楊娟

(重慶第二師范學院，重慶400065)

多軸旋翼無人機航攝在三峽庫區(qū)群發(fā)地質(zhì)災害應急調(diào)查監(jiān)測中的應用探析

楊娟

(重慶第二師范學院，重慶400065)

三峽庫區(qū)是我國自然災害多發(fā)、頻發(fā)的地區(qū)，輕型固定翼無人機由于航線敷設、起飛降落凈空、飛行控制等具有特殊的要求，影響了無人機數(shù)據(jù)獲取的時效性的發(fā)揮。本文將通過三峽庫區(qū)群發(fā)地質(zhì)災害搶險救災實例，總結(jié)出多軸旋翼無人機航攝在群發(fā)地質(zhì)災害中的應用經(jīng)驗和方法，進一步推動多軸旋翼無人機航攝在我國群發(fā)地質(zhì)災害應急調(diào)查監(jiān)測中的應用。

多軸旋翼無人機航攝;三峽庫區(qū)群發(fā)地質(zhì)災害;應急調(diào)查監(jiān)測

無人機具有機動靈活，航攝周期短等優(yōu)勢，可以快速獲取相關(guān)影像，為災區(qū)的災害排查和人員施救提供直接有效的數(shù)據(jù)［1］。2009年以來，重慶市初步建立了輕型固定翼無人機低空遙感服務體系［2］，并在多次大型地質(zhì)災害應急搶險救援工作中進行了應用，取得了較好的效果［3-7］。三峽庫區(qū)是我國自然災害多發(fā)、頻發(fā)的地區(qū)之一［8］，區(qū)內(nèi)山高坡陡、峽谷縱橫，地質(zhì)災害點多面廣，加之地質(zhì)災害往往與不良天氣和復雜地形等不利因素疊加，而輕型固定翼無人機航線敷設、起飛降落凈空、飛行控制具有特殊的要求［1-9］，影響了無人機數(shù)據(jù)獲取時效性的發(fā)揮。相對而言，多軸旋翼無人機有其獨有特點，能更好地獲取三峽庫區(qū)群發(fā)性地質(zhì)災害資料，為搶險救援提供決策性的數(shù)據(jù)支撐。2014年8月31日至9月2日，三峽庫區(qū)重慶段普降大到暴雨，暴雨造成大量道路損毀，房屋倒塌，山體滑坡、泥石流、堰塞湖等災害，其中奉節(jié)、巫山、巫溪、云陽、開縣等地受災嚴重，重慶市國土房管局組織多支無人機組第一時間進入災區(qū)，對體量100萬方以上地質(zhì)災害點進行應急航攝。本文將通過三峽庫區(qū)群發(fā)地質(zhì)災害搶險救災實例，總結(jié)出多軸旋翼無人機航攝在群發(fā)地質(zhì)災害中的應用經(jīng)驗和方法，進一步推動多軸旋翼無人機航攝在我國群發(fā)地質(zhì)災害應急調(diào)查監(jiān)測中的應用。

1 硬件系統(tǒng)簡介

1．1系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)硬件包括八軸碳纖折疊式旋翼機，DJI WooKong-M飛行控制器，DJI 900Mhz電臺，SONY a7R微單，LIPO電池(6S，30000mAh)，地面監(jiān)控系統(tǒng)為DJI Groud Station 4．0和Futaba 14SG，硬件技術(shù)指標見表1。

表1 硬件系統(tǒng)主要技術(shù)指標

1．2系統(tǒng)特點

1)成本低，便于維護。多軸旋翼機單架設備總成本在10萬以內(nèi)，較同重量級的固定翼和直升機大幅降低［10］;其結(jié)構(gòu)簡潔，機體的各部分通過模塊化設計，可實現(xiàn)快速拆換和簡便維護，有效降低了維護成本。

2)適應性強。多軸旋翼機機體小，可折疊，重量輕，便于運輸，可在災體就近位置起飛，飛行范圍和獲取數(shù)據(jù)針對性、有效性高;可做低空、低速飛行，極端條件亦可托舉起飛，起飛場地要求低;在對峽谷、危巖等大高差、高切坡災體航攝時，可設置平行變高航線甚至垂直航線，多角度獲取災體高精度數(shù)據(jù);可利用雨間短時插空完成飛行任務，避開低層云霧，有效突破地災發(fā)生地點的復雜地形和天氣影響。

