趙財(cái)全，劉家明，楊潤(rùn)生，朱榮先，高 勇，段浩鋒

（云南全測(cè)精達(dá)科技有限公司，昆明 650025）

隨著科技的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)也有了各種突破性的進(jìn)展。無(wú)人機(jī)遙感等新興技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，無(wú)人機(jī)在礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和探測(cè)中發(fā)揮著無(wú)可比擬的作用。當(dāng)今世界地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生越來(lái)越頻繁，對(duì)人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)和安全產(chǎn)生了重大影響。我國(guó)幅員遼闊是發(fā)生嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害最頻繁的國(guó)家之一。人們正逐步將基于無(wú)人機(jī)的快速測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害研究，以地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集的形式建立地質(zhì)災(zāi)害后數(shù)據(jù)采集、分析和處理的協(xié)同服務(wù)機(jī)制。測(cè)繪無(wú)人機(jī)在災(zāi)害預(yù)測(cè)和評(píng)估中發(fā)揮著重要作用，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

1 快速測(cè)繪技術(shù)的主要內(nèi)容

1.1 開展地形測(cè)量

測(cè)量和制圖時(shí)，應(yīng)注意確保地圖尺寸數(shù)據(jù)與實(shí)際地形值相符。另外，由于我國(guó)幅員遼闊，各地區(qū)之間的地形特征也存在差異，因此在測(cè)量大片森林或綠地時(shí)不能簡(jiǎn)單地使用自動(dòng)文件符號(hào)來(lái)描述，必須用不同的植被符號(hào)展現(xiàn)。測(cè)繪時(shí)，應(yīng)確保所有區(qū)域測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并使用數(shù)據(jù)末尾的2位數(shù)字進(jìn)行識(shí)別。測(cè)繪丘陵和巖石等區(qū)域時(shí)，勘測(cè)員應(yīng)測(cè)量整個(gè)區(qū)域，并確保測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際地形數(shù)據(jù)相符，以確保測(cè)繪數(shù)據(jù)的正確。此外，測(cè)繪工程師在測(cè)繪過(guò)程中，還必須不斷思考和檢查測(cè)繪好的地形圖，以發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題和缺陷，使測(cè)量方法適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境，確保測(cè)繪工作的高質(zhì)量[1]。

1.2 進(jìn)行地形測(cè)繪

在進(jìn)行地形測(cè)繪工作時(shí)，測(cè)繪人員不僅要繪制高程線，還要完成完整地形數(shù)據(jù)的標(biāo)注。同時(shí)，在測(cè)量過(guò)程中，工作人員還必須完美掌握地圖中包含的高度線的所有信息，以確保測(cè)繪工作的質(zhì)量，并在測(cè)繪項(xiàng)目中發(fā)揮高度線的優(yōu)勢(shì)。為了獲得完整的技術(shù)地圖，在制圖工作期間，工作人員應(yīng)詳細(xì)標(biāo)記區(qū)域的特征及其數(shù)值，并將所有制圖數(shù)據(jù)和完整地圖發(fā)送給研究人員，研究人員將不同的位置和特征用線段和控制點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。工作完成后，再次進(jìn)行核查，以確保地圖上的所有點(diǎn)和線段均正確[2]。

2 無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成

在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，測(cè)繪無(wú)人機(jī)的性能可以在調(diào)查中發(fā)揮關(guān)鍵作用。影響測(cè)繪無(wú)人機(jī)性能的3個(gè)關(guān)鍵因素，主要是飛行平臺(tái)、機(jī)載數(shù)字采集設(shè)備和控制系統(tǒng)。

2.1 飛行平臺(tái)

一般來(lái)說(shuō)，輕型無(wú)人機(jī)的重量約為6~8 kg，不同海拔和氣壓條件下進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查時(shí)，通常需要增加無(wú)人機(jī)的負(fù)載能力和總重量。如果高度超過(guò)3 800 m，則應(yīng)相應(yīng)增加無(wú)人機(jī)的起始重量，以確保無(wú)人機(jī)能夠平穩(wěn)飛行。為了保證無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中的定位，使其有效地應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害工作中，機(jī)身通常需要采用輕便的木質(zhì)和碳纖維材質(zhì)，使其適應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害的環(huán)境，完成調(diào)查任務(wù)[3]。飛控平臺(tái)外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)的相關(guān)信息如圖1所示。

