摘要：運用傳統(tǒng)方法監(jiān)測與調(diào)查滑坡地質(zhì)災害是一個高成本、高代價的工作，而基于無人機遙感技術開展滑坡地質(zhì)災害監(jiān)測可以提升工作效率和減少成本。應用無人機遙感技術能夠迅速獲得質(zhì)量高、分辨率高的遙感影像，尤其是在地形與氣候較為復雜的區(qū)域。文章選取浙江臺州仙居某村作為研究對象，應用無人機遙感技術對滑坡地質(zhì)災害開展現(xiàn)場掃描工作，通過收集滑坡后的地表三維點云數(shù)據(jù)，再進行處理獲得DEM與DOM，最后定量計算出滑坡土方量，以期為相關研究提供借鑒與參考。

關鍵詞：無人機遙感;滑坡地質(zhì)災害;監(jiān)測;數(shù)字高程模型

中圖法分類號：P694文獻標識碼：A

Research on landslide geological disaster monitoring based onUAV remote sensing technology

ZHU Jiguang

（Zhejiang Engineering Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Hangzhou 315012，China）

Abstract：Using traditional methods to monitor and investigate landslide geological disaster is a high cost and high cost work， so the landslide geological disaster monitoring based on UAV remote sensing can improve the work efficiency and reduce the cost. Uav remote sensing technology can quickly obtain high quality and high resolution remote sensing images， especially in small areas， terrain and climate complex areas. This article selects the xianju， a village in Taizhou，Zhejiang， as the research object，uses the uav remote sensing technology to carry out field scanning， collects the surface of three-dimensional point cloud data after land slide， and then processes to obtain DEM and DOM. Finally the quantitative landslide earthwork quantity is calculated， in order to provide certain reference to related research.

Key words： UAV remote sensing， landslide geological disaster， monitoring， digital elevation model

1? 概述

近年來，我國諸多區(qū)域多發(fā)各種各樣的地質(zhì)災害。作為一種有著較強破壞性以及突發(fā)性的地質(zhì)性災害，滑坡在我國很多地區(qū)都廣泛分布。在以往的地質(zhì)災害監(jiān)測中，一般要安排相關調(diào)查人員深入地質(zhì)災害出現(xiàn)的重點地區(qū)進行仔細勘察，這就對其生命安全有著較大的威脅。此工作不僅有著極高的成本，也會耗費較長的時間、降低工作效率。因而，如何應用新型科技來提升工作效率與減少支出，是當前滑坡地質(zhì)災害監(jiān)測面臨的挑戰(zhàn)[1]。

隨著遙感技術的不斷發(fā)展，很多科研人員已經(jīng)把衛(wèi)星遙感影像普遍且深入地應用在滑坡地質(zhì)災害監(jiān)測工作之中。受到我國一些區(qū)域氣候因素的影響，大霧天氣和云層阻擋較為普遍，這就在一定程度上限制了衛(wèi)星遙感影像的分辨率，最終降低了影像的品質(zhì)。獲取不到較好的衛(wèi)星遙感影像就無法滿足滑坡地質(zhì)災害不斷提升的精度要求。

無人機遙感裝置可以在云層之下進行低空飛行，能夠彌補衛(wèi)星遙感影像與航空攝影無法獲得理想影像的不足。利用無人機遙感系統(tǒng)可以迅速地獲得高質(zhì)量、高分辨率的遙感影像，尤其是在地形、地質(zhì)與氣候狀況較為復雜的區(qū)域，充分發(fā)揮了無人機遙感的靈便機動、速度快、效率高等優(yōu)勢。

