無人直升機(jī)遙感在華北平原地裂縫監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

楊進(jìn)生，郭穎平，蓋利亞，王志宏，陳宗良

(中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

摘要：本文介紹了無人直升機(jī)遙感技術(shù)在華北地裂縫(隆堯段)調(diào)查中的應(yīng)用，給出了低空遙感地裂縫信息采集技術(shù)框架，并通過從不同角度、不同高度空中攝影方案，展示了部分遙感監(jiān)測(cè)影像。根據(jù)華北平原(隆堯段)地裂縫的發(fā)育特征、建立遙感解譯標(biāo)志，并對(duì)隆堯地裂縫遙感信息進(jìn)行探索性提取。通過野外驗(yàn)證，監(jiān)測(cè)效果良好。本文研究成果為在平原地區(qū)快速、大面積尋找和監(jiān)測(cè)地裂縫提供了可行的低空遙感技術(shù)和方法參考。

關(guān)鍵詞：低空高分辨率遙感；無人直升機(jī)；地裂縫；信息提取

doi:10.3969/j.issn.1000-3177.2015.01.011

中圖分類號(hào)：TP79文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Application of Unmanned Helicopter Remote Sensing in Monitoring

Ground Fissure in North China Plain

YANG Jin-sheng，GUO Ying-ping，GAI Li-ya，WANG Zhi-hong，CHEN Zong-liang

(CentreforHydrogeologyandEnvironmentalGeologyCGS，Baoding071051)

Abstract：The paper presents the application of unmanned aerial vehicle remote sensing for ground fissure survey in the North China Plain (Longyao area)，and the framework of low altitude remote sensing information acquisition technology.It shows part of monitoring imagery from a variety of aerial photography at different angles and height.The remote sensing interpretation keys are established according to the characteristics of ground fissure in the North China Plain (Longyao area) for tentative extraction of remote sensing information on Longyao ground fissure.The monitoring results are validated through field survey.It provides a reference for low altitude remote sensing feasible technology and a method for quick searching and monitoring ground fissure by large area in plain areas.

Key words：low-altitude high-resolution remote sensing；unmanned helicopter；ground fissure；information extraction

1引言

現(xiàn)代地裂縫在世界許多國家普遍存在，已成為當(dāng)今世界范圍內(nèi)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，在華北平原，人類活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響越來越大，使人們賴以生存的地質(zhì)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生深刻變化，在人類向地質(zhì)環(huán)境無止境索取的同時(shí)，也導(dǎo)致了地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生。在上個(gè)世紀(jì)七十年代以前，除強(qiáng)烈地震引起的地裂縫、地面塌陷外，其他成因的地裂縫鮮有發(fā)生?？墒菑纳蟼€(gè)世紀(jì)八十年代后，尤其是進(jìn)入本世紀(jì)初，人類活動(dòng)致使地質(zhì)環(huán)境發(fā)生變化，導(dǎo)致華北平原地裂縫、地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害日益嚴(yán)重，造成建筑物損壞、道路變形、管道破裂、農(nóng)田破壞、農(nóng)田開裂漏水等嚴(yán)重后果，制約了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程建設(shè)、城市規(guī)劃、生命線工程和土地利用等發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的各項(xiàng)工作，成為亟待解決的城鄉(xiāng)地質(zhì)環(huán)境問題。地裂縫災(zāi)害給華北平原區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)穩(wěn)定帶來嚴(yán)重危害，直接威脅重大工程的實(shí)施和安全運(yùn)行。