圖1 飛控平臺(tái)外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)的相關(guān)信息

2.2 機(jī)載數(shù)字采集設(shè)備

地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)需要輕型無(wú)人機(jī)具有極大的測(cè)繪覆蓋范圍，同時(shí)也需要有較高的分辨率，以此全面地提取地質(zhì)數(shù)據(jù)，以有效地滿足地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作的要求。此外，圖像土壤分辨率也是影響無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中準(zhǔn)確性的原因。因此，也有必要提高無(wú)人機(jī)測(cè)繪的分辨率，這對(duì)采集數(shù)據(jù)的精度有很大影響。

2.3 控制系統(tǒng)

作為測(cè)繪無(wú)人機(jī)的心臟，測(cè)繪無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用效果有著非常大的影響?？梢哉f(shuō)，測(cè)繪無(wú)人機(jī)的應(yīng)用效果直接取決于控制系統(tǒng)能否良好發(fā)揮作用?？刂葡到y(tǒng)包含許多子系統(tǒng)，如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等。災(zāi)害調(diào)查工作對(duì)無(wú)人機(jī)的各項(xiàng)功能綜合應(yīng)用，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)區(qū)數(shù)據(jù)的采集、上傳、分析[4]。

3 無(wú)人機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于無(wú)人機(jī)的快速測(cè)繪技術(shù)優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯。與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，無(wú)人機(jī)的測(cè)量和測(cè)繪不僅可以有效擴(kuò)大測(cè)繪范圍，而且有助于提高測(cè)繪的準(zhǔn)確性和效率，降低測(cè)繪項(xiàng)目的成本，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

3.1 擴(kuò)大測(cè)量范圍

無(wú)人機(jī)技術(shù)在測(cè)繪項(xiàng)目中的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的技術(shù)測(cè)量方法，有效擴(kuò)大了技術(shù)測(cè)量的范圍，同時(shí)提高了測(cè)繪的質(zhì)量和速度。無(wú)人機(jī)技術(shù)在測(cè)量和測(cè)繪技術(shù)中的應(yīng)用使得能夠測(cè)量到難以到達(dá)的區(qū)域，且從無(wú)人機(jī)獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)具有極高的準(zhǔn)確度。因此，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行技術(shù)測(cè)繪一方面可以有效提高測(cè)繪項(xiàng)目的質(zhì)量和速度，另一方面可以有效提高測(cè)繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2 提高測(cè)繪安全性

在傳統(tǒng)的測(cè)繪項(xiàng)目中，員工必須前往測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘查，地質(zhì)災(zāi)害搶險(xiǎn)地區(qū)危險(xiǎn)度較高，如果工作人員不充分了解周圍的地形條件，盲目開展測(cè)繪工作，很容易危及工作人員的安全。此外，如果發(fā)生突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，工作人員使用傳統(tǒng)測(cè)量和繪圖方法進(jìn)行測(cè)量工作，很有可能對(duì)周圍人員的生命安全產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，加強(qiáng)無(wú)人機(jī)技術(shù)在測(cè)繪技術(shù)中的應(yīng)用，可以有效提高外業(yè)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集的安全性，促進(jìn)我國(guó)地形測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展。

