魏慧

深圳地質(zhì)建設(shè)工程公司 廣東 深圳 518023

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle/Drones）即無人駕駛飛機(jī)，無人機(jī)技術(shù)則是指無人機(jī)系統(tǒng)、無人機(jī)工程及無人機(jī)相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)。目前無人機(jī)大致分為軍用級(jí)、民用級(jí)兩類，出于經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面的考慮，無人機(jī)也開始應(yīng)用于其他社會(huì)工作中，包括地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查在內(nèi)。地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)在于發(fā)生具有突發(fā)性，破壞性強(qiáng)，有可能導(dǎo)致人員傷亡和較大的經(jīng)濟(jì)損失，其預(yù)防、控制、救援工作則依賴必要的調(diào)查管理，以數(shù)據(jù)信息為支撐組織防控，這為無人機(jī)技術(shù)的運(yùn)用提供了空間[1]。就無人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)、方法等進(jìn)行分析，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 地質(zhì)災(zāi)害與其調(diào)查工作的基本要求

1.1 地質(zhì)災(zāi)害概述

地質(zhì)災(zāi)害（Geological disasters）是指在自然、人為因素或二者共同作用下形成的、對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)造成損失的地質(zhì)作用或地質(zhì)現(xiàn)象，地質(zhì)災(zāi)害也同步威脅自然環(huán)境，在時(shí)間和空間上的分布具有一定規(guī)律，既受制于自然環(huán)境，又與人類活動(dòng)有關(guān)，因其破壞性高，往往被各地作為管理重點(diǎn)之一。2021、2022年，我國(guó)各地因各類地質(zhì)災(zāi)害帶來的直接經(jīng)濟(jì)損失，分別達(dá)到2477、1303億元。一些嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害可能造成人員死亡、受傷，如泥石流、山體滑坡等，部分嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害可能導(dǎo)致多人死亡，值得警惕和關(guān)注[2]。

1.2 實(shí)時(shí)性

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作的基本要求為實(shí)時(shí)性，即所有調(diào)查工作應(yīng)獲取實(shí)時(shí)性較高的信息，尤其是基于救援需要進(jìn)行的調(diào)查。以山體滑坡為例，在該類災(zāi)害發(fā)生后，如果存在人員被埋問題或隱患，為最大限度保證救援效率，需要通過調(diào)查了解周邊環(huán)境情況，分析可行的救援思路、方案，信息的實(shí)時(shí)性越高，救援工作的質(zhì)量和效率越有保障[3]。

1.3 全面性

全面性，是指地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作應(yīng)強(qiáng)調(diào)信息收集廣泛、仔細(xì)，以深入有效的提供與災(zāi)害有關(guān)的各類信息，包括災(zāi)害的規(guī)模、發(fā)生地點(diǎn)、周邊環(huán)境、是否存在二次災(zāi)害隱患或其他災(zāi)害隱患等。全面性較高的調(diào)查，可以為救援工作提供足夠豐富客觀的信息，也能為災(zāi)害預(yù)防提供必要輔助，是地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作的基本要求之一[4]。

1.4 準(zhǔn)確性

準(zhǔn)確性，是指地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作應(yīng)提供準(zhǔn)確信息，尤其是一些影響救援工作和預(yù)防工作的關(guān)鍵信息，應(yīng)充分保證精細(xì)準(zhǔn)確，作為后續(xù)工作的依據(jù)。如預(yù)防性的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，針對(duì)調(diào)查區(qū)域、目標(biāo)組織信息收集時(shí)，需要充分了解目標(biāo)特點(diǎn)。如針對(duì)火山活躍程度組織的調(diào)查，可用于服務(wù)火山噴發(fā)預(yù)防性管理，在調(diào)查過程中應(yīng)充分收集火山口附近溫度信息、地下巖漿的流動(dòng)信息、附近地殼活動(dòng)信息等，做好火山噴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)分析，以最大限度做好預(yù)防管理，減少、避免經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[5]。