地裂縫是地表巖層、土體在自然因素或人為因素作用下，產(chǎn)生開裂并在地面形成一定長(zhǎng)度和寬度裂縫的地質(zhì)現(xiàn)象[2]。以往人們對(duì)地裂縫災(zāi)害的調(diào)查主要是開展工程地質(zhì)勘查和地球物理勘查；國外在使用無人機(jī)進(jìn)行災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面起步較早，經(jīng)過長(zhǎng)期應(yīng)用與研究，取得了很好的效果。國內(nèi)無人機(jī)地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)在“5.12”汶川地震后有了迅猛的發(fā)展[3-11]，特別是近幾年，無人機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)的提高，使視域廣闊、分辨率高、快速監(jiān)測(cè)地裂縫災(zāi)害成為現(xiàn)實(shí)。早期遙感監(jiān)測(cè)地裂縫災(zāi)害主要是利用衛(wèi)片進(jìn)行信息提取，在特定的環(huán)境和條件下是可行的，但是對(duì)于那些裂縫較小，經(jīng)常被巖土覆蓋的裂縫，卻是很難用常規(guī)遙感方法解譯出來。低空遙感具有機(jī)動(dòng)靈活、適時(shí)獲取遙感信息的能力。本次華北地裂縫低空遙感監(jiān)測(cè)研究選擇河北省邢臺(tái)市隆堯段示范區(qū)，前期收集了大量相關(guān)資料并進(jìn)行了地面踏勘工作，根據(jù)當(dāng)?shù)氐亓芽p的發(fā)育特點(diǎn)和發(fā)育程度，選擇適當(dāng)?shù)募竟?jié)和時(shí)間，進(jìn)行多角度、多分辨率的實(shí)驗(yàn)飛行，通過低空攝影技術(shù)、信息提取手段、建立地裂縫遙感解譯標(biāo)志，研究平原地區(qū)地裂縫遙感特征的表現(xiàn)形式，探索地裂縫低空遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法，為今后開展地質(zhì)災(zāi)害低空遙感監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)決策提供科學(xué)依據(jù)。

2研究區(qū)概況

河北省邢臺(tái)市隆堯縣地處滹沱河沖積扇西南緣，太行山前洪積—沖積傾斜平原的前緣。構(gòu)造上屬于邢臺(tái)地塹區(qū)，構(gòu)造線呈北東方向展布，內(nèi)部發(fā)育有一系列斷裂帶。地貌上屬于華北平原，地勢(shì)西高東低，宣務(wù)山、堯山坐落西部，山地面積5.8km2。中東部地勢(shì)平坦，土壤肥沃，適宜農(nóng)作物種植。交通便利，京廣鐵路、京深高鐵、107國道、京深高速、石安高速公路從西部境內(nèi)穿過，祁南、內(nèi)邢公路橫跨東西。在1966年邢臺(tái)大地震后，隆堯縣各地多處出現(xiàn)地裂縫，對(duì)村莊房屋和田地破壞尤為明顯，出現(xiàn)房屋開裂、道路塌陷和地層錯(cuò)動(dòng)等現(xiàn)象。地裂縫信息有的區(qū)域地表表現(xiàn)形式較明顯，出現(xiàn)破碎帶、塌陷、裂縫、地表高低起伏不平，但有的區(qū)域地表缺少常見的表現(xiàn)形式，為隱伏地裂縫。地裂縫災(zāi)害的發(fā)生對(duì)農(nóng)田建設(shè)、道路運(yùn)行、人民的生產(chǎn)生活影響甚大。

3低空遙感平臺(tái)

低空遙感平臺(tái)(系統(tǒng))由無人直升機(jī)飛行平臺(tái)、任務(wù)設(shè)備(陀螺穩(wěn)定吊艙和傳感器)和測(cè)控地面(車)站組成，如圖1所示。無人直升機(jī)遙感平臺(tái)穩(wěn)定，飛行速度慢，可低空飛行，適合大比例尺的航攝，陀螺穩(wěn)定吊艙結(jié)合GPS，目標(biāo)精確定位，可完成高精度攝影任務(wù)。

圖1　無人直升機(jī)遙感平臺(tái)

3.1飛行平臺(tái)

無人直升機(jī)主要由機(jī)體、動(dòng)力裝置、遙控遙測(cè)分系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛分系統(tǒng)、陀螺穩(wěn)定吊艙和傳感器、測(cè)控地面站等部分構(gòu)成，在發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下使主旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)，形成與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生向上升力將機(jī)身升起，利用復(fù)雜的機(jī)械操作，改變主槳及尾槳角度，完成直升機(jī)起降。

