轻便型无人机快速测绘技术在地质灾害应急抢险中的应用研究

2023-02-01赵财全刘家明杨润生朱荣先段浩锋

科技创新与应用 2023年2期

赵财全，刘家明，杨润生，朱荣先，高勇，段浩锋

（云南全测精达科技有限公司，昆明 650025）

随着科技的不断发展，无人机技术也有了各种突破性的进展。无人机遥感等新兴技术被广泛应用于各个领域。同时，无人机在矿山地质灾害调查和探测中发挥着无可比拟的作用。当今世界地质灾害的发生越来越频繁，对人类社会的经济和安全产生了重大影响。我国幅员辽阔是发生严重地质灾害最频繁的国家之一。人们正逐步将基于无人机的快速测绘技术应用于地质灾害研究，以地质灾害数据采集的形式建立地质灾害后数据采集、分析和处理的协同服务机制。测绘无人机在灾害预测和评估中发挥着重要作用，对我国经济的发展具有重要意义。

1 快速测绘技术的主要内容

1.1 开展地形测量

测量和制图时，应注意确保地图尺寸数据与实际地形值相符。另外，由于我国幅员辽阔，各地区之间的地形特征也存在差异，因此在测量大片森林或绿地时不能简单地使用自动文件符号来描述，必须用不同的植被符号展现。测绘时，应确保所有区域测量数据的准确性，并使用数据末尾的2位数字进行识别。测绘丘陵和岩石等区域时，勘测员应测量整个区域，并确保测量数据与实际地形数据相符，以确保测绘数据的正确。此外，测绘工程师在测绘过程中，还必须不断思考和检查测绘好的地形图，以发现存在的问题和缺陷，使测量方法适应当地环境，确保测绘工作的高质量[1]。

1.2 进行地形测绘

在进行地形测绘工作时，测绘人员不仅要绘制高程线，还要完成完整地形数据的标注。同时，在测量过程中，工作人员还必须完美掌握地图中包含的高度线的所有信息，以确保测绘工作的质量，并在测绘项目中发挥高度线的优势。为了获得完整的技术地图，在制图工作期间，工作人员应详细标记区域的特征及其数值，并将所有制图数据和完整地图发送给研究人员，研究人员将不同的位置和特征用线段和控制点进行标记。工作完成后，再次进行核查，以确保地图上的所有点和线段均正确[2]。

2 无人机的系统构成

在地质灾害调查中，测绘无人机的性能可以在调查中发挥关键作用。影响测绘无人机性能的3个关键因素，主要是飞行平台、机载数字采集设备和控制系统。

2.1 飞行平台

一般来说，轻型无人机的重量约为6~8 kg，不同海拔和气压条件下进行地质灾害的调查时，通常需要增加无人机的负载能力和总重量。如果高度超过3 800 m，则应相应增加无人机的起始重量，以确保无人机能够平稳飞行。为了保证无人机在飞行过程中的定位，使其有效地应用于地质灾害工作中，机身通常需要采用轻便的木质和碳纤维材质，使其适应地质灾害的环境，完成调查任务[3]。飞控平台外业数据采集时的相关信息如图1所示。

图1 飞控平台外业数据采集时的相关信息

2.2 机载数字采集设备

地质灾害应急抢险需要轻型无人机具有极大的测绘覆盖范围，同时也需要有较高的分辨率，以此全面地提取地质数据，以有效地满足地质灾害调查工作的要求。此外，图像土壤分辨率也是影响无人机测绘技术在地质灾害调查工作中准确性的原因。因此，也有必要提高无人机测绘的分辨率，这对采集数据的精度有很大影响。

2.3 控制系统

作为测绘无人机的心脏，测绘无人机的控制系统在地质灾害调查中的应用效果有着非常大的影响。可以说，测绘无人机的应用效果直接取决于控制系统能否良好发挥作用。控制系统包含许多子系统，如驱动系统、监控系统和通信系统等。灾害调查工作对无人机的各项功能综合应用，以便实现对灾区数据的采集、上传、分析[4]。

3 无人机技术的优势

随着无人机技术的不断发展，基于无人机的快速测绘技术优势也越来越明显。与传统的测量方法相比，无人机的测量和测绘不仅可以有效扩大测绘范围，而且有助于提高测绘的准确性和效率，降低测绘项目的成本，具有较高的应用价值。

3.1 扩大测量范围

无人机技术在测绘项目中的应用改变了传统的技术测量方法，有效扩大了技术测量的范围，同时提高了测绘的质量和速度。无人机技术在测量和测绘技术中的应用使得能够测量到难以到达的区域，且从无人机获得的测量数据具有极高的准确度。因此，使用无人机进行技术测绘一方面可以有效提高测绘项目的质量和速度，另一方面可以有效提高测绘数据的准确性和可靠性。

3.2 提高测绘安全性

在传统的测绘项目中，员工必须前往测绘现场进行实地勘查，地质灾害抢险地区危险度较高，如果工作人员不充分了解周围的地形条件，盲目开展测绘工作，很容易危及工作人员的安全。此外，如果发生突发性地质灾害，工作人员使用传统测量和绘图方法进行测量工作，很有可能对周围人员的生命安全产生负面影响。因此，加强无人机技术在测绘技术中的应用，可以有效提高外业测量、数据采集的安全性，促进我国地形测绘技术的发展。

