聶澤棟

（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院，安徽合肥 230022）

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害主要是指泥石流、滑坡、崩塌、巖溶地塌陷等，它們是普遍公認(rèn)的由原地殼表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的劇烈變化而產(chǎn)生的，突發(fā)的可能性較大。地質(zhì)災(zāi)害的形成既有自然因素也有人為作用，多數(shù)情況下是二者協(xié)同作用引起的，是在地球表層比較強(qiáng)烈地破壞人類生命財(cái)產(chǎn)和生存環(huán)境的巖土體移動(dòng)事件。在某種意義上，地質(zhì)災(zāi)害是一個(gè)具有社會屬性的問題，已經(jīng)成為制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們安居的重要因素。本著“以人民為中心”的發(fā)展理念，地方政府聯(lián)合地勘單位正在努力構(gòu)建“三化”防治體系：構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害防治專業(yè)隊(duì)伍支撐體系，推動(dòng)“網(wǎng)格化”防治；構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害隱患早期監(jiān)測預(yù)警體系，推動(dòng)“數(shù)字化”防治；構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理技術(shù)研究體系，推動(dòng)“科學(xué)化”防治。為有效避免次生災(zāi)害發(fā)生，通常選擇使用非接觸測量方式對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域進(jìn)行前期測量。通過無人機(jī)傾斜攝影測量以及GIS 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)三維立體＋時(shí)間的多角度、全方位、多維數(shù)據(jù)管理與展示技術(shù)，將遙感影像、DEM、三維實(shí)體、實(shí)景影像等多源數(shù)據(jù)基于統(tǒng)一空間尺度進(jìn)行整合集成，實(shí)現(xiàn)二三維一體化的多維數(shù)據(jù)管理；有機(jī)整合GIS 功能和三維可視化效果，提升二三維一體化的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警與分析能力。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的遠(yuǎn)景

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的工作原理為從垂直和傾斜多角度對地表信息進(jìn)行全方位攝影，進(jìn)而掌握全面完整的影像數(shù)據(jù)，其相關(guān)信息也更為精準(zhǔn)和細(xì)致。在此基礎(chǔ)上建立的三維模型，相比傳統(tǒng)正射影像在縱深方面有了極大的提升，并實(shí)現(xiàn)測量區(qū)域長度、坡度、坐標(biāo)及災(zāi)害面積的計(jì)算，由此提供更為全面和準(zhǔn)確的地質(zhì)災(zāi)害信息。此外，三維立體模型的確立，還能夠?yàn)橄嚓P(guān)防災(zāi)抗災(zāi)工作的部署創(chuàng)造更加便利、更為直觀的條件。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)通過超低空傾斜攝影，從一個(gè)垂直和四個(gè)特定角度傾斜方向獲取高清立體影像數(shù)據(jù)，并多角度采集信息，配合控制點(diǎn)或影像POS 信息；影像上每個(gè)點(diǎn)都會有三維坐標(biāo)，基于影像數(shù)據(jù)可對任意點(diǎn)、線、面進(jìn)行量測，可獲取厘米級的測量精度并自動(dòng)生成三維地理信息模型，快速獲取地表上地理信息，對建筑物等地物高度、面積以及地貌的坡度、坡向直接量算；影像中包含豐富的真實(shí)環(huán)境信息，可對影像信息的數(shù)據(jù)深度挖掘，具有高效率、低成本、數(shù)據(jù)精確、操作靈活、側(cè)面信息可用等優(yōu)點(diǎn)，極大程度地調(diào)節(jié)測繪內(nèi)、外業(yè)的協(xié)同工作，解決了天氣、次生災(zāi)害等外因造成的傳統(tǒng)人工作業(yè)延誤。

2 無人機(jī)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)獲取

非接觸測量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法。作為地質(zhì)災(zāi)害的主要災(zāi)種，崩塌、滑坡和泥石流（以下簡稱崩、滑、流）具有突發(fā)性強(qiáng)、分布范圍廣和有一定的隱蔽性等特點(diǎn)，為了避免次生災(zāi)害發(fā)生，選擇非接觸測量方式對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域進(jìn)行前期測量是最為科學(xué)的手段。采用機(jī)載激光雷達(dá)或無人機(jī)航拍技術(shù)進(jìn)行“空對地”觀測獲取高精度激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維立體模型，制作大比例尺數(shù)字模型，定量提取精細(xì)的地表粗糙度、坡度、坡向等地形地貌參數(shù)，同時(shí)針對區(qū)域內(nèi)典型的地質(zhì)災(zāi)害體利用激光掃描儀（集成高精度GNSS 和IMU 慣導(dǎo)系統(tǒng)）開展精細(xì)掃描，快速獲取微地貌等細(xì)節(jié)特征信息（圖1）。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查區(qū)域三維模型全貌Figure 1. Overview of the 3D model of the geo-hazard survey area

