王帥永　唐　川　何　敬　張衛(wèi)旭　方群生　程　霄

(地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)　成都　610059)

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無人機在強震區(qū)地質(zhì)災害精細調(diào)查中的應用研究*

王帥永唐川何敬張衛(wèi)旭方群生程霄

(地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)成都610059)

為對強震區(qū)地質(zhì)災害進行精細調(diào)查，基于無人機低空攝影測量系統(tǒng)能夠獲取高精度、高分辨率和高時效的遙感影像且具有靈活性強和不受復雜地形影響等特點。本文將無人機低空攝影測量系統(tǒng)應用到強震區(qū)地質(zhì)災害精細調(diào)查，探討了強震區(qū)地質(zhì)災害無人機遙感精細調(diào)查流程及成果應用。以老虎嘴滑坡所在區(qū)域的應用為例，闡述了無人機遙感像片的獲取和DEM、DOM及三維真實空間場景的制作方法，重點介紹了利用三維真實場景對地質(zhì)災害進行定性及定量分析及精確描述。實踐結(jié)果表明：(1)同常規(guī)的遙感調(diào)查方法相比，該方法不僅能夠獲取更高分辨率和更高精度的地質(zhì)災害精細調(diào)查基礎數(shù)據(jù)，而且還提高了其時效性及可靠性；(2)構(gòu)建的地質(zhì)災害體三維真實空間場景突破了傳統(tǒng)的二維地質(zhì)災害解譯技術(shù)，提高了地質(zhì)災害解譯的精度及準確度。本文較完整地闡述了無人機低空攝影測量系統(tǒng)在強震區(qū)地質(zhì)災害精細調(diào)查的流程及方法，可以較好地應用于強震區(qū)地質(zhì)災害精細調(diào)查。

汶川強震區(qū)無人機低空攝影測量系統(tǒng)地質(zhì)災害精細調(diào)查三維真實空間場景

0　引　言

我國西南地區(qū)是地質(zhì)災害最為發(fā)育和活躍的區(qū)域，同時也是地質(zhì)災害危害最為嚴重的區(qū)域。2008年汶川(MS8.0)地震觸發(fā)了數(shù)以萬計的地質(zhì)災害，災害對社會造成的影響及產(chǎn)生的間接損失更是無法估量。地質(zhì)災害已經(jīng)嚴重地威脅著人民的生命財產(chǎn)安全，阻礙了社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。近年來，汶川地震強震區(qū)滑坡、崩塌和泥石流災害頻次又明顯增多、危害加大。為了更好地研究強震區(qū)的地質(zhì)災害的空間分布特征及對其進行危險性評價，加強地質(zhì)災害預測預警，需對汶川震區(qū)地質(zhì)災害進行精細的調(diào)查。以往的地質(zhì)災害調(diào)查往往需要調(diào)查人員親臨地質(zhì)災害的危險區(qū)域進行實地調(diào)查。在汶川強震區(qū)，地質(zhì)災害數(shù)量多、分布廣和地質(zhì)環(huán)境復雜，實地調(diào)查要面臨各種危險，用時長且成本和代價都很高，因此汶川強震區(qū)的地質(zhì)災害調(diào)查工作一直面臨著很大的挑戰(zhàn)。為此利用新興技術(shù)方法加強對地質(zhì)災害調(diào)查、防治和預測預警，已刻不容緩。

