無人機(jī)遙感在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中應(yīng)用

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摘要：近年來，通信、導(dǎo)航、遙感等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得無人機(jī)遙感成為造福人類的重要技術(shù)之一，特別是在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和預(yù)防中起到重大作用。該文首先概述無人機(jī)遙感和地質(zhì)災(zāi)害的基本內(nèi)容，突出地質(zhì)災(zāi)害的危害性，而后詳細(xì)介紹地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中無人機(jī)遙感發(fā)揮的監(jiān)測(cè)、災(zāi)情評(píng)估以及應(yīng)急救援作用。同時(shí)，以無人機(jī)遙感中的無人機(jī)航空攝影技術(shù)為例，具體說明其在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用，并認(rèn)為，在之后的發(fā)展中，無人機(jī)遙感將向更穩(wěn)定、更精準(zhǔn)的方向發(fā)展，為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查提供更可靠的幫助。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；遙感技術(shù)；地質(zhì)災(zāi)害；調(diào)查

1無人機(jī)遙感概述

1.1無人機(jī)遙感基本構(gòu)成

無人機(jī)遙感由硬件、軟件以及通信這3個(gè)基本系統(tǒng)構(gòu)成，所具備的功能主要有飛行高度、續(xù)航時(shí)間、有效載荷、飛行平穩(wěn)度、導(dǎo)航精度、巡航速度、起降方式等[1-2]。無人機(jī)遙感是否能得到各領(lǐng)域青睞，并起到明顯的效果，直接取決于其功能是否齊全且有效發(fā)揮。

1.2無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取

以往，無人機(jī)遙感的數(shù)據(jù)獲取主要是在飛行過程中采集信息生成數(shù)據(jù)，落地后再下載下來，而后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。但隨著技術(shù)的更新應(yīng)用，目前無人機(jī)遙感采集到的高分辨率數(shù)據(jù)以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)傳輸?shù)降孛鏇Q策部門，實(shí)現(xiàn)了全天時(shí)運(yùn)作，在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的第一瞬間提供應(yīng)急救援。數(shù)據(jù)獲取和實(shí)時(shí)傳輸?shù)耐緩绞墉h(huán)境影響而有不同選擇，除了衛(wèi)星傳輸方式之外，還有視距微波傳輸、超視距數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?。一般是將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、壓縮，以此大大縮短傳輸時(shí)間，且能同時(shí)開展數(shù)據(jù)處理工作，效率高、效果好。

1.3無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理主要是對(duì)所采集的圖像進(jìn)行處理，分為糾正、拼接以及對(duì)應(yīng)應(yīng)用這3個(gè)部分。幾何糾正是對(duì)鏡頭未按照正常線性運(yùn)動(dòng)、飛行器不穩(wěn)定等情況造成的圖像和投影不完善進(jìn)行糾正。無人機(jī)遙感搭載的相機(jī)或掃描儀一般體積和像輻都不大，因此收集的圖像數(shù)量非常多，飛行過程中若遇到較強(qiáng)氣流，就會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，導(dǎo)致角度傾斜，拍攝和投影的每幅圖像各不相同，因此要對(duì)其逐一糾正，工作量較大。提高檢查影像和飛行的質(zhì)量的效率，一般需要借助導(dǎo)航數(shù)據(jù)（GPS）、姿態(tài)測(cè)量（IMU）數(shù)據(jù)，通過圖像特征自動(dòng)匹配與數(shù)據(jù)快速處理算法得到數(shù)據(jù)，再對(duì)其進(jìn)行區(qū)域平差，利用內(nèi)插方式構(gòu)建數(shù)字高程模型（DEM）與正射影像圖（DOM）。而計(jì)算點(diǎn)云、校正圖形，則是借助GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)，以激光雷達(dá)數(shù)據(jù)（Lidar）和微波遙感數(shù)據(jù)為依據(jù)，生成數(shù)字高程模型與雷達(dá)影像圖[3]。