2.1 無人機(jī)RTK+PPK技術(shù)

RTK 技術(shù)，即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)，是利用載波相位實(shí)時(shí)處理測站點(diǎn)之間觀測量的差分方法；PPK 技術(shù)，即動(dòng)態(tài)后處理差分技術(shù)，是利用載波相位進(jìn)行事后差分的GNSS 定位技術(shù)。RTK 是實(shí)時(shí)得到解算的結(jié)果，需要數(shù)據(jù)鏈路如電臺、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來保證每時(shí)每刻接收差分信號，但是如遇到高山、丘陵等隱蔽或偏遠(yuǎn)區(qū)域就容易出現(xiàn)失鎖，定位精度大打折扣，同時(shí)還會受到距離的限制，距離太遠(yuǎn)，定位精度也會受到不同程度影響。PPK 相對于RTK 的最大優(yōu)勢在于它的事后處理功能，可以進(jìn)行反向?yàn)V波（反向卡爾曼濾波器），不需要任何的鏈路，也不會受到鏈路終端影響，并能獲得更高的精度結(jié)果，特別是PPK 沒有時(shí)延問題，從而更能保障解算精度，不但可以解決某些衛(wèi)星失鎖的問題，還能通過融合和反演提高定位精度。

2.2 無人機(jī)POS系統(tǒng)

無人機(jī)傾斜攝影測量在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中被廣泛應(yīng)用，其中獨(dú)有的定位定姿系統(tǒng)POS（IMU/DGPS 組合的高精度位置與姿態(tài)測量系統(tǒng)position and orientation system）是其重要組成部分，內(nèi)業(yè)處理時(shí)可直接導(dǎo)入POS 數(shù)據(jù)。利用POS 系統(tǒng)可以在航空攝影過程中直接測定每張像片的外方位元素，從而可以進(jìn)一步減少外業(yè)像控工作，提高攝影測量工作效率。

2.3 實(shí)景三維影像數(shù)據(jù)的快速獲取

利用CORS技術(shù)施測完成像控點(diǎn)后，就可以對航拍區(qū)域進(jìn)行航線規(guī)劃。確定飛行高度是規(guī)劃的重中之重，飛行高度取決于相機(jī)焦距、地面分辨率，如圖2所示。

圖2 航高與地面分辨率關(guān)系圖Figure 2. Relationship between altitude and ground resolution

圖中各要素關(guān)系為：

一般而言，比例尺為1∶500、1∶1000 對應(yīng)影像分辨率應(yīng)小于5 cm、10 cm，事先應(yīng)對應(yīng)各種分辨率來換算出飛行高度。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，一般測區(qū)設(shè)計(jì)航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。農(nóng)村臨坡、切坡建房的地點(diǎn)大多在山區(qū)，由于山地高低落差較大，普通的飛行方式滿足不了重疊率和分辨率的統(tǒng)一，容易出現(xiàn)地勢較低區(qū)域重疊率高、分辨率低，地勢較高區(qū)域重疊率低、分辨率高的問題，造成數(shù)據(jù)處理空中三角測量（以下簡稱“空三”）分層或者建模后效果差的問題。另外，因像控點(diǎn)選取在地災(zāi)區(qū)域范圍一側(cè)未涵蓋整個(gè)區(qū)域、刺點(diǎn)有誤以及空三軟件出錯(cuò)、模型錯(cuò)位分層都會導(dǎo)致錯(cuò)誤。為避免以上問題的出現(xiàn)，山地飛行一般采取分層飛行和仿地飛行兩種方式。分層飛行即在高低落差大的區(qū)域，單一飛行高度無法滿足建模要求時(shí)，采取隨山地起伏進(jìn)行分層的方法飛行，盡量保證飛機(jī)相對于山體的高度一致。仿地飛行即在地面站導(dǎo)入測區(qū)DEM 高程文件，基于高程文件生成相對于地面高低起伏的航線用于航飛建模(此方式多用于多旋翼)，不過仿地飛行需要事先導(dǎo)入數(shù)字高程模型、設(shè)置航點(diǎn)，同時(shí)還要先飛行一次或下載已有的DEM 數(shù)據(jù)，與分層飛行方式相比，增加了作業(yè)時(shí)間和作業(yè)量[1～4]。