無人機低空攝影測量系統(tǒng)是以無人機為飛行平臺搭載傳感器設備獲取地面遙感信息的遙感測量方式。該系統(tǒng)具有能夠云下超低空飛行的能力，彌補了衛(wèi)星遙感和普通航空攝影測量因云層遮擋而無法獲取高質(zhì)量數(shù)字影像的不足，是傳統(tǒng)的遙感手段的重要補充(趙星濤等，2014)。無人機遙感能夠快速獲取地質(zhì)災害調(diào)查區(qū)的高分辨率、高精度、高時效遙感影像，特別是在小范圍、能見度低、調(diào)查人員難以到達的地區(qū)，充分地發(fā)揮了無人機遙感的機動性強和超低空飛行的能力(高姣姣，2010)。近年來，無人機遙感技術(shù)在地震災區(qū)地質(zhì)災害調(diào)查中得到很好的應用，如周潔萍等(2008)于2008年開展了汶川地震災區(qū)無人機遙感影像獲取與可視化管理系統(tǒng)研究，曾濤等(2009)于2009年開展了無人機低空遙感影像處理在汶川地震地質(zhì)災害信息快速勘測中的應用研究，臧克等(2010)于2010開展了微型無人機遙感系統(tǒng)在汶川地震中的應用研究，梁京濤等(2013)于2013年將無人機遙感技術(shù)用于汶川震區(qū)典型高位泥石流動態(tài)監(jiān)測研究。這些研究成果極大地推動了無人機遙感技術(shù)在地質(zhì)災害調(diào)查中的應用研究。

基于上述分析，本文將無人機低空攝影測量系統(tǒng)應用于強震區(qū)的地質(zhì)災害精細調(diào)查，以探討其方法及成果應用。期望無人機低空攝影測量系統(tǒng)能夠在今后的強震區(qū)地質(zhì)災害精細調(diào)查中發(fā)揮一定的作用，為強震區(qū)地質(zhì)災害的精細調(diào)查提供一種可行的技術(shù)方法和實踐參考。

1　無人機低空攝影測量

1.1無人機低空攝影測量系統(tǒng)

無人機低空攝影測量系統(tǒng)主要由3部分組成：空中部分、地面部分和數(shù)據(jù)處理部分(張強，2007)?？罩胁糠职o人機平臺、無人機控制系統(tǒng)及遙感傳感器系統(tǒng)，地面部分包括航線規(guī)劃系統(tǒng)、無人機地面控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理部分包括數(shù)據(jù)預處理及相應成果產(chǎn)品制作，其中最主要的部分為：地面部分(圖1)和空中部分(圖2)。

圖1　無人機地面部分Fig.1　Unmanned aerial vehicle ground part

圖2　無人機空中部分Fig.2　Unmanned aerial vehicle air part

無人機的飛行控制是由兩部分組成的：地面遙控和空中自主控制。飛機的起飛過程和回收過程是通過地面控制系統(tǒng)的遠程控制，經(jīng)地面航拍人員操控無人機至預設高度后可通過無人機內(nèi)置的自主控制系統(tǒng)進行空中自主飛行及航拍數(shù)據(jù)的獲取，并可以對以上兩種控制模式進行自由切換(常燕敏，2013)。

該系統(tǒng)搭載了高分辨率數(shù)碼相機，具有垂直攝影和傾斜攝影的功能，不僅能夠豎直拍攝獲取平面影像，而且還能獲取超低空多角度影像，滿足三維建模的需求(劉淑慧，2013)。

無人機低空攝影測量系統(tǒng)具有機動性強、自動化程度高、超低空飛行的特點，可快速獲取多角度、高分辨率的遙感影像；是一個具有高智能化、作業(yè)能力強和低成本的航攝平臺。

1.2傾斜航空攝影測量技術(shù)

傾斜航空攝影測量技術(shù)是國際測繪遙感領(lǐng)域新發(fā)展起來的一項高新技術(shù)。它突破了以往只能從垂直角度拍攝才能生成正射影像的局限，可同時從多個角度采集影像，能夠帶領(lǐng)影像解讀人員進入一個符合人類視覺感受的真實世界(桂德竹等，2012；李鎮(zhèn)洲等，2012)。傳統(tǒng)的遙感影像數(shù)據(jù)主要來源于垂直或傾角很小的衛(wèi)星影像或航空影像，這些影像數(shù)據(jù)大部分只有地物的頂部信息，缺少地物的側(cè)面信息，不利于三維真實場景的建立，并且這些影像上地物熔體產(chǎn)生變形及遮擋壓蓋問題，不利于后期的數(shù)據(jù)處理。然而，航空傾斜影像可以真實地反映出地物的側(cè)面詳細輪廓及紋理信息，為三維實體模型的構(gòu)建提供了數(shù)據(jù)基礎。利用傾斜航空攝影測量技術(shù)，可以快速地構(gòu)建出三維實體模型，簡化了地物紋理采集和處理方法(桂德竹等，2012；李鎮(zhèn)洲等，2012；孫宏偉，2014)。

