范围，快速获得高精度的监测结果。另外，在整个监测过程中，运用无人机遥感技术，不仅可以进行定点监测，还可以获得准确的数据信息，更好地应对各种突发事件，并能够及时采取解决措施，以此提升监测效率与监测质量。

2.2.7 融合度高。无人机遥感技术作为一种独立存在的技术，需要借助操纵员及其自身的技术，并不会受其他技术的干预和影响，既可以进行独立作业，又可以结合其他测绘技术，实现技术优势互补，保证工程测量的高效精确。从无人机遥感技术的实际应用来看，其主要是与多种技术结合开展测量工作，并且具有较高的融合度。

2.2.8 测量成本低。在工程测量工作中，运用无人机遥感技术进行测绘工作，与其他测绘技术相比，明显降低了测量成本，同时我国的无人机技术一直处于世界领先水平，对无人机的研究范围比较广。我国运用无人机遥感技术进行测量作业，在设备投入上的费用并不高，并且其操作流程比较简单，对工作人员进行简单的培训后，便可以进行实地操作，极大地节省了人工成本[3]。

3 无人机数据在地质灾害中的应用

3.1 应用要点

第一，地质灾害基础调查。地质灾害基础调查包括单体与区域地质灾害野外调查，为室内精细化遥感解译与分析奠定坚实的基础；第二，地质灾害应急测绘。与其他测绘相比，无人机的机动性更强，可快速完成受灾区域测绘工作，全面及时地掌握灾区最新情况。通过无人机遥感技术获取高清影像、地形数据，可与灾前影像进行对比，实现灾情的精准评估；第三，地质灾害地表形变监测。随着无人机遥感技术的发展，无人机可以搭载各种高光谱相机、雷达等，获得高精度数据，分析地质灾害区域位移、变形、沉降以及纹理特征等，并实现早期预警；第四，地质灾害场景三维重建。基于计算机视觉技术的发展，通过无人机与三维重建技术的运用，可构建地质灾害区域三维立体场景，为防灾减灾教育与科普提供技术支撑。

3.2 应用实例

3.2.1 项目概况。某水电站区内河谷是典型“V”形高山峡谷地貌，1700m高程以上河谷开阔，而1700m以下河谷狭窄。近年持续降水后边坡上部出现落石，下方被动网受到撞击后严重损坏，安全风险大，必须做好相关地质灾害调查工作，为工程防治提供数据参考。

3.2.2 无人机遥感调查方法。第一，前期准备。收集研究区资料、定点勘察以及确定飞行区域；第二，航线设计。基于调查区域与相关资料开展航线设计，并布设控制点；第三，航拍摄影。根据航线设计方案，进而开展航拍摄影工作；第四，内业处理。获取密集点云数据，生成地质灾害三维模型、数字正射影像；第五，遥感解译。基于数据成果开展地质灾害体遥感解译，并构建地质灾害空间属性数据库[4]。

3.2.3 无人机遥感调查应用情况。第一，设备参数。该项目采用的是致睿智控M66多旋翼无人机，五镜头多方向航拍，飞行区域面积0.5km2；第二，航线设计。该项目是典型的高山峡谷地貌，地形起伏大，无明显的地物特征，此次航线设计密集，航向、旁向重叠度分别为85%、80%，无人机共两次起落，获取2780幅数字影像；第三，数据处理。此次无人机搭载的是普通高分辨率数码相机，为保证成果精度，需要对影像进行畸变校正与匀色，导入相机中POS数据，开展同名点匹配，并按共线条件方程开展自由网平差；导入地面控制点，刺像控，实施空中三角测量加密，生成密集点云数据，获得正射影像、三维模型；第四，地质灾害解译。通过遥感影像解译，对目标区域已发生和存在隐患的地质灾害点进行全面调查，可查明空间分布与属性特征：落石灾害分析，根据生成的边坡三维场景，局部放大可明显识别落石灾害点位置。根据三维模型分析显示，落石灾害点处于出线场上方560m位置，高度为1930m，坡度为36°，落石岩性为大理岩。通过对周边岩体产状特征分析，基本判定原始危岩体底部、后缘发育，岩体受倾于坡面、反倾于坡外的两组近于正交结构面控制。由此可基本判断危岩失稳原因是持续降水后，雨水渗入主控结构面裂隙，裂隙拉裂贯通，岩体失稳后滑落。在岩体整个滑落过程中，持续存在碎块石分离，呈明显的直线型滚落路径，长度为776m；该测区结合无人机遥感成果与现场调查情况，对落石滚落演化过程进行分析，主要可分为以下三大阶段：滚落初始阶段，危岩体失稳，从母岩分离后获初始动能，滚落时粒径较大完整块石脱离，集中在路径0～54m处；撞击阶段，落石在487m处落至冲沟内，并撞击至第一道被动网，被动网损坏、落石碎裂，部分越过被动网继续滚落；坠落阶段，落石砸到下方出线场内破碎；危岩隐患点遥感解译，结合已经发生的落石灾害，开展边坡围岩隐患点遥感解译，危岩共计29个，主要集中在1550～1840m处，属于特高位危岩，坡度为45°～55°。基于点云数据构建的三维模型进行数据提取，获取地质灾害体属性信息，测得落石原始体积为11.7m3。