2無人機(jī)遙感在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1靈活、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害狀況

目前已研發(fā)并投入使用的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)設(shè)備種類很多，如高精度GNSS、裂縫報(bào)警器等。不過，應(yīng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的重點(diǎn)在于突破其預(yù)知難題，防患于未然，但上述監(jiān)測(cè)儀器面對(duì)分散、數(shù)量較多、規(guī)模不一的地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，監(jiān)測(cè)效果并不如意，而專業(yè)監(jiān)測(cè)儀器成本較高。在此背景下，無人機(jī)遙感應(yīng)運(yùn)而生，它能夠借助不同種類的遙感器收集地質(zhì)災(zāi)害信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害。在校正了無人機(jī)遙感收集的多光譜數(shù)據(jù)，得到數(shù)字高程模型與正射影像圖，依據(jù)這兩項(xiàng)可分辨地質(zhì)災(zāi)害的具體分布和當(dāng)前狀態(tài)；對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次對(duì)比后，能夠判斷地質(zhì)災(zāi)害可能存在隱患的地方及其發(fā)展情況。特別是對(duì)于人力無法開展調(diào)查工作的地形來說，無人機(jī)能夠克服阻礙，在高空靈活飛行，全時(shí)段監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害。而通過高精度合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）、激光雷達(dá)LiDAR技術(shù)[4]，能夠形成高精度數(shù)字高程模型，及時(shí)觀察地形情況，在地面、斜坡等動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著有效作用。

2.2高效、精準(zhǔn)地提供應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)

地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)后，實(shí)時(shí)調(diào)查數(shù)據(jù)是開展應(yīng)急救援工作必不可少的依據(jù)，有利于工作人員及時(shí)了解和掌握災(zāi)害及其影響，人員及財(cái)產(chǎn)，交通及可能發(fā)生的連帶災(zāi)害等方面的情況，進(jìn)而快速制訂救援方案，采取更科學(xué)的救援技術(shù)。然而，通常地質(zhì)災(zāi)害剛出現(xiàn)時(shí)，救援人員面臨著連帶或者二次災(zāi)害的威脅，同時(shí)常規(guī)調(diào)查用時(shí)較長(zhǎng)、準(zhǔn)確度難以保證，因此常常延誤救援的最佳時(shí)機(jī)，造成更多更嚴(yán)重的不良影響。無人機(jī)遙感幾乎能在所有環(huán)境中起飛，正常運(yùn)作后，短時(shí)間內(nèi)便可收集地面信息并形成數(shù)據(jù)，而后實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛?，便于地面在接收?shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，快速生成精確遙感圖件，以供災(zāi)害救援人員參考。多傳感器受氣象條件影響較小，通過多光譜數(shù)據(jù)能夠及時(shí)觀察災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，微波遙感能在大霧天氣仍然正常運(yùn)行，紅外傳感器打破了黑夜限制，由此實(shí)現(xiàn)了全天候獲取數(shù)據(jù)，而高清視頻則能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)呈現(xiàn)給地面工作人員?？傮w來說，無人機(jī)遙感提供的數(shù)據(jù)，給工作人員制訂應(yīng)急救援方案，進(jìn)而實(shí)施救援奠定了重要基礎(chǔ)。

2.3全面、詳細(xì)地評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害情況

無人機(jī)遙感獲取災(zāi)害信息并生成數(shù)據(jù)后，經(jīng)過校正、拼接，就能得到關(guān)于災(zāi)情的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，用以支持工作人員進(jìn)行災(zāi)情解譯。遙感解譯能夠全面、詳細(xì)地呈現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)情況，比如：災(zāi)害的準(zhǔn)確位置、形狀，受到破壞的地面范圍，地形、植被、河流及道路發(fā)生的變化，是否形成堰塞湖，可能面臨威脅的群體、可能發(fā)生的連帶或二次災(zāi)害等，都包含在圖像數(shù)據(jù)中。而后，利用GIS軟件，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)專家指導(dǎo)構(gòu)建災(zāi)情模型，評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害的范圍、導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡情況，以及受連帶影響的群體、組織和一些隱性損害等[5]。災(zāi)后救援、重建工作以及預(yù)測(cè)和防患可能再次發(fā)生的災(zāi)害導(dǎo)致更嚴(yán)重的后果，都需要以災(zāi)情評(píng)估結(jié)果為依據(jù)。