2.4 實(shí)景三維影像的建模修模

傾斜攝影自動(dòng)化建模技術(shù)是近年來國際遙感與測繪領(lǐng)域訊速發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，該技術(shù)已逐步取代傳統(tǒng)的手工建模。航飛完成后要對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括影像畸變差糾正、空三等，但在模型生產(chǎn)過程中由于航拍、空三、POS 參數(shù)等存在的問題會造成模型的空洞、扭曲、地形地貌細(xì)節(jié)特征錯(cuò)亂等問題，因此，對于這些自動(dòng)化生成的三維模型，往往需要進(jìn)行后期修飾，以糾正、優(yōu)化模型。利用修模軟件（如DP-Modeler）可對實(shí)景三維模型進(jìn)行踏平、橋接、補(bǔ)洞、紋理修改等操作，實(shí)現(xiàn)模型整體修飾?？梢杂行Ы鉀Q幾何變形、紋理拉花、模型浮空、部件丟失等問題，真實(shí)還原場景細(xì)節(jié)，保證數(shù)據(jù)完整性，滿足后期實(shí)景三維GIS應(yīng)用的要求。

3 無人機(jī)實(shí)景三維數(shù)據(jù)在地質(zhì)災(zāi)害防治中的應(yīng)用

3.1 “4D”產(chǎn)品應(yīng)用

無人機(jī)傾斜攝影測量的結(jié)果和目標(biāo)是“4D”產(chǎn)品，即DEM、DOM、DRG、DLG。數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，應(yīng)用是關(guān)鍵，技術(shù)是核心。農(nóng)村臨坡、切坡建房數(shù)量多，安全隱患較大，地勘人員通過實(shí)地勘察，調(diào)查過程中應(yīng)盡量收集該區(qū)域內(nèi)水文、氣象、地層及巖性資料，對地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)理和周邊的地形地貌進(jìn)行分析，利用“4D”產(chǎn)品和相應(yīng)的GIS 軟件對地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查區(qū)域進(jìn)行地災(zāi)范圍判定、滑坡影響范圍圈定、逃生撤離路線設(shè)計(jì)（圖3）。

圖3 滑坡影響范圍及撤離路線Figure 3. Reach of the landslide and the evacuation route

3.2 利用大數(shù)據(jù)融合建立預(yù)警平臺

針對山區(qū)小氣候頻發(fā)、短時(shí)強(qiáng)降雨無明顯規(guī)律可循的特點(diǎn)和地災(zāi)發(fā)生規(guī)律，可以探索研發(fā)實(shí)時(shí)定向預(yù)警模型，實(shí)行地災(zāi)預(yù)報(bào)精細(xì)化管理[5]。在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域安裝雨量計(jì)、位移計(jì)、水位計(jì)、遠(yuǎn)程紅外視頻監(jiān)測等專業(yè)儀器，通過試驗(yàn)得到降水和地下地表位移的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和反演，摸清地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理和災(zāi)害演變規(guī)律，得出這個(gè)區(qū)域發(fā)生滑坡前兆的臨界值，及時(shí)監(jiān)測預(yù)警，在災(zāi)害發(fā)生前就能采取恰當(dāng)措施，有效地保護(hù)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀蟛块T的大數(shù)據(jù)，在預(yù)警平臺上可生成實(shí)時(shí)洪水淹沒預(yù)測圖（圖4）和災(zāi)后治理、施工所需的剖面圖（圖5）。當(dāng)降雨量達(dá)到預(yù)警閾值，立即通過APP 手機(jī)客戶端向可能受災(zāi)區(qū)域的群眾及時(shí)發(fā)送預(yù)警信息。

圖4 洪水淹沒預(yù)測圖Figure 4. A prognosis of the flooded area

圖5 剖面圖Figure 5. Cross section of the flooded area

4 建議

當(dāng)今世界是信息化發(fā)展的時(shí)代，在科技飛速發(fā)展的今天，我們更要注重高科技手段和方法在地災(zāi)預(yù)警中的應(yīng)用。無人機(jī)、檢波器測試儀、水位儀、三維激光掃描儀、地質(zhì)干涉雷達(dá)、伸長儀、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、物聯(lián)網(wǎng)等手段聯(lián)合運(yùn)用，利用GIS技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，融入當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境背景、氣象資料及歷史地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)資料，構(gòu)建成大數(shù)據(jù)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺，建立地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、分析、預(yù)報(bào)、預(yù)警和應(yīng)急服務(wù)于一體的信息化、智能化和可視化服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后全生命周期動(dòng)態(tài)管理，提升相關(guān)部門對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的分析、預(yù)警、處置和服務(wù)的能力，為地方政府對地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害決策管理和社會服務(wù)提供科技支撐。