傾斜航空攝影測量技術(shù)相較于傳統(tǒng)的豎直航空攝影測量方式有其自身的幾大優(yōu)勢。主要有：(1)與正射影像相比，航空傾斜影像可讓影像解讀人員從多個角度觀看地物，更加真實地反映出地物的原本面貌，極大地彌補了正射影像應用中的不足之處；(2)通過專業(yè)的無人機航測三維建模軟件，可以實現(xiàn)直接對于生成的三維實體的屬性信息進行量測，包括高度、長度、寬度、面積、坡度、坡向和位置等信息；(3)相比于三維GIS技術(shù)，其數(shù)據(jù)量更小，影像數(shù)據(jù)應用更方便(桂德竹等，2012；李鎮(zhèn)洲等，2012；孫宏偉，2014)。

2　強震區(qū)地質(zhì)災害無人機遙感精細調(diào)查流程

依據(jù)滑坡崩塌泥石流詳細調(diào)查規(guī)范(中國國土資源部，2014)及研究地質(zhì)災害穩(wěn)定性及對其進行危害性評價的數(shù)據(jù)要求，以單個地質(zhì)災害體為單元，在充分收集調(diào)查區(qū)的自然地理背景、區(qū)域環(huán)境地質(zhì)條件等資料的基礎上，充分利用無人機低空攝影測量系統(tǒng)的優(yōu)勢，開展強震區(qū)地質(zhì)災害精細調(diào)查工作。主要有：①區(qū)域地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體工程特性和斜坡結(jié)構(gòu)類型；②強震區(qū)地質(zhì)災害類型、規(guī)模和特征；③綜合分析強震區(qū)的地質(zhì)災害時空分布規(guī)律與成災規(guī)模；④建立強震區(qū)地質(zhì)災害調(diào)查評價空間數(shù)據(jù)庫。

基于無人機低空攝影測量系統(tǒng)的強震區(qū)地質(zhì)災害精細調(diào)查主要由航拍數(shù)據(jù)的獲取、航拍數(shù)據(jù)的處理和航拍數(shù)據(jù)處理成果分析3個階段組成。航拍數(shù)據(jù)的獲取主要包括資料收集、定點勘查、航線設計和無人機航拍。航拍數(shù)據(jù)處理主要包括結(jié)合控制點坐標數(shù)據(jù)生成DEM(數(shù)字高程模型)、DOM(數(shù)字正射影像)和三維實體地質(zhì)災害模型，并對DOM進行精度評價。航拍數(shù)據(jù)處理成果分析主要包括對地質(zhì)災害體進行解譯，獲取地質(zhì)災害的空間屬性數(shù)據(jù)，以建立地質(zhì)災害空間屬性數(shù)據(jù)庫。綜上所述，基于無人機低空攝影測量系統(tǒng)的強震區(qū)地質(zhì)災害精細調(diào)查流程如圖3所示。

圖3　無人機低空攝影測量系統(tǒng)的強震區(qū)地質(zhì)災害精細調(diào)查流程圖Fig.3　The flowchart of the precise investigation of geological hazard in stong earthquake zone based on unmanned aerial vehicle low-altitude photographic system

3　強震區(qū)地質(zhì)災害無人機遙感精細調(diào)查應用

現(xiàn)以老虎嘴滑坡(位于都汶公路的映秀至汶川段)至都汶高速銀杏鄉(xiāng)入口約5km2區(qū)域為例，進行闡述無人機低空攝影測量系統(tǒng)在強震區(qū)地質(zhì)災害精細調(diào)查中的應用研究。

