无人机航空三维倾斜摄影测量技术在地质灾害中的应用研究

张琦 ZHANG Qi；聂金旺 NIE Jin-wang

（①西藏大学工学院，拉萨 850000；②西藏大学高原地表环境遥感监测联合实验室，拉萨 850000）

0 引言

中国地质灾害点多面广，且大多地处高位，对人们生活造成威胁的地质灾害往往具有突发性，如山体崩塌、滑坡、泥石流[1]。传统人工地质调查强度大、成本高且易受野外环境影响[2]。青藏高原山高坡陡，平均海拔4000m 以上，空气稀薄，气候条件恶劣，环境脆弱，传统的地质调查方法在西藏地区更是难以开展[3]。且突发性地质灾害大多伴随着次生灾害，因此为了保障作业人员的生命安全有必要采取新的灾害调查方式对地质灾害进行调查。

1 无人机摄影的优势

近年来随着传感、遥感、飞控云台、计算式视觉、图像传输等相关技术的快速进步与完善，无人机的发展与应用也进入了快车道[4]。与传统人工方法相比，无人机不需要进入危险区就能获取相应灾害影像资料，无人机因其具有安全性高，便携、可操作性强以及成本低等优势被广泛应用于地质灾害监测、地质灾害灾害搜救中，张建新等利用无人机对伊利谷地的滑坡地质灾害进行监测，研究成果为当地的地质灾害监测提供了参考[5]。2008年汶川地震，震区内无法通信且随时可能会有余震以及其他次生灾害的发生，这对搜救人员的人身安全造成了极大的威胁，何磊等通过实验表明在灾害应急和复杂地形下，无人机摄影测量技术可以为决策者提供第一手的资料[6]。无人机还被广泛应用于农业生产[7]、森林病虫害防治[8]、军事[9]、测绘[10]等诸多学科领域中。

2 研究区概况

庞村滑坡位于西藏山南市隆子县加玉乡庞村加玉河右岸，庞村滑坡为一古滑坡，滑坡平均坡度为20°～40°，2019年4 月，因地震加上多日降雨原因，当地村民发现庞村滑坡出现大量裂缝，滑坡整体出现不稳定状态[11]。居民区主要在滑坡前缘河流阶地处。威胁户数为90 户共257人，威胁财产8481.26 万元以上[12]，庞村地理位置如图1所示。

图1 庞村地理示意图

3 外业采集

3.1 无人机飞行器选择

无人机从驱动力上可分为电力驱动和燃油驱动两种类型，燃油驱动相比电力驱动动力更足，稳定性更好、续航时间更长。青藏高原空气稀薄，研究区平均海拔3500m，空气相对密度约为平原的70%左右且随着无人机不断爬升空气密度不断减小，因此燃油无人机在青藏高原飞行存在着巨大的安全隐患。

无人机按照机翼的不同可分为固定翼、多旋翼和复合翼三类，固定翼无人机具有体积大抗风能力强、航测面积大、续航时间长、载荷大等特点，因此被广泛应用于测绘、测量；但固定翼无人机起飞和降落需要一定的滑行跑道、复合翼无人机则不需要跑道就能实现起降，但两者都不能悬停因此不能实现定点高精度拍照。相较于固定翼，多旋翼无人机具有起降方便、体积小、便携性强，操作性强、学习成本低、可悬停拍照的特点，比较适合小范围高精度测量，因此被广泛用于灾害监测中。

本次外业采集工作使用的无人机是大疆M300RTK搭载禅思P1 镜头对庞村滑坡区进行影像数据采集。

3.2 无人机防地飞行

无人机防地飞行即根据地形起伏调整飞行高度从而实现无人机重叠率、分辨率保持相同，使用无人机进行防地飞行时需注意无人机飞行旁向重叠率和航向重叠率设置，若重叠率过低则可能导致数据合成缺失或合成失败。根据《低空数字航空摄影规范》，无人机航高公式如下：