3.3 降低测绘成本

工程测绘本身属于一个大型项目，需要投入大量资金。过去工作人员需要购买许多专业设备和仪器来进行工程测绘，同时为了测量和记录数据，工作人员需要将大量测量设备带到使用地点，这必然会导致测绘工作成本的增加，给测绘项目带来大量的负担，同时也对工作人员的人身安全造成了一定威胁。通过将无人机技术应用于测绘项目，测绘人员可以轻松控制无人机从测量区域获取信息，而无需前往现场进行实地测绘。因此，将无人机技术应用于测量和测绘技术，一方面可以降低测量和测绘技术的成本，并以较低的成本获得较高收益，另一方面可以减少对测绘工程资金的占用。

3.4 数据处理效率高，操作灵敏

与传统的测绘技术相比，无人机测绘能够快速处理收集的数据，同时返回图像的分辨率也能满足行业要求。无人机本身具有操作灵敏度高的优点，这也体现在无人机测绘技术上，无人机可以在低空连续飞行，为人员留下足够的操作空间，同时对起飞和着陆地点没有硬性要求，测绘时工作人员能够以各种方式自由起飞下降。而无人机的组成也非常简单，这使其能够以高度的灵活性轻松地安装和拆卸各种组件。

3.5 工作效果好

无人机测绘的技术特点，使其可以显著提高测绘工作的效果，同时也可以用于不同地形的测绘。其操纵过程也非常舒适，可以保质保量地完成测绘工作。此外，无人机还可以实时捕获特定区域的图像，为研究人员及时提供所需的数据，以确保其工作效率。

4 无人机测绘技术的应用

4.1 确定勘查区域和航线

根据目前的无人机飞行标准，大多数无人机的飞行时间相对较短，通常约为30 min。基于这种情况，有必要对机身进行有针对性的划分，以使测量路线、飞行时间和飞行次数变得有意义和高效。如果测量区域较大，可将其划分为多个部分，以便快速完成测量任务。此外，在进行空中记录时，应尽可能根据记录的实际区域确定路线，以避免重复拍摄。

4.2 获取灾情信息

结合基于无人机的快速测绘技术的高精度，使用特殊的数据采集设备可以实现对受灾区域整体情况的构建，同时使用二维坐标进行校正，可以构建与实际测量区域对应三维模型，还原灾害区域地质概况，将无人机在低空拍摄的图像与恢复的地貌进行对比和详尽分析。此外，三维模型的使用有助于无测量领域技术背景的技术人员或指挥官可视化地质灾害现场情况，并为其决策做出数据支持。三维可视化模型如图2所示。

图2 内业处理的三维可视化模型

5 无人机技术的限制及提高应用质量的思考

5.1 无人机测绘技术的限制

无人机测绘技术在实际应用中受到了这几个方面的限制：首先，山区的大多数地质灾害发生地区都远离机场，但是在无人机测绘之前应当通过当地地图或遥感图像确认，测绘地点最近飞机场的距离，以确保无人机安全落地。其次，距地面120 m以下是我国目前公认的安全飞行高度，地质灾害应急抢险的测绘通常需要低于120 m的飞行高度。第三，如果地质灾害发生在峡谷或对飞行器定位有强烈干扰的地点，应在飞行前上传当地的影像图片，并在起落位置保证信号强度。第四，无人机测绘结果受植被的影响较大，测绘结果应结合现场条件进行研究和评估。另外，就地质灾害研究而言，测绘无人机的工作要求与一般无人机的要求不同。在地质灾害研究中，测绘无人机需要修正能见度测量值，以获得准确数据。目前有3种方法用于校正测绘无人机的数值，但这3种方法各有其特点，没有一种校正取景侧边差的方法可以针对多种地质灾害进行迭代计算，针对不同的地质灾害需要使用不同的校正取景侧边差的方法，这会增加额外的计算并影响取景侧边差校正的速度。此外，使用测绘无人机时，航向应超过50%，旁向应超过15%，而飞行期间的旋偏角不应超过15°。

5.2 提升无人机技术应用质量的思考

5.2.1 校正无人机的参数

在地质风险研究过程中，纠正测绘无人机的参数会对测绘机的应用效率产生非常大影响。在校正测绘无人机时，可以通过了解独立系统中的精确三维空间坐标来校正测绘无人机的参数。

5.2.2 改进曝光系统

对于地质灾害的测量，测绘无人机在拍摄和采集数据的过程中，有必要使用等效曝光模式，即将测绘无人机留在预定位置，然后执行等距离控制曝光。为了使无人机在曝光过程中达到均匀曝光，需要使用测绘无人机中的定点曝光系统，以一定频率控制测绘无人机发送信号，然后根据信号频率计算时间，结合无人机的飞行速度，有效地计算出距离，然后根据一定的距离控制无人机的摄像设备进行曝光。通过控制曝光冗余，有效保证测绘无人机图像的完整性，避免图像缺漏，同时也避免了距离误差，有效保证图像的重叠度。