3.1數(shù)據(jù)獲取

2015年4月，對老虎嘴滑坡所在區(qū)域開展了無人機航拍工作。所采用無人機的主要參數(shù)(表1)。利用航線規(guī)劃系統(tǒng)，按照地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范(國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2008)要求進行航線的規(guī)劃設計，航向重疊度和旁向重疊度分別約是85%和65%?？刂泣c應盡量均勻分布于整個航測區(qū)，并選取具有明顯特征的地物點。通過無人機搭載高分辨率數(shù)碼相機，獲得了超低空遙感影像，其影像分辨率達到了0.2m，共283幅數(shù)字影像。圖4為分辨率0.2m的老虎嘴滑坡航拍影像。

表1　無人機相關(guān)參數(shù)

Table 1　Parameters of unmanned aerial vehicle

項目參數(shù)項目參數(shù)軸數(shù)六軸飛行半徑15km軸距0.81m平飛速度30km·h-1空機重4kg巡航速度30km·h-1實際有效載荷2kg續(xù)航時間30min飛行高度1000m搭載相機Cannon5DII

由于航拍區(qū)域地勢險要，無法嚴格意義上做到控制點在航拍區(qū)域均勻分布，但是對研究對象地質(zhì)災害而言，基本實現(xiàn)了均勻布設控制點分布于研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災害體上，也保證了整個研究區(qū)域網(wǎng)的穩(wěn)定性。點位選取影像清晰，易于后期判讀的位置，并通過RTK(GPS實時差分定位系統(tǒng))同步采集到野外布設的控制點坐標數(shù)據(jù)，其平面坐標精度和高程精度都達到了地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范(國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2008)要求。共有30組控制點坐標數(shù)據(jù)，其中24個控制點用于區(qū)域網(wǎng)平差方程結(jié)算，7個用于正射影像的精度檢查。圖5為航跡圖。

圖4　老虎嘴滑坡單張航拍影像Fig.4　The single aerial photograph of Laohuzui landslide

圖5　航跡圖Fig.5　The air route map

3.2數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括勻色與畸變差改正、空中三角測量、正射影像、精度評價等內(nèi)容(魯恒等，2011)。

觀察對比所獲得的數(shù)字影像，可發(fā)現(xiàn)影像存在色彩和亮度的差別，可能是天氣或相機本身的問題，所以要對所獲取的數(shù)字影像進行勻色處理，以保證后期處理成果具有很好的紋理、亮度和色相等特征(魯恒等，2011)。另外由于本次航拍搭載的是普通的高分辨率數(shù)碼相機。它不是專門用于攝影測量的，故其無準確的測定內(nèi)方位元素。所以在進行空中三角測量之前，必須要先對像點坐標畸變差進行改正，以提高后期處理成果的精度。

采用無人機數(shù)據(jù)處理軟件對航拍獲得的數(shù)字影像進行勻色和畸變差改正，并利用一部分通過RTK采集的控制點坐標數(shù)據(jù)采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法進行空中三角測量，其余控制點作為正射影像精度評價的檢查點，在完成空中三角測量之后，利用同名點和控制點生成DEM，根據(jù)生成的DEM來制作正射影像。為了使正射影像色彩均勻、紋理清晰，應該對正射影像作羽化和重曝光處理(何敬等，2010)。最終可得到該飛行區(qū)域的DEM柵格數(shù)據(jù)(圖6)和DOM影像(正射影像圖)(圖7)。

圖6　研究區(qū)DEM柵格影像Fig.6　DEM of study area

圖7　研究區(qū)正射影像Fig.7　DOM of study area

為了對所生成的正射影像的精度進行評價，隨機選取了分布于整個正射影像范圍內(nèi)的7個實測的檢查點。通過量測檢查點的屏幕坐標與實測坐標數(shù)據(jù)進行對比，并計算可得，地面檢查點的平面坐標中誤差為0.14m，高程中誤差為0.19m，其通過檢測分析可以看出，平面精度和高程精度均滿足地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范(國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2008)對1：2000數(shù)字地形圖要求。此次精度評價表明，無人機低空攝影測量系統(tǒng)可以滿足強震區(qū)地質(zhì)災害精細調(diào)查研究及建立地質(zhì)災害空間屬性數(shù)據(jù)庫的精度要求。