近年來，相當一部分科研工作人員應用無人機遙感技術開展滑坡地質(zhì)災害監(jiān)測工作。例如，有學者應用無人機遙感技術開展重慶市某地滑坡地質(zhì)災害應急監(jiān)測，深入研究了無人機遙感在滑坡地質(zhì)災害評價與災害損毀評估中的應用;有學者應用無人機拍攝的高分辨率影像解譯所研究區(qū)域內(nèi)部各種具有代表性的地質(zhì)災害，開展解譯工作的主要依據(jù)是影像中各種地質(zhì)災害所展現(xiàn)出的形狀、顏色、陰影以及紋理等;有學者以某水電站庫區(qū)地質(zhì)災害為研究對象，在剖析與治理水電站地質(zhì)災害點時應用了以無人機為載體的垂直與傾斜攝影;有學者以四川某地滑坡為研究區(qū)域，闡述了如何獲得無人機遙感影像以及制作數(shù)字高程模型、DOM 與3D 模型的方法，詳細介紹了如何應用 3D 數(shù)字模型定性與定量分析、精準描述地質(zhì)災害，并處理無人機影像且制作精度較高的正射影像、3D 數(shù)字模型。

2? 無人機遙感技術在地質(zhì)災害監(jiān)測中的應用

對于地質(zhì)災害監(jiān)測而言，在實際工作中根據(jù)其需求以及無人機遙感技術特性合理應用無人機遙感技術，可以全面保障地質(zhì)災害監(jiān)測工作質(zhì)量[2]。為了將無人機遙感技術的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，相關工作人員應當對其應用優(yōu)勢進行充分了解以及深入研究，進而為后續(xù)的工作打下堅實的基礎。在實際應用無人機遙感技術中，往往是通過無線電監(jiān)控設備來對無人機進行合理操控。以無人機作為主要平臺，通過各類遙感器來獲得某個區(qū)域的遙感信息，進而使實際工作需求得到全面滿足。

無人機遙感技術是一種新型遙感技術，和其他遙感技術相比，其在實際應用中有著非常明顯的優(yōu)勢：首先，無人機遙感技術的響應速度極快。使用無人機系統(tǒng)時，可以在較短的時間內(nèi)使飛行器上升到指定高度，并且在短期內(nèi)獲得較好的監(jiān)測效果。合理應用該技術，不僅可以提高監(jiān)測工作效率，也能夠提高監(jiān)測精度。在后續(xù)的工作中，可以結(jié)合監(jiān)測工作的需求，合理改變無人機的飛行高度，從而提高數(shù)據(jù)獲取效率。其次，利用無人機遙感技術所獲得的圖像分辨率極高，可以根據(jù)不同需求獲得更為精準的監(jiān)測信息，并且通過圖像的方式對區(qū)域內(nèi)各項數(shù)據(jù)進行完整反饋。無人機遙感技術具有大面積覆蓋以及垂直成像等特點，是一種極為先進的技術。在實際應用無人機遙感技術中，無人機可以根據(jù)技術人員提前設定的路線進行自主飛行，無須人工操作，飛行速度極快、覆蓋范圍很廣。同時，無人機可以根據(jù)周邊環(huán)境的變化進行自適應飛行，從而有效提高平穩(wěn)性。最后，在實際應用無人機遙感技術中，成本要求較低。隨著我國科技不斷發(fā)展，在制作無人機時，碳纖維復合材料被廣泛應用，其具有質(zhì)量輕、強度高的特點。同時，在后續(xù)無人機的維修及保養(yǎng)過程中，無須投入太多的技術和成本投入即可有效保養(yǎng)。此外，應用無人機遙感技術時，硬件配置要求較低，極具性價比。

當前，在地質(zhì)災害監(jiān)測工作中，合理利用無人機遙感技術不僅可以提高監(jiān)測工作效率，而且能夠全面精簡監(jiān)測工作流程，以減少不必要的資金投入，有效滿足地質(zhì)災害監(jiān)測工作的實際需求，使得地質(zhì)災害監(jiān)測行業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。

3? 研究區(qū)域簡介

在浙江發(fā)生的地質(zhì)災害中，以滑坡災害為主，浙江臺州區(qū)域尤甚。近年來，部分學者把遙感影像與目視解譯相結(jié)合，將其應用到滑坡地質(zhì)災害勘查工作中。其主要缺點是過分依賴解譯工作人員的專業(yè)知識能力以及豐富的經(jīng)驗，大多使用的是分辨率較低的遙感圖像。其僅可以判斷解譯以及定性分析大型滑坡地質(zhì)災害，無法定量分析滑坡的規(guī)模與地質(zhì)危害等級，難以滿足建設工程與治理地質(zhì)災害的要求。