1.5 預(yù)防性

預(yù)防性是地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的基本要求，是指通過地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查了解災(zāi)害的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，做好分析評(píng)估，在其發(fā)生前擬定合理、科學(xué)的應(yīng)對(duì)方法，控制地質(zhì)災(zāi)害阻止其發(fā)生，或降低其破壞性。如在山體附近施工時(shí)，面臨山體滑坡風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)通過地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查了解巖體風(fēng)蝕破壞情況、水位信息、植被信息、降水信息等，以上述信息為基礎(chǔ)，分析山體滑坡的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)先通過邊坡支護(hù)等方式加以控制，以減少地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率，削減其破壞力。

2 無人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 適用性理想

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中，無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)之一在于適用性理想。大部分無人機(jī)滿足遠(yuǎn)程管理的要求，可以在多種氣候條件、地質(zhì)條件下完成信息采集作業(yè)，這使其能夠服務(wù)復(fù)雜地形和天氣條件下的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查。如針對(duì)山區(qū)進(jìn)行的山洪風(fēng)險(xiǎn)、山體滑坡風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查，即便山區(qū)條件復(fù)雜、人員難以進(jìn)入，也可以利用無人機(jī)通過高空飛行完成信息采集，再由人員在遠(yuǎn)程端組織信息加工和篩選、形成航拍模型或圖像，用于分析山洪風(fēng)險(xiǎn)、山體滑坡風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率，并針對(duì)性予以預(yù)防和控制。

2.2 使用靈活性高

無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用靈活性高，可以滿足各類地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作需要。地質(zhì)災(zāi)害的類別多樣，包括地殼活動(dòng)災(zāi)害、斜破巖土體運(yùn)動(dòng)災(zāi)害、地面變形災(zāi)害、礦山與地下工程災(zāi)害等。這些災(zāi)害的調(diào)查、預(yù)防各有不同，無人機(jī)可以滿足大部分工作需要，靈活性較理想。如針對(duì)火山噴發(fā)等地殼活動(dòng)災(zāi)害組織的調(diào)查，要求無人機(jī)在高空飛行的情況下收集信息，而地面塌陷、地面沉降等調(diào)查，需要無人機(jī)低空采集信息，性能理想的無人機(jī)保證了信息采集的效率和質(zhì)量，能夠充分服務(wù)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查。

2.3 工作能力較強(qiáng)

一些現(xiàn)代化的高端無人機(jī)，具有較強(qiáng)的工作能力，可以完成復(fù)雜工作任務(wù)，也能完成一些應(yīng)急處理工作。如在礦山與地下工程災(zāi)害調(diào)查工作中，無人機(jī)即可完成常規(guī)的數(shù)據(jù)采集工作，也能應(yīng)急處理一些特殊情況，以某救援用無人機(jī)為例，其擁有應(yīng)急滅火的能力，工作參數(shù)如下：

表1 某救援無人機(jī)的工作參數(shù)

該無人機(jī)可在10min內(nèi)撲滅面積100m3以下火災(zāi)，當(dāng)出現(xiàn)瓦斯爆炸等礦山與地下工程有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，應(yīng)急救援能力較強(qiáng)，能夠在完成信息調(diào)查收集的同時(shí)參與應(yīng)急救援工作。

3 無人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中的應(yīng)用方式

3.1 工作系統(tǒng)搭建

無人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛，其工作的基礎(chǔ)在于搭建完整的作業(yè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的建設(shè)框架通常比較明確，以若干核心結(jié)構(gòu)構(gòu)成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中無人機(jī)作業(yè)系統(tǒng)基本架構(gòu)