3.3成果及分析

通過傾斜攝影測量建模方法可以快速地構(gòu)建出該飛行區(qū)域的三維真實場景(圖8)，360°無死角的展現(xiàn)地質(zhì)災害體及周圍的真實場景。不但可獲得地質(zhì)災害體的詳細正面信息，而且還可以獲得地質(zhì)災害體的側(cè)面詳細的輪廓信息和紋理信息?？梢郧逦乜闯龅刭|(zhì)災害體的類型、規(guī)模、區(qū)域范圍、所處的地形及地貌，可準確地辨識出地質(zhì)災害體的形態(tài)特征?？梢詮膱D像上直接讀取任一點的高程值及任兩點間的高差、坡度和坡向等信息，為研究大型地質(zhì)災害提供三維參數(shù)。同時，也對大型地質(zhì)災害的監(jiān)測、分析具有重要的指導意義。

圖8　研究區(qū)三維空間場景Fig.8　Three dimensional scene of study area

為了更加清晰、真實地展示無人機低空攝影測量系統(tǒng)的優(yōu)越性，選取了汶川地震典型的次生地質(zhì)災害老虎嘴滑坡為例，并對其進行描述及分析。直接從老虎嘴三維真實場景(圖9)分析可知：老虎嘴滑坡位于岷江左岸，距震中映秀鎮(zhèn)約2.8km，該區(qū)域位于川西龍門山中段、青藏高原向四川盆地過渡的邊緣地帶，河谷深切，呈“V”字型，高陡邊坡較為發(fā)育，河面寬40～100m不等，屬于侵蝕-剝蝕中高山深切河谷地貌。老虎嘴滑坡體發(fā)育于單薄山脊的北西側(cè)，邊坡坡腳高程約890m，坡高約320m，滑源區(qū)高程為1042～1221m，坡腳為堆積區(qū)?；瑒訁^(qū)呈勺狀，左右兩側(cè)高中間低，坡度較陡，近似直立，基巖出露，植被不發(fā)育；堆積區(qū)后緣至前沿呈現(xiàn)緩-陡-緩-陡的特征，堆積體前沿堵塞岷江河道，致使岷江改道，使其向右岸擺動130多米。堆積體斜長約347m，前沿最大寬度約為300m，平面面積約7.0×104m2。堆積體的物質(zhì)構(gòu)造主要由大塊石、棱角狀碎塊石構(gòu)成，其粒徑分布呈現(xiàn)了從堆積體后緣至前沿粒徑逐漸增大的特征，按照其粒徑分布特征將堆積區(qū)劃分為3個區(qū)域：碎石區(qū)、碎塊石區(qū)和大塊石區(qū)，其中，碎石區(qū)主要位于堆積體后緣，主要由碎石及少量細砂組成；碎塊石區(qū)主要由塊石、碎石和少量大塊石組成；大塊石區(qū)主要為較完整的塊石，局部架空，最大粒徑約為5.0m。另外，滑坡后緣有大量的危巖體，在外荷載作用或降雨條件下易失穩(wěn)，危險性較大。經(jīng)野外現(xiàn)場復核表明：從老虎嘴三維真實場景分析所得結(jié)果與野外現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致。

圖9　老虎嘴滑坡三維空間場景Fig.9　Three dimensional scene of Laohuzui landslide

傳統(tǒng)的二維地質(zhì)災害解譯是在平面上通過目視判讀進行地質(zhì)災害解譯。而通過三維真實空間場景進行地質(zhì)災害解譯，可以實現(xiàn)身臨其境、任意視角觀察和實時量測地質(zhì)災害體。這樣就能夠更加清晰準確地劃定其邊界、測量其滑動方向、分析其成災原因、圈定其危險范圍和確定其防治方案。并且在GIS技術(shù)支持下對地質(zhì)災害進行解譯并數(shù)字化地質(zhì)災害體的邊界，可獲得其面積及相關(guān)屬性數(shù)據(jù)。然后利用ArcGIS軟件對所獲得的地質(zhì)災害空間屬性數(shù)據(jù)進行建庫管理，也便于利用ArcGIS對地質(zhì)災害體進行空間分析。最終利用ArcGIS對處理好的航拍影像進行整飾成圖輸出。