H=f×GSD/α

式中：H—相对航高；f—摄像镜头焦距；GSD—影像地面分辨率；α—像元尺寸[13]。

在防地飞行中，摄像镜头焦距f 与像元尺寸α 是固定的，因此飞行高度H 越高，影像地面分辨率GSD 越大。

3.3 飞行注意事项

无人机起飞之前应检查无人机电池是否安装到位，无人机旋翼卡扣是否扣紧，检查完毕之后再执行飞行任务，进行无人机外业采集工作时必须选择晴朗天气进行作业，风速过大会影响无人机的飞行安全，若存在云雾则会影响无人机的照片质量从而影响无人机空三建模；当外业数据采集完成后必须进行影像质量检查，若影像质量出现问题则考虑补飞或重飞；无人机数据采集工作流程如图2 所示。

图2 无人机数据采集流程图

4 内业处理

4.1 数据初始化处理

国内无人机内业处理常用的三维建模软件有，瞰景Smart3D，Pix4Dmapper 以及Photoscan, 主流建模软件为Smart3D 和Pix4D，目前这两种软件的精度已经符合《三维地理信息模型数据产品规范》Ⅰ级标准，可以应用到大部分实际生产项目中。Pix4D 和Smart3D 相比，Pix4D 更为简便快捷，而Smart3D 处理稳定性好比较适合大型项目[14]。本次研究的滑坡区域面积较小整体面积约0.3km2[11]，因此本次内业处理软件使用Pix4D，为了能准确清晰地识别滑坡位置以及滑坡大小，本次飞行面积共3.711，采集滑坡区484 张影像数据图片，剔除成像不清晰及拍照测试照片后，将剩余影像导入Pix4D 软件中，首先对数据进行初始化处理，初始化完成后对初始化过后的数据查看其质量报告，若没问题则进行后续处理，若质量报告不过关则检查数据后再进行上一步操作直至数据处理合格，使用Pix4D软件对无人机影像进行内业处理，内业处理流程如图3所示。

图3 内业处理流程

影像初始化处理合格后得到庞村初始化影像图，如图4 所示。

图4 庞村初始化影像图

4.2 数据后处理

将初始化后的数据进行点云纹理处理及DSM、正射影像处理，处理完成之后剔除不必要的要素层，加入三角纹理要素层得到庞村滑坡三视地理模型，如图5 所示。

图5 庞村滑坡三视地理模型图

在Pix4D 中选择打开文件夹选项，将得到的DSM、和正射影像图导入ArcGIS 中，对所得影像进行简单裁剪，得到滑坡数字正射模型（DOM）、滑坡数字地表模型（DSM）及等高线模型，如图6 所示。

图6 数字正射模型、数字地表模型图及等高线模型图

5 结论与展望

①庞村滑坡为一古滑坡，滑坡威胁着加玉河右岸的居民区，使用无人机拍摄影像对研究区生成的DOM 和DEM模型可以清晰地看出地面植被生长情况从而达到对滑坡表面监测的效果；从等高线模型可以看出，滑坡等高线从下往上由稀疏到密集，由此得出该滑坡为凹形坡，针对人力无法到达的区域，坡型可以帮助决策者了解灾害的情况以及次生灾害发生的概率。

②使用无人机调查地质灾害相较于人工调查而言具有安全性高、省时省力的特点，无人机飞行测量调查可以让观察者远离灾害发生区域，从而避免了次生灾害对调查者生命安全所造成的威胁，对于环境条件恶劣的山区，人力难以到达，使用无人机飞行一旦观测到地质灾害隐患可以第一时间上报给有关部门，为灾害防治以及疏散人群赢得宝贵的时间。

不足：本次庞村飞行仅使用了可见光镜头对滑坡进行影像数据采集，可见光只能观察表面植被生长情况，因此本次研究只能依据植被生长情况对滑坡发育情况做出大致的判断；如若需要对滑坡的微小形变进行分析则需要无人机搭载能穿透植被的雷达对滑坡进行扫描分析。