3.3 降低測(cè)繪成本

工程測(cè)繪本身屬于一個(gè)大型項(xiàng)目，需要投入大量資金。過(guò)去工作人員需要購(gòu)買許多專業(yè)設(shè)備和儀器來(lái)進(jìn)行工程測(cè)繪，同時(shí)為了測(cè)量和記錄數(shù)據(jù)，工作人員需要將大量測(cè)量設(shè)備帶到使用地點(diǎn)，這必然會(huì)導(dǎo)致測(cè)繪工作成本的增加，給測(cè)繪項(xiàng)目帶來(lái)大量的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也對(duì)工作人員的人身安全造成了一定威脅。通過(guò)將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于測(cè)繪項(xiàng)目，測(cè)繪人員可以輕松控制無(wú)人機(jī)從測(cè)量區(qū)域獲取信息，而無(wú)需前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)繪。因此，將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于測(cè)量和測(cè)繪技術(shù)，一方面可以降低測(cè)量和測(cè)繪技術(shù)的成本，并以較低的成本獲得較高收益，另一方面可以減少對(duì)測(cè)繪工程資金的占用。

3.4 數(shù)據(jù)處理效率高，操作靈敏

與傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)相比，無(wú)人機(jī)測(cè)繪能夠快速處理收集的數(shù)據(jù)，同時(shí)返回圖像的分辨率也能滿足行業(yè)要求。無(wú)人機(jī)本身具有操作靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，這也體現(xiàn)在無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)上，無(wú)人機(jī)可以在低空連續(xù)飛行，為人員留下足夠的操作空間，同時(shí)對(duì)起飛和著陸地點(diǎn)沒有硬性要求，測(cè)繪時(shí)工作人員能夠以各種方式自由起飛下降。而無(wú)人機(jī)的組成也非常簡(jiǎn)單，這使其能夠以高度的靈活性輕松地安裝和拆卸各種組件。

3.5 工作效果好

無(wú)人機(jī)測(cè)繪的技術(shù)特點(diǎn)，使其可以顯著提高測(cè)繪工作的效果，同時(shí)也可以用于不同地形的測(cè)繪。其操縱過(guò)程也非常舒適，可以保質(zhì)保量地完成測(cè)繪工作。此外，無(wú)人機(jī)還可以實(shí)時(shí)捕獲特定區(qū)域的圖像，為研究人員及時(shí)提供所需的數(shù)據(jù)，以確保其工作效率。

4 無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用

4.1 確定勘查區(qū)域和航線

根據(jù)目前的無(wú)人機(jī)飛行標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間相對(duì)較短，通常約為30 min?；谶@種情況，有必要對(duì)機(jī)身進(jìn)行有針對(duì)性的劃分，以使測(cè)量路線、飛行時(shí)間和飛行次數(shù)變得有意義和高效。如果測(cè)量區(qū)域較大，可將其劃分為多個(gè)部分，以便快速完成測(cè)量任務(wù)。此外，在進(jìn)行空中記錄時(shí)，應(yīng)盡可能根據(jù)記錄的實(shí)際區(qū)域確定路線，以避免重復(fù)拍攝。

4.2 獲取災(zāi)情信息

結(jié)合基于無(wú)人機(jī)的快速測(cè)繪技術(shù)的高精度，使用特殊的數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)受災(zāi)區(qū)域整體情況的構(gòu)建，同時(shí)使用二維坐標(biāo)進(jìn)行校正，可以構(gòu)建與實(shí)際測(cè)量區(qū)域?qū)?yīng)三維模型，還原災(zāi)害區(qū)域地質(zhì)概況，將無(wú)人機(jī)在低空拍攝的圖像與恢復(fù)的地貌進(jìn)行對(duì)比和詳盡分析。此外，三維模型的使用有助于無(wú)測(cè)量領(lǐng)域技術(shù)背景的技術(shù)人員或指揮官可視化地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)情況，并為其決策做出數(shù)據(jù)支持。三維可視化模型如圖2所示。

