任瑞國(guó)，閆小兵,陳永前

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

1 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的概念及工作流程

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是指通過(guò)無(wú)人機(jī)與遙感技術(shù)相結(jié)合，搭載各類傳感器，利用先進(jìn)的無(wú)人駕駛飛行技術(shù)、遙控技術(shù)及數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等技術(shù)，便捷地獲取地面影像和遙感數(shù)據(jù)的測(cè)繪技術(shù)[2]，是傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量手段的有力補(bǔ)充，具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、費(fèi)用成本低、使用范圍廣等特點(diǎn)[3]，在野外地形復(fù)雜地區(qū)的高分辨率影像快速獲取方面有著明顯優(yōu)勢(shì)[4]。無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)主要包括無(wú)人機(jī)飛行器、攝影系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分。

結(jié)合無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的組成、野外斷裂調(diào)查研究的需要，將無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在斷裂調(diào)查中的工作流程分為前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、影像數(shù)據(jù)解譯4個(gè)部分[5-6](見(jiàn)表1)。

表1 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在斷裂調(diào)查中的工作流程Table 1 Work flow of UAV aerial survey technology in fracture investigation

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在臨汾浮山斷裂調(diào)查中的應(yīng)用

2.1 浮山斷裂無(wú)人機(jī)遙感野外資料獲取

浮山斷裂位于浮山縣城東南部，該區(qū)域地形復(fù)雜、交通不便。此次調(diào)查采用大疆Phantom 4 Pro四旋翼無(wú)人機(jī)搭載2 000萬(wàn)像素?cái)?shù)碼相機(jī)對(duì)浮山斷裂多個(gè)地貌點(diǎn)進(jìn)行航測(cè)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)浮山斷裂的具體情況，共布置了4個(gè)地面控制點(diǎn)(見(jiàn)第28頁(yè)圖1)，拍攝航高設(shè)定在350 m，航向重疊率為50%～70%，旁向重疊率不低于25%，共獲取了浮山斷裂20個(gè)地貌點(diǎn)的數(shù)字影像，共3 483張有效航空照片。后期基于PhotoScan軟件對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)齊照片、生成密集點(diǎn)云、生成網(wǎng)格、生成紋理處理，生成數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像(DOM)，真實(shí)地反映了斷裂帶的地形地貌，航測(cè)數(shù)據(jù)如第28頁(yè)表2所示。

圖1 浮山斷裂位置及無(wú)人機(jī)遙感野外航測(cè)控制點(diǎn)Fig.1 Fushan fault location and UAV remote sensing field aerial survey control point

表2 浮山斷裂無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)表Table 2 UAV aerial survey data of Fushan fault

2.2 浮山斷裂無(wú)人機(jī)遙感資料室內(nèi)處理

通過(guò)PhotoScan軟件對(duì)4個(gè)控制點(diǎn)的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊照片、生成密集點(diǎn)云、生成網(wǎng)格、生成紋理處理后，生成了數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像(DOM)(見(jiàn)圖2至第29頁(yè)圖5)。

圖2 第一控制點(diǎn)堡子上村DEM和正射影像Fig.2 DEM and orthophoto of baozishangcun, the first control point

圖3 第二控制點(diǎn)李家安DEM和正射影像Fig.3 DEM and orthophoto of Lijiaan, the second control point

圖4 第三控制點(diǎn)花雞垣DEM和正射影像Fig.4 DEM and orthophoto of huajiyuan, the third control point

根據(jù)獲取的DEM和正射影像數(shù)據(jù)結(jié)果，分別沿第29頁(yè)圖6至第30頁(yè)圖8、圖9所示位置進(jìn)行圖切高程剖面，剖面轉(zhuǎn)折部位可基本確定浮山斷裂的位置。

圖5 第四控制點(diǎn)車家莊村DEM和正射影像Fig.5 DEM and orthophoto of chejiazhuangcun, the fourth control point

2.3 斷裂位置野外驗(yàn)證

為驗(yàn)證無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)用性，分別選取第一控制點(diǎn)中的A點(diǎn)和第二控制點(diǎn)中的B點(diǎn)進(jìn)行野外驗(yàn)證，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分別在推測(cè)位置找到對(duì)應(yīng)斷裂(見(jiàn)第30頁(yè)圖10、圖11)。

3 討論及結(jié)論

通過(guò)傳統(tǒng)的野外調(diào)查方法與無(wú)人機(jī)航測(cè)野外調(diào)查對(duì)比，顯示出無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)。

圖6 第一控制點(diǎn)堡子上村圖切高程剖面及推測(cè)斷裂位置Fig.6 Cutting elevation profile and inferred fault location of baozishangcun, the first control point

圖7 第二控制點(diǎn)李家安村圖切高程剖面及推測(cè)斷裂位置Fig.7 Cutting elevation profile and inferred fault location of Lijiaan, the second control point

(1) 高效和安全性。一般的野外調(diào)查需要人工進(jìn)行，一塊1 000 m2的調(diào)查需要專業(yè)人員3～4天才能完成。同時(shí)，還需要進(jìn)入一些山區(qū)，部分山區(qū)路途行走艱難、溝壑縱橫，未知的生命危險(xiǎn)隨時(shí)存在。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)則有效避免了進(jìn)入山區(qū)的危險(xiǎn)，并且同樣面積的野外調(diào)查僅需0.5天即可完成。

(2) 全面和直觀性。無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)可以生成高清的數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像，每一個(gè)點(diǎn)的高程、坐標(biāo)等數(shù)據(jù)都被詳細(xì)記錄下來(lái)，利用ArcMap等軟件可以衍生出更多的數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的野外調(diào)查獲取數(shù)據(jù)有限，且不能直觀地看到調(diào)查區(qū)的地形地貌。

總之，利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)結(jié)合野外重點(diǎn)地段核實(shí)的方法可以安全、快速地完成野外調(diào)查，得到的數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)、全面，能滿足野外調(diào)查的需要，是研究活動(dòng)斷裂的最佳方法。

圖8 第三控制點(diǎn)花雞垣村圖切高程剖面及推測(cè)斷裂位置Fig.8 Cutting elevation profile and inferred fault location of huajiyuan, the third control point

圖9 第四控制點(diǎn)車家莊村圖切高程剖面及推測(cè)斷裂位置Fig.9 Cutting elevation profile and inferred fault location of chejiazhuangcun, the fourth control point

圖10 野外調(diào)查的第一控制點(diǎn)A點(diǎn)斷裂位置Fig.10 fracture location of point A of the first control point in field investigation

圖11 野外調(diào)查的第二控制點(diǎn)B點(diǎn)斷裂位置Fig.11 fracture location of point B of the second control point in field investigation