該架構(gòu)下，無人機(jī)作業(yè)系統(tǒng)主要分為四個(gè)部分，即執(zhí)行部分、通信部分、數(shù)據(jù)庫以及遠(yuǎn)程管理端。執(zhí)行部分即參與地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的無人機(jī)，可以包括N個(gè)執(zhí)行端，所有無人機(jī)均實(shí)時(shí)分析各類地質(zhì)災(zāi)害有關(guān)信息，再通過實(shí)時(shí)傳輸?shù)姆绞綄⑵涮峁┙o衛(wèi)星作業(yè)系統(tǒng)，衛(wèi)星作業(yè)系統(tǒng)、無線通信信道以及接收陣元等共同溝通架構(gòu)中的通信部分，負(fù)責(zé)信息的處理和傳遞。遠(yuǎn)程管理端包括地面站以及站內(nèi)的工作人員，來自衛(wèi)星的信息通過通信線路提供給地面站，地面站再根據(jù)有關(guān)信息進(jìn)行分析和建模。模型可用于分析地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果、作為災(zāi)害救援和預(yù)防工作的參考。數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)收集、存儲(chǔ)無人機(jī)提供的各類信息，以滿足后續(xù)信息復(fù)用的要求。整個(gè)系統(tǒng)以無人機(jī)收集的信息為中心，通過清晰的邏輯框架完成作業(yè)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)節(jié)控制

結(jié)合圖1所示模式，可知系統(tǒng)工作的關(guān)鍵在于無人機(jī)是否能夠有效完成現(xiàn)場(chǎng)信息收集，該工作的重點(diǎn)在于工作人員是否為無人機(jī)設(shè)定了合理的工作程序、參數(shù)，以及無人機(jī)是否滿足工作條件要求。原則上各地應(yīng)直接采買性能較優(yōu)越的無人機(jī)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，其工作程序則應(yīng)強(qiáng)調(diào)以智能化模式為中心，利用內(nèi)置軟件完成現(xiàn)場(chǎng)工作的自適應(yīng)調(diào)整。以障礙規(guī)避為例，無人機(jī)可通過內(nèi)置的感知設(shè)備實(shí)時(shí)對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行感知，通過聲波定位的方式，了解前進(jìn)方向上障礙物與自身的距離，根據(jù)回波強(qiáng)度調(diào)整飛行的參數(shù)、方向，實(shí)現(xiàn)障礙規(guī)避。同樣，其對(duì)溫度、風(fēng)速等一般參數(shù)的感知也采用此模式，以智能化系統(tǒng)完成信息的采集和分析，根據(jù)分析結(jié)果確定下一階段的工作內(nèi)容。

3.3 信息采集和處理

信息采集和處理是無人機(jī)作業(yè)的核心環(huán)節(jié)，在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查過程中，無人機(jī)對(duì)各類信息的采集和處理也以智能化模式為中心，強(qiáng)調(diào)根據(jù)調(diào)查工作需要，設(shè)定若干工作程序，針對(duì)調(diào)查需求收集關(guān)鍵信息。以航拍模式為例，在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后、救援工作開始前，需要通過無人機(jī)對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行分析，無人機(jī)起飛后的高度參考一般包括三類：

一是低空飛行，高度在50m到200m之間，二是中高層飛行，高度在200m到2000m之間，三是高空飛行，飛行高度在2000m以上，少數(shù)無人機(jī)也可進(jìn)行超高空飛行，但一般不能妥善用于現(xiàn)場(chǎng)信息收集。

在高度2000m以下的飛行模式下，無人機(jī)利用內(nèi)置航拍設(shè)備，快速進(jìn)行地面各處信息的實(shí)時(shí)采集，攝像頭的清晰度應(yīng)達(dá)到480p以上，以保證圖像清晰。通?？煞胖?個(gè)以上采集設(shè)備，以統(tǒng)一的管理系統(tǒng)組織設(shè)備方向管理，保證信息采集全面精細(xì)。采集完成的信息，直接通過發(fā)射器提供衛(wèi)星，再由衛(wèi)星反饋給地面，以規(guī)避復(fù)雜地形對(duì)直接通信的影響。少數(shù)無人機(jī)可以利用內(nèi)置設(shè)備完成建模，大部分無人機(jī)只負(fù)責(zé)信息采集，再由地面站進(jìn)行模型建設(shè)和分析。