無人機低空攝影測量在不斷發(fā)展，其擁有靈活機動、攜帶便捷、分辨率高等特征，可以獲得精度較高的 DEM 和 DOM 等相關數(shù)據(jù)信息，其在監(jiān)測地質(zhì)災害、提取信息以及遙感解譯、災情評價等方面有著顯著優(yōu)勢 [3]。應用無人機遙感技術不僅能夠提高解譯精度，也能夠縮短工作時間、降低成本，并且能夠?qū)崿F(xiàn)滑坡地質(zhì)災害體的定量測量。近年來，人類的活動變得更加頻繁，滑坡地質(zhì)災害嚴重威脅著交通工程以及水利工程的安全。在一個工程項目進行施工之前，監(jiān)測滑坡是一項非常重要的工作。

本文選擇浙江臺州仙居某村作為研究對象，基于無人機遙感技術對滑坡地質(zhì)災害進行監(jiān)測，以獲得精度較高的數(shù)據(jù)。基于此，監(jiān)測和分析滑坡點，從而為該區(qū)域的防災減災以及編制地區(qū)相關規(guī)劃提供一定依據(jù)。浙江臺州仙居某村所處區(qū)域?qū)儆谇治g低山地貌，自然斜坡坡度為15°～ 45°，海拔高程為470m ～175m ，最大相對高差為295m ，監(jiān)測面積為0.6km2。

本次研究使用的是中國科學院 QC?1 型無人機。因在設計飛行航線時，考慮到地形變化較大，并且成像的要求是0.1 m 分辨率正射影像，航拍時采用變高航線的方式。此次無人機航拍基于“CGCS2000”坐標系，高程系統(tǒng)則采用“1985國家高程基準”。因監(jiān)測滑坡地質(zhì)災害需要清晰且豐富的紋理信息，無人機航拍原片的地面分辨率應當達到1 ∶1000的要求，地面分辨率高于10cm ，無人機航拍原片的地面分辨率為8cm。

4? 滑坡地質(zhì)災害監(jiān)測

4.1? 點云數(shù)據(jù)提取與分類

在本次研究中，無人機獲得的點云數(shù)據(jù)為不超過5°的重疊點云，對其開展過濾工作，僅保留精度較高的點云數(shù)據(jù)。利用控制數(shù)據(jù)對拼接完成的點云數(shù)據(jù)進行校正，測得的20個像控點數(shù)據(jù)均用來進行平差，經(jīng)過校正的點云和控制的中誤差都小于0.1 m。

因基于無人機獲得的點云數(shù)據(jù)是一些沒有順序規(guī)則的點，須對點云數(shù)據(jù)類別進行劃分，從分散的點云中精準地提取地面及地面物質(zhì)的信息，進而為分析滑坡地質(zhì)災害提供更加有用的信息數(shù)據(jù)[4]。本文采用監(jiān)督分類的方法，將構(gòu)建統(tǒng)計判別函數(shù)作為理論基礎，根據(jù)具有代表性樣本閾值選擇訓練方法完成分類工作，通過選取特征數(shù)值，計算出特征數(shù)值并且作為決策規(guī)則。構(gòu)建識別函數(shù)，完成分類影像類別劃分，進而開展對地面點以及非地面點的點云數(shù)據(jù)類別劃分。