3無人機(jī)遙感在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的具體應(yīng)用

無論是單種地質(zhì)災(zāi)害還是組合出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，通過無人機(jī)航空攝影系統(tǒng)獲得的遙感圖像，利用專門的色調(diào)、紋理以及形態(tài)等元素，能夠?qū)l(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的地區(qū)從地面上凸顯出來，由此形成工作區(qū)。

3.1無人機(jī)航空攝影系統(tǒng)

3.1.1系統(tǒng)組成。以Quickeye（快眼）無人機(jī)系統(tǒng)為例，其配置了CCD相機(jī)，該相機(jī)具有分辨率高、不受時(shí)空限制等特點(diǎn)，能夠全方位、全天候拍攝影像。并且，支持提前設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)把握無人機(jī)飛行路線，能高效獲取和傳輸數(shù)據(jù)等，相對(duì)來說比較穩(wěn)定、智能，且作業(yè)水平較高。3.1.2航空影像的處理。在航片數(shù)據(jù)收集完成后，通過DPGrid（航測(cè)處理軟件）來處理所得數(shù)據(jù)，形成正射影像圖，再通過專業(yè)拼接工具ErdasImagine（遙感圖像處理軟件）和ArcGIS軟件，來拼接正射影像并輸出。為了保證野外地區(qū)測(cè)圖中有充足的控制點(diǎn)，采用空中三角測(cè)量方法，基于有限的野外控制點(diǎn)，無需到野外就對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行加密，并計(jì)算出它們的高程與平面位置，以此補(bǔ)充野外控制點(diǎn)的數(shù)量。3.1.3地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域基本地理信息，借助遙感影像，探討地質(zhì)災(zāi)害情況的過程，被稱為遙感解譯。一般是在無人機(jī)航拍得到正射影像圖后，在地面相關(guān)部門，結(jié)合工作人員提供的資料，輔以野外驗(yàn)證方式，來解譯要調(diào)查的地質(zhì)災(zāi)害。

3.2無人機(jī)高分辨率影像在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的具體應(yīng)用