3)飛行穩(wěn)定。多軸旋翼機動力建模精確，指令實現(xiàn)動作誤差小，有效避免了固定翼與直升機飛行動作受轉(zhuǎn)動慣量、迎風側(cè)與順風側(cè)升力差導致航偏、干擾大的缺陷［10］，其飛行姿態(tài)平穩(wěn)，震動小，航線轉(zhuǎn)彎半徑小，提高了獲取數(shù)據(jù)的有效性和精準性，滿足了地質(zhì)災害航攝精準拍攝的要求。

4)安全性高。八軸旋翼機抗風性可達6級，其空氣動力學特征可避免失速，有效降低了山區(qū)紊流對飛行的干擾;其容錯能力較強，在1電機失能時能繼續(xù)正常飛行，在對向3電機和同側(cè)2電機失能情況下，仍能完成基本動作實現(xiàn)設備回收。

由于受電池、電機、材料等技術(shù)限制，目前多軸旋翼機還存在動力有限，速度慢，續(xù)航短，單架次有效航攝區(qū)域小等缺陷，不過針對三峽庫區(qū)地質(zhì)災害體量，多軸旋翼無人機的這些缺陷能得到很好的彌補。

2 數(shù)據(jù)采集與處理方法

2．1數(shù)據(jù)采集

無人機由于搭載傳感器幅面小、基高比?。?］等原因，加之地質(zhì)災害發(fā)生地點往往位于地形陡峭，地勢高差較大的山區(qū)，并有可能伴有雨和山間低云、霧等不良天氣，普通無人機難以平衡航攝的精度和效率要求。因而，利用多軸旋翼靈活操控的特點，可根據(jù)災體的形狀、地形、云霧等環(huán)境要求逐航點編輯航線，高效率獲取地質(zhì)災害體及影響區(qū)的全面數(shù)據(jù)。在此次三峽庫區(qū)群發(fā)地質(zhì)災害航攝中，根據(jù)不同的災體特點，對地勢高差不大的災體，如奉節(jié)竹園鎮(zhèn)無山村滑坡泥石流，災體高差約200 m，災體范圍較大，采用等高矩形常規(guī)方式設計航線(如圖1);對地形變化較均勻的災體，如巫山福田鎮(zhèn)土梁子滑坡，災體坡度基本一致，高差約200 m，考慮到高差對航拍照片重疊度的影響，結(jié)合災體形狀采用非規(guī)則方式設計應急航線(如圖2);對災體和影響區(qū)域大，地勢高差大的災體，如奉節(jié)青蓮鎮(zhèn)白果寨滑坡泥石流，災體高差約800 m，采用近似平行等高線分塊變高設計應急航線(如圖3);對有陡崖等陡峭地形，如奉節(jié)大樹鎮(zhèn)場鎮(zhèn)滑坡，滑坡后沿陡崖高度約250 m，單向航線難以獲取到崖體側(cè)面數(shù)據(jù)，容易形成數(shù)據(jù)空洞，則采用變高和交叉飛行方式設計應急航線(如圖4);對有低云、霧影響的災體，可采用交叉飛行的方式，實現(xiàn)云區(qū)遮擋數(shù)據(jù)補償［11］。

圖1無山村滑坡泥石流常規(guī)應急航線設計

圖2土梁子滑坡非規(guī)則應急航線設計

圖3白果寨滑坡泥石流變高應急航攝航線設

圖4大樹場鎮(zhèn)場鎮(zhèn)滑坡變高并交叉應急航線設計

2．2數(shù)據(jù)處理

由于無人機航片重疊度不規(guī)則，傾斜角和旋偏角偏大，像幅小、基線短等數(shù)據(jù)處理難點，完整大比例尺測繪精度要求的無人機數(shù)據(jù)處理方法步驟多，技術(shù)流程復雜，軟硬件系統(tǒng)要求高，處理周期較長［1-12］，難以滿足地質(zhì)災害應急搶險快速評估、應急反映的要求。隨著計算機圖形技術(shù)和計算機視覺技術(shù)的快速發(fā)展，目前可利用無人機航攝的二維靜態(tài)航片快速實現(xiàn)地質(zhì)災害體DOM、DEM制作、三維重建等，為地質(zhì)災害救援提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前俄羅斯Agosoft Photoscan-Pro、法國的ContextCapture，我國的DP-Grid等軟件可實現(xiàn)無人機數(shù)據(jù)的快速處理。此次三峽庫區(qū)群發(fā)地質(zhì)災害應急航攝數(shù)據(jù)處理采用的是Agosoft Photoscan-Pro軟件。