3.2陀螺穩(wěn)定吊艙和傳感器

陀螺穩(wěn)定吊艙：采用三軸陀螺穩(wěn)像隔振吊艙，可實(shí)現(xiàn)方位和俯仰兩軸的陀螺穩(wěn)像和橫滾水平伺服調(diào)整；可以修正和補(bǔ)償無人直升機(jī)平臺(tái)的傾斜，使對(duì)地觀測(cè)相機(jī)和攝像機(jī)處于監(jiān)視狀態(tài)或垂直向下狀態(tài)，并借助方位和俯仰的陀螺穩(wěn)定機(jī)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)像，如圖2所示。

圖2　陀螺穩(wěn)定吊艙和傳感器

傳感器：地質(zhì)災(zāi)害遙感圖像數(shù)據(jù)采集采用感光度和色彩深度好、存儲(chǔ)量大的數(shù)碼相機(jī)，廣角鏡頭對(duì)焦至無窮遠(yuǎn)，以便獲取高分辨率全色影像[12]。

3.3地面站

測(cè)控地面站安裝在測(cè)控車上，主要由工控計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航顯示器、測(cè)控終端、內(nèi)控鍵盤、外操縱器、不間斷電源UPS、圖像操縱器、硬盤刻錄機(jī)、發(fā)電機(jī)、圖像顯示器等組成，實(shí)現(xiàn)航攝任務(wù)規(guī)劃及完成無人直升機(jī)遙控、遙測(cè)、任務(wù)設(shè)備工作指令。

4遙感圖像

4.1對(duì)地裂縫監(jiān)測(cè)遙感圖像的要求和預(yù)處理

低空遙感圖像有效獲取是地裂縫遙感監(jiān)測(cè)成敗的關(guān)鍵因素。遙感圖像的分辨率直接影響地裂縫提取的效果。不同時(shí)相對(duì)地裂縫異常信息的顯示有較大差異，利用地貌形態(tài)、地物陰影、洪水、霜雪、土壤濕度、植被、作物等種種標(biāo)志，有利于解譯出地面或地下裂縫的某些特征。植被、農(nóng)作物覆蓋度對(duì)地裂縫影像識(shí)別影響較大，所以獲取低空遙感圖像時(shí)盡量選擇植被覆蓋度較低或裂縫帶出現(xiàn)局部塌陷(如雨后或小麥灌溉后)、作物生長(zhǎng)初期進(jìn)行遙感飛行為好。地裂縫低空遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)適時(shí)獲取高分辨率遙感圖像，保證地裂縫遙感特征的最佳形態(tài)，能很好反映地裂縫信息異常。

鑒于此，2013年5月15日使用Z-3無人直升機(jī)遙感平臺(tái)獲取了華北地裂縫隆堯段的地裂縫遙感圖像。在進(jìn)行不同高度、不同角度飛行試驗(yàn)后，確定本次飛行設(shè)計(jì)無人直升機(jī)相對(duì)航高300m，預(yù)設(shè)航向重疊70%，旁向重疊度40%，飛行面積3km2，搭載鏡頭焦距為24mm的大面陣數(shù)碼相機(jī)，獲取影像地面分辨率為0.08m。

無人直升機(jī)飛行時(shí)的抖動(dòng)會(huì)影響航攝遙感圖像效果，需要對(duì)遙感圖像圖片進(jìn)行必要的幾何糾正。同時(shí)，拼接遙感圖像形成災(zāi)區(qū)整體監(jiān)測(cè)圖，也需要一定的影像處理，如空中三角測(cè)量、DEM編輯、生成正射影像等[13]。

4.2地裂縫遙感圖像的處理技術(shù)

