多旋翼無人機(jī)航測系統(tǒng)在高原地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用

呂文雅，朱蘭艷，李超，劉小軍

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2.云南省基礎(chǔ)測繪技術(shù)中心，云南 昆明 650034)

1 前 言

德欽縣在云南省西北部，地處青藏高原南延的橫斷山脈縱谷部位，境內(nèi)地形皆為高山峽谷，地形坡度大，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育嚴(yán)重，主要有泥石流、滑坡、崩塌等。由于滑坡等地質(zhì)災(zāi)害具有時間上的不確定性以及快速變化等特點，因此防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)的首要問題是及時掌握災(zāi)害發(fā)生和發(fā)展情況[1]。且德欽縣內(nèi)平均海拔為 4 270.2 m，在這種高原山區(qū)，傳統(tǒng)攝影測量具有一定的局限性，很難獲取大比例尺數(shù)字正射影像，這對于高原地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測是亟待解決的問題。

2 多旋翼無人機(jī)航測系統(tǒng)在高原地區(qū)的適用性分析

德欽縣特殊的地質(zhì)環(huán)境特征給該區(qū)帶來了嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。由于滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)性，通常需要不定期進(jìn)行災(zāi)害區(qū)域變化監(jiān)測，傳統(tǒng)的攝影測量成本高，效率低，適用性不大。

多旋翼無人機(jī)體積小，靈活性高，生產(chǎn)周期短，對起飛、著陸場地要求低，與航空攝影測量結(jié)合，可高效高質(zhì)量的獲取災(zāi)區(qū)的高分辨率影像，為搶險救災(zāi)提供第一手資料。多旋翼無人機(jī)具有在定點懸停、垂直升降以及中慢速巡航的特點，鑒于這一特點，在地質(zhì)災(zāi)害變化監(jiān)測中，可以實現(xiàn)高分辨率、定點、多重復(fù)的進(jìn)行影像的獲取，提供多期災(zāi)害高發(fā)區(qū)域高分辨率影像，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，多期對比分析，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防提供依據(jù)。

3 應(yīng)用實例

3.1 影像獲取

四旋翼無人機(jī)使用型號為MD4-1000，搭載鏡頭焦距為 35 mm的SONY a7r全畫幅微單相機(jī)。利用該四旋翼無人機(jī)在2014年和2016年分別對德欽縣民族小學(xué)后山滑坡群進(jìn)行兩次航拍，獲取高分辨率影像。

2014年對民族小學(xué)后山滑坡群的航拍參數(shù)如表1所示，根據(jù)外業(yè)規(guī)范，航拍質(zhì)量合格。

2014年飛行質(zhì)量評價表 表1

2016年再次對民族小學(xué)后山滑坡群進(jìn)行的航拍，攝影方向為東南-西北，航線條數(shù)為6條，分兩個架次完成，航拍質(zhì)量合格。

圖1 民族小學(xué)后山滑坡群2016年航線飛行示意圖

3.2 影像處理

(1)數(shù)據(jù)整理和預(yù)處理。由于無人機(jī)種類的不同，獲取的POS數(shù)據(jù)格式有所不同，將POS數(shù)據(jù)整理為可以導(dǎo)入Agisoft PhotoScan軟件的格式。再將所拍攝的影像進(jìn)行整理篩選，刪除地面試拍照片及對應(yīng)的POS數(shù)據(jù)。

(2)導(dǎo)入影像、導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)。將整理好的數(shù)據(jù)按著先影像，后POS的順序?qū)搿?/p>

(3)數(shù)據(jù)定向及點云提取。Agisoft PhotoScan軟件可自動計算出照片的位置、姿態(tài)等，其內(nèi)定向、相對定向及絕對定向都自動完成，無須人工干預(yù)。將影像和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，即可自動定向并生成點云數(shù)據(jù)。

(4)生成網(wǎng)格。Agisoft PhotoScan軟件通過密集點云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)。