2．2．1數(shù)據(jù)處理步驟

Agisoft PhotoSca-Pro軟件是一款3D掃描系統(tǒng)，可根據(jù)多視圖三維重建技術(shù)，對任意照片進行處理。軟件通過導入具有一定重疊率的數(shù)碼影像，影像定和向三維模型重建過程自動化程度較高，實現(xiàn)高質(zhì)量的DOM生成及三維模型重建。該軟件支持傾斜、多源、多航高、多分辨率影像自動空三處理，可根據(jù)多視圖三維重建技術(shù)自動計算照片位置、姿態(tài)等，對無POS數(shù)據(jù)，滿足重疊度的影像也能自動處理，提高無人機航攝原始數(shù)據(jù)有效性。同時，該軟件還支持多核、多線程CPU運算，支持數(shù)據(jù)分塊拆分處理，大大提高了工作效率。軟件處理主要流程如圖5。

圖5PhotoSca-Pro數(shù)據(jù)處理流程

在地災搶險時，可省略密集點云匹配、點云分類與編輯、控制點采集步驟，快速實現(xiàn)影像拼接，生產(chǎn)低精度影像圖。通過簡化流程處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)獲取2 h內(nèi)形成初步成果提交應急指揮部。然后再根據(jù)各地災點搶險工作實際需要，通過設置不同精度參數(shù)，增加關(guān)鍵控制程序，生產(chǎn)滿足要求的航攝成果。

2．2．2影像空間參考與地面控制

應急航攝工作最重要的是時間保障，對地質(zhì)災害影像和三維建模的精度要求較為粗略，加之地災體危險性高，救災人員物資調(diào)運困難，難以具備對地災體按照常規(guī)航測技術(shù)進行控制測量的條件，因此在應急航攝時往往不開展地面控制點測量。但也有部分災體大、影響廣，需要進行大規(guī)模救援或治理的地災體，需要盡可能進行控制數(shù)據(jù)采集，以實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)提取。地質(zhì)災害無人機控制測量主要采用3種方式，根據(jù)實際情況進行選擇:a利用采集的POS參數(shù)，通過軟件空間參考功能，生成帶有WGS-84坐標系統(tǒng)的可量測影像，根據(jù)需要進行坐標轉(zhuǎn)換;b利用地災發(fā)生前歷史數(shù)據(jù)，如二次調(diào)查、地理國情等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，選取特征地物點獲取坐標值，該方法需要在航攝時適當擴大航攝范圍，以滿足特征點提取;c采用GPS等設備，在航攝影像上按照控制要求選取特征點，實地施測坐標和高程信息，錄入航帶內(nèi)和航帶間同名點，再進行空三測量和平差計算。在此次地災應急監(jiān)測中，主要采用前兩種控制主法，只有無山村滑坡泥石流因需要對崩滑體和堰塞湖體量進行準確計算，以指導搶險施工，采用了GPS控制點施測法并通過航測內(nèi)業(yè)生成了等高線。

2．2．3去除云、霧、陰影等提高影像質(zhì)量

外業(yè)航攝受到山間低云、霧的影響時，多采用降低飛行高度或者等待天氣轉(zhuǎn)好后再航拍的方法獲取數(shù)據(jù)。但在群發(fā)地質(zhì)災害應急航攝時，由于災害點分布散亂，災點間交通困難，后勤保障較弱，為盡快的獲取到數(shù)據(jù)，在無法避開云、霧時，往往采用交叉多角度航線設計，使不同拍攝點照片能夠從不同角度對云霧遮擋地物進行信息補償。利用軟件的掩膜功能，去除云霧影響，生成無云(少云)的影像成果。在對巫山龍溪鎮(zhèn)張家寨滑坡進行航攝時，由于地形條件限制，無人機無法再降低航高避開云霧，在數(shù)據(jù)采集后使用用掩膜功能，獲得了連續(xù)無遮擋的DOM。其中部分數(shù)據(jù)情況如圖6～7。