圖2 內(nèi)業(yè)處理的三維可視化模型

5 無(wú)人機(jī)技術(shù)的限制及提高應(yīng)用質(zhì)量的思考

5.1 無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的限制

無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中受到了這幾個(gè)方面的限制：首先，山區(qū)的大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地區(qū)都遠(yuǎn)離機(jī)場(chǎng)，但是在無(wú)人機(jī)測(cè)繪之前應(yīng)當(dāng)通過(guò)當(dāng)?shù)氐貓D或遙感圖像確認(rèn)，測(cè)繪地點(diǎn)最近飛機(jī)場(chǎng)的距離，以確保無(wú)人機(jī)安全落地。其次，距地面120 m以下是我國(guó)目前公認(rèn)的安全飛行高度，地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)的測(cè)繪通常需要低于120 m的飛行高度。第三，如果地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在峽谷或?qū)︼w行器定位有強(qiáng)烈干擾的地點(diǎn)，應(yīng)在飛行前上傳當(dāng)?shù)氐挠跋駡D片，并在起落位置保證信號(hào)強(qiáng)度。第四，無(wú)人機(jī)測(cè)繪結(jié)果受植被的影響較大，測(cè)繪結(jié)果應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行研究和評(píng)估。另外，就地質(zhì)災(zāi)害研究而言，測(cè)繪無(wú)人機(jī)的工作要求與一般無(wú)人機(jī)的要求不同。在地質(zhì)災(zāi)害研究中，測(cè)繪無(wú)人機(jī)需要修正能見度測(cè)量值，以獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。目前有3種方法用于校正測(cè)繪無(wú)人機(jī)的數(shù)值，但這3種方法各有其特點(diǎn)，沒有一種校正取景側(cè)邊差的方法可以針對(duì)多種地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行迭代計(jì)算，針對(duì)不同的地質(zhì)災(zāi)害需要使用不同的校正取景側(cè)邊差的方法，這會(huì)增加額外的計(jì)算并影響取景側(cè)邊差校正的速度。此外，使用測(cè)繪無(wú)人機(jī)時(shí)，航向應(yīng)超過(guò)50%，旁向應(yīng)超過(guò)15%，而飛行期間的旋偏角不應(yīng)超過(guò)15°。

5.2 提升無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用質(zhì)量的思考

5.2.1 校正無(wú)人機(jī)的參數(shù)

在地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)研究過(guò)程中，糾正測(cè)繪無(wú)人機(jī)的參數(shù)會(huì)對(duì)測(cè)繪機(jī)的應(yīng)用效率產(chǎn)生非常大影響。在校正測(cè)繪無(wú)人機(jī)時(shí)，可以通過(guò)了解獨(dú)立系統(tǒng)中的精確三維空間坐標(biāo)來(lái)校正測(cè)繪無(wú)人機(jī)的參數(shù)。

5.2.2 改進(jìn)曝光系統(tǒng)

對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害的測(cè)量，測(cè)繪無(wú)人機(jī)在拍攝和采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，有必要使用等效曝光模式，即將測(cè)繪無(wú)人機(jī)留在預(yù)定位置，然后執(zhí)行等距離控制曝光。為了使無(wú)人機(jī)在曝光過(guò)程中達(dá)到均勻曝光，需要使用測(cè)繪無(wú)人機(jī)中的定點(diǎn)曝光系統(tǒng)，以一定頻率控制測(cè)繪無(wú)人機(jī)發(fā)送信號(hào)，然后根據(jù)信號(hào)頻率計(jì)算時(shí)間，結(jié)合無(wú)人機(jī)的飛行速度，有效地計(jì)算出距離，然后根據(jù)一定的距離控制無(wú)人機(jī)的攝像設(shè)備進(jìn)行曝光。通過(guò)控制曝光冗余，有效保證測(cè)繪無(wú)人機(jī)圖像的完整性，避免圖像缺漏，同時(shí)也避免了距離誤差，有效保證圖像的重疊度。

6 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)技術(shù)目前在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)中發(fā)揮著其及時(shí)、靈活、可視化高的優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)在保留無(wú)人機(jī)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，技術(shù)人員應(yīng)改進(jìn)無(wú)人機(jī)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，在地質(zhì)災(zāi)害搶險(xiǎn)中更廣泛地應(yīng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)，以提高工作效率，降低工作強(qiáng)度，提高工作質(zhì)量，更快、更靈活、更高效地開展地質(zhì)災(zāi)害搶險(xiǎn)工作。