4.2? 地形數(shù)據(jù)及分析

將地形柵格的分辨率設定為1m ，通過分析可以發(fā)現(xiàn)，一些地形數(shù)據(jù)中缺少的部分能夠通過插值完成填充，進而建立實心的地形表面。監(jiān)測區(qū)域地形西側(cè)高東側(cè)低，東側(cè)和西側(cè)均為高山，中間是低谷。在海拔比較低的山谷中居民點散布，最低點海拔高度大約為175m ，最高點海拔高度大約為470m ，最高點和最低點的高差大約為390m 。參考坡地分類，把監(jiān)測區(qū)域劃分為以下幾個區(qū)間：0°～ 5°是緩坡區(qū)，5°～ 15°是緩斜坡區(qū)，15°～ 25°是陡坡區(qū)，25°～ 45°是極坡區(qū)。根據(jù)對研究區(qū)域以往地質(zhì)災害的分析，其中15°～ 25°和25°～35°是地質(zhì)災害易發(fā)的兩個坡度區(qū)間，采用 ARCGIS 軟件把空間坡度依照上述分類進行劃分。由于坡度變化率是其二階導數(shù)，也是一個無量綱數(shù)值，因此能夠體現(xiàn)坡度變化速率。坡度比較大而且變化率比較大的區(qū)域，先判別為易發(fā)生地質(zhì)災害滑坡區(qū)域，在進行級別劃分時，依照變化率數(shù)值10°為一個范圍，將坡度較陡且坡度變化較快的區(qū)域進行高亮。

4.3? 空間分析

在遙感影像上，將居民點的分布地區(qū)進行矢量化，依照100m 的距離對居民區(qū)向外部形成緩沖區(qū)域。與此同時，把坡度以及坡度率進行二值化處理。如果坡度超過30°，坡度變化率數(shù)值比30°大，并且處在居民區(qū)范圍100m 的區(qū)域，容易發(fā)生地質(zhì)滑坡災害。

4.4? 定量分析滑坡土方量

選擇重要地區(qū)開展定量滑坡土方量分析。在易發(fā)生滑坡地質(zhì)災害區(qū)域內(nèi)，選擇重要的監(jiān)測區(qū)域，其面積大約是81066m2，利用無人機航拍獲得的 DEM ，把坡度超過25°的部分進行平滑，而后該研究區(qū)域的整體坡度不能超過25°。利用柵格空間分析，把平滑以前的數(shù)字高程模型和平滑以后的數(shù)字高程模型進行柵格運算，選取差值，最高的滑坡點是7.79 m ，數(shù)值越大代表滑坡的風險越高，負值代表會被填充平整的部分，滑坡土方量是13578.2m3。

5? 結(jié)語

本文采用無人機收集滑坡地質(zhì)災害隱患數(shù)據(jù)，通過獲得滑坡地質(zhì)災害區(qū)域以及周圍區(qū)域的數(shù)字高程模型，預測可能會出現(xiàn)滑坡地質(zhì)災害的區(qū)域，并且定量模擬滑坡的土方量。利用該方法可以對受災狀況進行預測，極大地縮短決策部門明晰滑坡受災區(qū)域現(xiàn)場狀況的時間，為之后滑坡地質(zhì)災害應急工作領導小組快速做出決策、制定救災方案提供一定的依據(jù)。

雖然無人機遙感影像的優(yōu)點是分辨率高、精度高，但是因為當前無人機續(xù)航較短，使得其遙感影像覆蓋面積并不大，短時間內(nèi)無法實現(xiàn)大范圍的滑坡地質(zhì)災害調(diào)查以及監(jiān)測。未來，無人機的一個發(fā)展方向便是大幅提高續(xù)航能力。除此之外，應當提升無人機的飛行穩(wěn)定性與不良氣候狀況的應對能力?；诖耍瑹o人機便能夠?qū)碌刭|(zhì)災害展開大面積、全時段、持續(xù)性地調(diào)查以及監(jiān)測。

參考文獻：

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[3] 金鼎堅，支曉棟，王建超，等.面向地質(zhì)災害調(diào)查的無人機遙感影像處理軟件比較[ J].國土資源遙感，2016，28（1 ）：183?189.

[4] 田彥.無人機遙感技術在地質(zhì)環(huán)境災害監(jiān)測中的應用探討[J].環(huán)境與發(fā)展，2019，31（4）：102+104.

作者簡介：

朱繼光（1986—） ，碩士，工程師，研究方向：地質(zhì)災害。