圖6航拍原始照片進云與掩膜

圖7處理后DOM效果

2．2．4DEM提取和DOM數(shù)據(jù)精度提高方法

利用軟件自動的點云和網(wǎng)格建立生成的三維模型，往往地物特征點位(如房角、角脊等)與自動提取點云并不一致，導致自動拼接的DOM存在房屋、陡岸、水體等存在扭曲的現(xiàn)象，導致生成的DSM精度不高?？赏ㄟ^對密集點云的自動或手工方式將房屋、水體、樹林等地物進行分類，重建網(wǎng)格并生成新的DEM和DOM。僅需對災體進行簡單評估時，為提高輸出影像美觀性，可選擇影像扭曲點所對應的航片，在構(gòu)建模型基礎(chǔ)上單獨輸出該區(qū)域DOM進行替換。處理效果如圖8。

圖8進行房屋扭曲數(shù)據(jù)替換修正前后效果對比

2．3應急搶險數(shù)據(jù)提取與分析

2．3．1直接信息提取與分析

通過處理后生成的DOM和三維模型，可利用經(jīng)驗直觀判讀提取災體范圍、面積、高程、災體運動方向、類型及災體分段位置、次生災害危險點等信息［5］，也可利用破壞存留物體，提取直觀的災害損失數(shù)據(jù)。如圖9。

圖9蘭家山滑坡災體范圍與災損信息提取

2．3．2間接信息提取與分析

間接信息提取指通過將航攝DEM、DOM與歷史DEM、DOM等信息進行對比，或利用三維模型數(shù)據(jù)與區(qū)域地形、權(quán)屬、土地利用、基礎(chǔ)設施等圖件相結(jié)合，采用動力模型分析、GIS分析等方法，開展災害影響區(qū)與安全界限評估、災害損失評估、災害體積(容量)計算等工作［4-5］，如圖10。

圖10無山村滑坡泥石流地災發(fā)生前后影像對比

如對無山村滑坡泥石流災害分析中，通過無人機航攝資料與區(qū)域地形圖、歷史影像圖對比并結(jié)合地勘資料分析得出:無山村滑坡泥石流前緣大面積滑塌，形成泥石流沿溝槽沖入岔河，堵塞河道形成2處堰塞湖。滑坡滑移造成滑坡體內(nèi)152戶房屋全部倒塌，經(jīng)清理623人全部避險，滑坡下方堰塞湖區(qū)域掩埋房屋18間，經(jīng)清理緊急避險24戶90人。區(qū)內(nèi)發(fā)育地災體主要有無山坪1號滑坡、2號滑坡、郭家溝泥石流、麻柳樹溝泥石流。無山坪1號滑坡縱向長度550～640 m，寬度140～280 m，總面積約為(13．2×104)m2，滑體厚度為3．5～18 m，平均厚度約11 m，滑坡總體積約(145．2×104)m3。2號滑坡縱向長度(330～570)m，后緣寬度約230 m，前緣寬度約600 m，總面積約(23．4×104)m2，滑坡總體積約(538．2×104)m3。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)與地形資料，分析得出麻柳樹溝泥石流流域縱向長度約2．2 km，平均寬度0．6 km，流域面積1．4 km2。郭家溝泥石流縱向長度約1．6 km，平均寬度0．25 km，流域面積0．45 km2。