3.4 數(shù)據(jù)復(fù)用與分析

完成建模后，由地面站工作人員根據(jù)模型信息，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害分析，了解災(zāi)害的破壞情況，分析災(zāi)害的發(fā)生可能，據(jù)此確定救援方案和災(zāi)害預(yù)防計(jì)劃。如上文所述的山體滑坡救援，可以根據(jù)無人機(jī)提供的數(shù)據(jù)，確定目標(biāo)地帶的基本情況，包括滑坡范圍、具體發(fā)生地點(diǎn)、受災(zāi)情況、是否有人員受困等等。相關(guān)信息被收集并用于建模后，管理者可以根據(jù)建模結(jié)果確定救援方案，選取尚未破壞的道路進(jìn)行人員、物資調(diào)運(yùn)，組織藥品食品的輸配，并提醒救援人員注意二次滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防。無人機(jī)收集的信息除用于災(zāi)害直接處理、救援外，還可以生成數(shù)字化資源，錄入信息庫，用于后續(xù)本地滑坡問題的預(yù)防性管理，進(jìn)一步提升本地地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作的綜合效應(yīng)。

4 無人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中的應(yīng)用展望

4.1 智能化

未來無人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中的應(yīng)用將更趨智能化，主要強(qiáng)調(diào)提升無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)能力，尤其是災(zāi)害的臨時(shí)處理、救援。如上文所述礦山與地下工程災(zāi)害，鼓底、巖爆、瓦斯爆炸等災(zāi)害均有可能導(dǎo)致人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。利用無人機(jī)進(jìn)行調(diào)查。發(fā)現(xiàn)瓦斯爆炸隱患后，應(yīng)由內(nèi)置設(shè)備針對(duì)此問題發(fā)出警報(bào)，提示現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)進(jìn)行處理，或快速車?yán)锕ぷ鲄^(qū)域，再由安全管理人員進(jìn)行瓦斯爆炸隱患的排除，以最大限度提升地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作的延伸效益，發(fā)揮無人機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

4.2 綜合化

綜合化，是指地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中綜合使用多種技術(shù)，使無人機(jī)的作用能夠得到進(jìn)一步發(fā)揮。如無人機(jī)技術(shù)與遙感技術(shù)的聯(lián)用，可在無人機(jī)內(nèi)搭建遙感接受設(shè)備，在組織地面部分的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防調(diào)查時(shí)，同步利用遙感技術(shù)收集地面區(qū)域的其他信息，包括水文信息、地形地貌、地勢(shì)差等等，這些信息即可服務(wù)地質(zhì)災(zāi)害有關(guān)的分析管理，也可以用于分析本地自然條件、建立自然地理有關(guān)資料圖，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和其他工作的一體化開展，提升無人機(jī)工作的綜合效果。

4.3 區(qū)域一體化

無人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中的應(yīng)用價(jià)值突出，且適用性廣泛，這為其在區(qū)域內(nèi)的一體化應(yīng)用提供了空間。未來各地在組織地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查時(shí)，可以統(tǒng)一作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在本地范圍內(nèi)使用統(tǒng)一的設(shè)備和工作參數(shù)，使無人機(jī)產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)可以在生成后快速在本地范圍內(nèi)共享，也能根據(jù)此前收集的數(shù)據(jù)，一體化完成區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查圖、資源庫，服務(wù)上一級(jí)管理部門地質(zhì)災(zāi)害管理活動(dòng)，減少下一級(jí)部門反復(fù)進(jìn)行信息采集的麻煩。

5 結(jié)論

綜上所述，無人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中的應(yīng)用價(jià)值突出，應(yīng)在未來工作中予以更多重視。地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作要求特點(diǎn)，要求做到實(shí)時(shí)、全面、準(zhǔn)確，且保證一定的災(zāi)害預(yù)防能力。無人機(jī)在此工作中的優(yōu)勢(shì)在于適用性高、使用靈活，且工作能力較強(qiáng)，可服務(wù)綜合管理。具體工作中，主要強(qiáng)調(diào)為無人機(jī)搭建工作系統(tǒng)，做好現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)節(jié)控制、信息采集處理，最后還應(yīng)組織數(shù)據(jù)復(fù)用，保證地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查成果。未來無人機(jī)在該工作中將更趨智能化、綜合化，以進(jìn)一步發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提升地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、管理能力和質(zhì)量。