4.2.1空間濾波

根據(jù)研究區(qū)地裂縫特征，結(jié)合遙感圖像處理軟件中的多種卷積濾波器對(duì)圖像進(jìn)行處理(默認(rèn)3×3變換核)，處理結(jié)果如圖3所示。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過高通濾波處理后的影像，所有的邊緣信息都得到了增強(qiáng)，同時(shí)也增加了噪聲信息，不適合該影像的地裂縫特征提取[14]；低通濾波抑制了影像中的高頻信息，但較好地反映了地裂縫信息。

圖3　不同空間濾波器的處理結(jié)果

在此基礎(chǔ)上，采用低通濾波器中3×3、7×7、11×11、13×13等不同變換核對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(圖4)，通過對(duì)比，3×3變換核能較好地提取地裂縫信息。

圖4　不同變換核的低通濾波

圖5　其他圖像處理方法效果

4.2.2其他圖像增強(qiáng)處理

根據(jù)對(duì)研究區(qū)的實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的地裂縫整體上呈現(xiàn)為一條不連續(xù)曲線。為了更好地表達(dá)和提取地裂縫的特征信息，通過紋理信息提取、主成分變換、形態(tài)學(xué)濾波和去相關(guān)變換對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理[15]。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，主成分變化可以較為清晰地解譯出裂隙的位置及曲線形態(tài)分布，水平方向類似地裂縫信息，容易分析確定為田間地壟；紋理提取易受到道路以及建筑物等的干擾，提取效果一般；形態(tài)學(xué)濾波在此提取效果不明顯，與原始影像差別不大；相對(duì)于主成分變化的處理結(jié)果，去相關(guān)變換效果相對(duì)較弱。

通過信息提取后，地裂縫信息十分明顯，且地裂縫方向性和影響區(qū)域清楚。

5地裂縫遙感圖像特征分析

隆堯縣1966年邢臺(tái)地震處于6.8級(jí)震中位置，地震發(fā)生時(shí)除有大面積地區(qū)噴砂冒水外，也產(chǎn)生大量的地裂縫，大部分地裂縫閉合后基本不再開裂。周村—西店子一線地裂縫至今仍在活動(dòng)，在隆堯縣城南附近地表有斷續(xù)出露發(fā)育痕跡出現(xiàn)，是華北平原最大的地裂縫。該段地層主要為耕植土、粉土和粉質(zhì)粘土組成，古河道較為發(fā)育，大致呈SN方向，在這個(gè)方向上地表水的垂直滲透作用較強(qiáng)，水的沖刷、潛蝕與搬運(yùn)作用強(qiáng)烈[16]。該區(qū)地表作物主要以小麥和玉米為主，在作物生長(zhǎng)初期他的生長(zhǎng)狀態(tài)與灌溉后的水土保持有必然的聯(lián)系，在地裂縫發(fā)育帶上，由于灌溉水分沿裂縫流失，致使小麥等作物生長(zhǎng)稀疏，在高分辨率遙感圖像上表現(xiàn)出禿斑狀；雨后出現(xiàn)發(fā)育帶上的塌陷，表現(xiàn)為有規(guī)律的塌陷坑，公路上由于裂縫的作用，地面出現(xiàn)破碎現(xiàn)象；以地裂縫條帶為界，地勢(shì)總體表現(xiàn)為南低北高(圖6)。地裂縫條帶在遙感圖像上具有平直和彎曲的線性特征(圖7)。

圖6　解譯特征

圖7　地裂縫遙感異常監(jiān)測(cè)圖

6結(jié)束語

試驗(yàn)結(jié)果表明，在具備可反映地裂縫信息異常的情況下，選擇合適時(shí)間、飛行高度，低空遙感在地裂縫監(jiān)測(cè)中能快速獲取地裂縫遙感信息，并通過信息提取技術(shù)，能很好地監(jiān)測(cè)地裂縫在地表的地質(zhì)現(xiàn)象表露特征。利用低空遙感技術(shù)進(jìn)行地裂縫調(diào)查，能夠快速、有效地為尋找地裂縫提供技術(shù)和方法指導(dǎo)，減少野外地面調(diào)查的盲目性，對(duì)減少地裂縫帶來損害具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。

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