3 結(jié)論

本文通過對多軸旋翼無人機和Photoscan-Pro相結(jié)合，面對群發(fā)地質(zhì)災害點多面散、地形與氣象條件復雜的困難，結(jié)合多軸旋翼無人機特點，創(chuàng)新實施多種應急航線敷設方式，利用軟件功能，有針對性地制定出多軸旋翼無人機在三峽庫區(qū)群發(fā)地質(zhì)災害應急航攝及影像處理流程。在三峽庫區(qū)群發(fā)地質(zhì)災害應急監(jiān)測中，采用4個工作組同時作業(yè)的方式，在1周內(nèi)完成了奉節(jié)、巫山、巫溪共計74個地災點航攝，并確保在航攝當日夜間向指揮部提交快速監(jiān)測DOM，有力支持了應急搶險工作。對重要的大型災害點后期進行了精細化處理，配合相關(guān)部門開展災情評估、災體量算等工作，較好地完成了應急監(jiān)測任務?，F(xiàn)階段計算機視覺技術(shù)已經(jīng)對攝影測量產(chǎn)生革命性的影響，許多類似的無人機系統(tǒng)及處理軟件也應運而生，他們都各自具有不同的優(yōu)缺點，如何發(fā)揮各種軟件的長處，進一步提高無人機軟硬件的綜合應用，還需要進行更深入研究。相信在不久的將來，隨著材料技術(shù)、機電技術(shù)以及計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，無人機航測將更加方便、精確，為各行各業(yè)的工程化應用提供更為優(yōu)質(zhì)的服務。

［1］畢凱，李英成，丁曉波，等．輕小型無人機航攝技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．測繪1通報，2015，0(3):27－31．

［2］宋丹，劉智華．國土資源無人機遙感監(jiān)測項目通過驗收［J］．重慶國土房產(chǎn)，2014，12(3):11－13．

［3］韓文權(quán)，任幼蓉，趙少華．無人機遙感在應對地質(zhì)災害中的主要應用［J］．地理空間信息，2011，10(5):6－8．

［4］馬澤忠，王福海，劉智華，等．低空無人飛行器遙感技術(shù)在重慶城口滑坡堰塞湖災害監(jiān)測中的應用研究［J］．2011，25(1): 253－256．

［5］劉智華，馬澤忠．西南地區(qū)地質(zhì)災害應急體系構(gòu)架模式研究［J］．地理空間信息2014，12(3):11－13．

［6］曾德耀，周富春，蔣海濤，等．基于無人機航測技術(shù)的三峽庫區(qū)地質(zhì)災害調(diào)查監(jiān)測方法研究［J］．綠色科技，2015(1):209－211．

［7］劉昌軍，郭良，岳沖．無人機航測技術(shù)在山洪災害調(diào)查評價中的應用［J］．中國防汛抗旱，2014，24(3):3－7．

［8］潘學標．地質(zhì)災害及其減災技術(shù)［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2010．

［9］易俐娜．無人機數(shù)據(jù)處理技術(shù)教學方法研究［J］．教育教學論壇，2016(1):182－183．

［10］范永濤．四軸飛行器運動控制系統(tǒng)設計［D］．蘭州:蘭州理工大學，2009:1－3．

［11］趙云景，龔緒才，杜文俊，等．PhotoScan Pro軟件在無人機應急航攝中的應用［J］．國土資源遙感，2015，27(4):179－182．

［12］楊永明．無人機遙感系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取與處理關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．昆明:昆明理工大學，2012．

Investigation and Monitoring of Multi Axis Unmanned Aerial Vehicle(UAV) with Photographies in Mass Geological Disasters in Three Gorges Reservoir Region

YANG Juan
(The Second Normal College in Chongqing，Chongqing 400065，China)

The Three Gorges Reservoir area is a natural disaster prone area in China．Light was fixed on wings UAV as the route laying．Taking off or landing in clearance，flight control will have special requirements，as often affects the timeliness of UAV data acquisition．In this paper，we will summarize the application experience and method of multi axis unmanned aerial vehicle(UAV)aerial photography in mass geological disasters for a disaster rescue．We hope to promote the application of multi axis rotor UAV in the mass of geological disasters in monitoring of emergency investigation．

Multi axis rotor UAV aerial photography;Geological disasters in three gorges reservoir region; Emergency investigation and monitoring

P694

A

10．14101/j．cnki．issn．1002－4336．2017．01．045

2016－12－28

重慶市教委科學技術(shù)研究項目(KJ14011408);重慶第二師范學院科研項目(KY201336B)

楊娟(1978－)，女，福建政和縣人，副教授，研究方向:災害與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，電話:023－61252065，E-mail: 516407107@qq．com．