(5)生成DEM。根據(jù)構(gòu)建的三角網(wǎng)生成DEM。

(6)生成DOM。根據(jù)構(gòu)建的三角網(wǎng)生成高分辨率正射影像[2，3]。

3.3 DEM和DOM輔助滑坡區(qū)域變化對比分析

(1)分析方法

兩期影像均以XIAN1980為投影坐標(biāo)系，通過處理兩期的滑坡區(qū)三維高程信息，獲得滑坡區(qū)在相同坐標(biāo)系下的兩期數(shù)字高程模型(DEM)[4]。在ArcGIS里導(dǎo)入同一區(qū)域兩個時期的DEM，通過兩期不同觀測時間下DEM的高程相差計算，得到差值的柵格文件，在此柵格文件里可以查看每個區(qū)域整體的變化情況及相應(yīng)變化區(qū)域的高程變化程度的情況。以德欽縣民族小學(xué)后山滑坡區(qū)域的兩期監(jiān)測數(shù)據(jù)的DEM為例進(jìn)行比較分析。通過對監(jiān)測區(qū)域整體的高程變化觀察，選取變化比較明顯的地方做分析。根據(jù)高程變化差程度小以及不連續(xù)的小變化區(qū)域不做分析的原則，共找出在民族小學(xué)后山滑坡群區(qū)域有8塊重點分析區(qū)域，各個重點分析區(qū)域分布如圖2所示。

圖2 民族小學(xué)后山監(jiān)測區(qū)域重點分析區(qū)域分布圖

針對每個變化區(qū)域逐一進(jìn)行分析，最終比對分析的結(jié)果統(tǒng)計如表2所示：

重點區(qū)域分析結(jié)果 表2

(2)變化原因分析

本論文的差異對比分析主要是基于DEM對比分析得出結(jié)果，經(jīng)過對比分析成果可以看出，區(qū)域的變化類型主要可以分為下面幾類：

(1)人類活動行為產(chǎn)生的變化，如建筑施工、樹木種植、土地開挖等。

(2)地表自身形變產(chǎn)生的變化，如受天氣的影響而產(chǎn)生的自身形變。

在民族小學(xué)后山監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，變化類型統(tǒng)計如下：人為因素占15%，自身變化占30%，無變化占55%。

(3)分析結(jié)果

由DEM對比分析結(jié)果結(jié)合重點分析區(qū)域的分析結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

民族小學(xué)后山滑坡監(jiān)測區(qū)域有變化的區(qū)域有8個，通過對比分析發(fā)現(xiàn)有6處區(qū)為沙石滑動引起的堆積變化，有1處為建設(shè)施工堆土引起的變化，有1處為植被覆蓋(人為或自然生長)引起的變化。仔細(xì)查看DEM數(shù)據(jù)、照片等發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域的滑坡大多數(shù)區(qū)域變化不大，趨于穩(wěn)定。對于變化大的區(qū)域，僅有兩處是人為加固和植被覆蓋緩解了滑坡的加劇，因此針對民族小學(xué)后山滑坡監(jiān)測區(qū)域，還需采取措施，加強治理，尤其是在雨季要更加注意并預(yù)防此處發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

4 結(jié) 論

采用多旋翼無人機(jī)航測系統(tǒng)進(jìn)行高原滑坡監(jiān)測，能夠快速高效的獲取監(jiān)測區(qū)域數(shù)字正攝影像圖和數(shù)字高程模型，通過綜合對比分析，獲得區(qū)域變化信息，根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的變化趨勢提前預(yù)警或采取預(yù)防措施，有效降低滑坡的危害，可最大程度減少人民群眾生命和財產(chǎn)損失，為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防和治理提供科學(xué)支撐。

[1] 劉春，萬紅，李巍岳等. 基于無人機(jī)影像的大型滑坡區(qū)域精細(xì)地形構(gòu)建研究[J]. 井岡山大學(xué)學(xué)報·自然科學(xué)版，2015，36(1)：1～7.

[2] 鄒長慧，周忠發(fā). 喀斯特高原山區(qū)無人機(jī)低空遙感影像數(shù)據(jù)的獲取與處理[J]. 測繪通報，2012(S1)：421～423.

[3] 周曉敏，趙力彬，張新利. 低空無人機(jī)影像處理技術(shù)及方法探討[J]. 測繪與空間地理信息，2012，35(2)：182～184.

[4] 周航，劉樂軍，王東亮等. 滑坡監(jiān)測系統(tǒng)在北長山島山后村山體滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 海洋學(xué)報，2016，38(1)：124～132.

[5] 叢曉明，鄭永虎. 基于無人機(jī)遙感技術(shù)的青藏高原地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯研究——以青海省大通煤礦區(qū)為例[J]. 青海師范大學(xué)學(xué)報·自然科學(xué)版，2016(2)：42～46.