4　結(jié)　論

綜上所述，無人機遙感調(diào)查可以較好地應用于區(qū)域性的地質(zhì)災害調(diào)查及危險性評價，也可以用于研究地質(zhì)災害動態(tài)演變規(guī)律的數(shù)據(jù)積累?；跓o人機低空攝影測量系統(tǒng)在老虎嘴滑坡所在的區(qū)域地質(zhì)災害精細調(diào)查的實驗，得到了以下結(jié)論：

(1)無人機低空攝影測量系統(tǒng)獲取的高精度、高分辨率的DEM和DOM，不僅降低了調(diào)查人員的勞動強度和作業(yè)風險，提高了地質(zhì)災害調(diào)查的工作效率，而且還提高了地質(zhì)災害調(diào)查基礎數(shù)據(jù)的時效性及可靠性。

(2)構(gòu)建的地質(zhì)災害體三維真實場景，突破了傳統(tǒng)的二維地質(zhì)災害解譯技術(shù)，提高了地質(zhì)災害解譯的精度及準確度，為以后研究地質(zhì)災害動態(tài)演變提供了數(shù)據(jù)支持，極大程度的地降低了區(qū)域性多期數(shù)據(jù)獲取的難度和成本。

(3)與傳統(tǒng)的三維GIS技術(shù)相比，利用構(gòu)建的地質(zhì)災害體三維真實場景，可對地質(zhì)災害體形態(tài)分布特征及所處區(qū)域的微地貌特征實現(xiàn)精確的描述，可精確地提取出地質(zhì)災害體的屬性信息，也可估算滑坡體積。

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USE OF UNMANNED AERIAL VEHICLE FOR PRECISE INVESTIGATION OF GEOLOGICAL HAZARD IN STRONG SEISMIC ZONE

WANG ShuaiyongTANG ChuanHE JingZHANG WeixuFANG QunshengCHENG Xiao

(State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu610059)

This paper aims to investigate geological hazard precisely in strong seismic zone.It uses unmanned aerial vehicle based low-altitude photographic system.The system can obtain high-precision，high-resolution and high-altitude remote sensing image，and has the advantage of flexibility and freedom from complex topography.This paper applies the system to the precise investigation of geological hazard，the precise investigation procedure of geological hazard in strong seismic zone.The application of results are discussed.The paper takes the application in the Laohuzui landslide zone as an example.It describes the remote sensing image extraction and the method of DEM，DOM and three-dimensional real space scene.It focuses on introducing the qualitative and quantitative analysis of the geological hazard and the precise description.The practice results show that：(1)compared with the conventional remote sensing investigation method，this method not only obtains higher-resolution and higher-precision basic data for the precise investigation of the geological hazard，but also improves its efficacy and reliability;(2)three-dimensional real space scene of the geological hazard breaks through the traditional two-dimensional interpretation method，improves the precision and accuracy of the geological hazard.The system can be applied to the precise investigation of geological hazard in strong seismic zone．

Wenchuan strong seismic zone，Unmanned aerial vehicle，Low-altitude photographic system，Geological hazard，The precise investigation，Three-dimensional real space scene

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.029

2015-06-10;

2015-08-02.

科技基礎性工作專項：西南地形急變帶地質(zhì)災害綜合調(diào)查與風險制圖(2011FY110100-3)，地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室團隊項目(SKLGP2012Z002)資助.

王帥永(1988-)，男，碩士生，研究方向為3S技術(shù)在地質(zhì)災害中的應用.Email: 932642157@qq.com

P694；V279+.2

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