3.2.1形成解譯標(biāo)志。遙感影像所呈現(xiàn)的地物，各有各的特征，是區(qū)別和了解不同地物的主要依據(jù)，這就是解譯標(biāo)志。遙感解譯標(biāo)志的形成，需要考慮形狀、體積（面積）、顏色、位置、紋理以及陰影等直接相關(guān)元素。不過要解譯地質(zhì)災(zāi)害，還應(yīng)考慮與之相關(guān)的所有因素，以保證解譯的詳盡與全面?？傮w來說，解譯標(biāo)志是在逐個(gè)分析所有相關(guān)因素的影響特征的基礎(chǔ)上形成的。遙感影像解譯是綜合依據(jù)圖像的影像及空間特征，再加上除此之外的相關(guān)信息資料，按照生物地學(xué)邏輯，保證精準(zhǔn)性和真實(shí)性，由淺及深、由此到彼地推理、演繹的過程。3.2.2解譯地質(zhì)災(zāi)害。前文提到遙感影像圖會(huì)利用專門的色調(diào)、紋理等元素將地形災(zāi)害區(qū)域從整體地面中凸顯出來，根據(jù)此方法，再加上解譯標(biāo)志，就能夠基本上解譯目標(biāo)工作區(qū)，確定若干地質(zhì)災(zāi)害位置，然后結(jié)合野外排查和復(fù)合，確定真實(shí)的災(zāi)害地點(diǎn)，完成對(duì)其的詳細(xì)解釋。該文以滑坡、裂縫、崩塌、切破等地質(zhì)災(zāi)害為例進(jìn)行說明。（1）滑坡。在黃土地區(qū)，經(jīng)常發(fā)生滑坡地址災(zāi)害，利用遙感影像解譯該地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，能夠展示其規(guī)模、形狀、地點(diǎn)等物理影像特征。而所依據(jù)的就是遙感影像圖通過專門的色調(diào)、紋理以及形態(tài)、陰影等呈現(xiàn)出的滑坡情況。多次滑坡解譯認(rèn)為，滑坡災(zāi)害的發(fā)生是有跡可循的，一般當(dāng)斜坡坡度為30°~60°時(shí)，比較容易發(fā)生滑坡災(zāi)害。同時(shí)，根據(jù)遙感影像，能夠發(fā)現(xiàn)滑坡體下滑大多會(huì)形成圓弧形的滑坡壁，災(zāi)害體兩旁多是沖溝發(fā)育，因此邊界明顯。遙感影像中的滑坡壁，色調(diào)、紋理都與其他環(huán)境不同。另外，結(jié)合遙感影像方向以及縮略比例，能夠了解滑坡的面積和滑動(dòng)方向[6]。（2）裂縫。解譯裂縫能夠準(zhǔn)確定位其地點(diǎn)，了解其是否穩(wěn)定以及面積大小等，參考的就是遙感影像呈現(xiàn)出的特殊的色調(diào)、紋理、陰影以及形態(tài)等。如果裂縫不大，就很難單純依靠目視來解譯，需要根據(jù)地形圖中的陰影和紋理等來完成裂縫解譯工作。該過程中，要考慮陡坡的梁頂兩旁，結(jié)合影像比例尺求得裂縫具體長(zhǎng)寬。如果裂縫已經(jīng)出現(xiàn)，解譯時(shí)重點(diǎn)考慮陰影因素；如果未裂開，解譯時(shí)則重點(diǎn)考慮紋理因素。（3）崩塌。解譯崩塌，重點(diǎn)參考遙感影像中崩塌面的不同色調(diào)。多年崩塌解譯發(fā)現(xiàn)，公路、河流、溝壑峽谷等陡坡上，是崩塌常發(fā)區(qū)域。通常崩塌體不會(huì)太大，遙感解譯并不容易，因此遙感影像大多只呈現(xiàn)新出現(xiàn)的崩塌的情況，需要野外勘察確定崩塌的真實(shí)信息[7]。（4）切坡。切坡常發(fā)生在窯洞中和道路上，解譯時(shí)主要參考遙感影像圖中呈現(xiàn)的特殊的色調(diào)和紋理因素。相比之下，窯洞切坡的危害性更大，因?yàn)槠鋾?huì)使坡體出現(xiàn)嚴(yán)重松動(dòng)，極易誘發(fā)崩塌和滑坡。實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，不少人會(huì)選擇滑坡壁作為建窯地點(diǎn)，這些滑坡壁此前曾發(fā)生過滑坡災(zāi)害，而建窯活動(dòng)很有可能會(huì)導(dǎo)致滑坡災(zāi)害復(fù)發(fā)。

4結(jié)語

總體來說，近些年，無人機(jī)遙感技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用逐漸走向成熟，體型小、便攜靈活、精度高、受干擾因素少等優(yōu)勢(shì)更加突出，從而在地質(zhì)災(zāi)害、地理資源調(diào)查、應(yīng)急救援等方面發(fā)揮了重要作用，特別是在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，其的應(yīng)用，提高了關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、應(yīng)急救援以及災(zāi)情評(píng)估的效率和準(zhǔn)確度，為保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全貢獻(xiàn)了巨大價(jià)值。

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作者:張?chǎng)?柴生亮 孫玲 單位:蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)