无人机在强震区地质灾害精细调查中的应用研究*

王帅永　唐　川　何　敬　张卫旭　方群生　程　霄

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)　成都　610059)



无人机在强震区地质灾害精细调查中的应用研究*

王帅永唐川何敬张卫旭方群生程霄

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)成都610059)

为对强震区地质灾害进行精细调查，基于无人机低空摄影测量系统能够获取高精度、高分辨率和高时效的遥感影像且具有灵活性强和不受复杂地形影响等特点。本文将无人机低空摄影测量系统应用到强震区地质灾害精细调查，探讨了强震区地质灾害无人机遥感精细调查流程及成果应用。以老虎嘴滑坡所在区域的应用为例，阐述了无人机遥感像片的获取和DEM、DOM及三维真实空间场景的制作方法，重点介绍了利用三维真实场景对地质灾害进行定性及定量分析及精确描述。实践结果表明：(1)同常规的遥感调查方法相比，该方法不仅能够获取更高分辨率和更高精度的地质灾害精细调查基础数据，而且还提高了其时效性及可靠性；(2)构建的地质灾害体三维真实空间场景突破了传统的二维地质灾害解译技术，提高了地质灾害解译的精度及准确度。本文较完整地阐述了无人机低空摄影测量系统在强震区地质灾害精细调查的流程及方法，可以较好地应用于强震区地质灾害精细调查。

汶川强震区无人机低空摄影测量系统地质灾害精细调查三维真实空间场景

0　引　言

我国西南地区是地质灾害最为发育和活跃的区域，同时也是地质灾害危害最为严重的区域。2008年汶川(MS8.0)地震触发了数以万计的地质灾害，灾害对社会造成的影响及产生的间接损失更是无法估量。地质灾害已经严重地威胁着人民的生命财产安全，阻碍了社会经济可持续发展。近年来，汶川地震强震区滑坡、崩塌和泥石流灾害频次又明显增多、危害加大。为了更好地研究强震区的地质灾害的空间分布特征及对其进行危险性评价，加强地质灾害预测预警，需对汶川震区地质灾害进行精细的调查。以往的地质灾害调查往往需要调查人员亲临地质灾害的危险区域进行实地调查。在汶川强震区，地质灾害数量多、分布广和地质环境复杂，实地调查要面临各种危险，用时长且成本和代价都很高，因此汶川强震区的地质灾害调查工作一直面临着很大的挑战。为此利用新兴技术方法加强对地质灾害调查、防治和预测预警，已刻不容缓。

无人机低空摄影测量系统是以无人机为飞行平台搭载传感器设备获取地面遥感信息的遥感测量方式。该系统具有能够云下超低空飞行的能力，弥补了卫星遥感和普通航空摄影测量因云层遮挡而无法获取高质量数字影像的不足，是传统的遥感手段的重要补充(赵星涛等，2014)。无人机遥感能够快速获取地质灾害调查区的高分辨率、高精度、高时效遥感影像，特别是在小范围、能见度低、调查人员难以到达的地区，充分地发挥了无人机遥感的机动性强和超低空飞行的能力(高姣姣，2010)。近年来，无人机遥感技术在地震灾区地质灾害调查中得到很好的应用，如周洁萍等(2008)于2008年开展了汶川地震灾区无人机遥感影像获取与可视化管理系统研究，曾涛等(2009)于2009年开展了无人机低空遥感影像处理在汶川地震地质灾害信息快速勘测中的应用研究，臧克等(2010)于2010开展了微型无人机遥感系统在汶川地震中的应用研究，梁京涛等(2013)于2013年将无人机遥感技术用于汶川震区典型高位泥石流动态监测研究。这些研究成果极大地推动了无人机遥感技术在地质灾害调查中的应用研究。

基于上述分析，本文将无人机低空摄影测量系统应用于强震区的地质灾害精细调查，以探讨其方法及成果应用。期望无人机低空摄影测量系统能够在今后的强震区地质灾害精细调查中发挥一定的作用，为强震区地质灾害的精细调查提供一种可行的技术方法和实践参考。

1　无人机低空摄影测量

1.1无人机低空摄影测量系统

无人机低空摄影测量系统主要由3部分组成：空中部分、地面部分和数据处理部分(张强，2007)。空中部分包括无人机平台、无人机控制系统及遥感传感器系统，地面部分包括航线规划系统、无人机地面控制系统及数据显示系统，数据处理部分包括数据预处理及相应成果产品制作，其中最主要的部分为：地面部分(图1)和空中部分(图2)。

图1　无人机地面部分Fig.1　Unmanned aerial vehicle ground part

图2　无人机空中部分Fig.2　Unmanned aerial vehicle air part

无人机的飞行控制是由两部分组成的：地面遥控和空中自主控制。飞机的起飞过程和回收过程是通过地面控制系统的远程控制，经地面航拍人员操控无人机至预设高度后可通过无人机内置的自主控制系统进行空中自主飞行及航拍数据的获取，并可以对以上两种控制模式进行自由切换(常燕敏，2013)。

该系统搭载了高分辨率数码相机，具有垂直摄影和倾斜摄影的功能，不仅能够竖直拍摄获取平面影像，而且还能获取超低空多角度影像，满足三维建模的需求(刘淑慧，2013)。

无人机低空摄影测量系统具有机动性强、自动化程度高、超低空飞行的特点，可快速获取多角度、高分辨率的遥感影像；是一个具有高智能化、作业能力强和低成本的航摄平台。

1.2倾斜航空摄影测量技术

倾斜航空摄影测量技术是国际测绘遥感领域新发展起来的一项高新技术。它突破了以往只能从垂直角度拍摄才能生成正射影像的局限，可同时从多个角度采集影像，能够带领影像解读人员进入一个符合人类视觉感受的真实世界(桂德竹等，2012；李镇洲等，2012)。传统的遥感影像数据主要来源于垂直或倾角很小的卫星影像或航空影像，这些影像数据大部分只有地物的顶部信息，缺少地物的侧面信息，不利于三维真实场景的建立，并且这些影像上地物熔体产生变形及遮挡压盖问题，不利于后期的数据处理。然而，航空倾斜影像可以真实地反映出地物的侧面详细轮廓及纹理信息，为三维实体模型的构建提供了数据基础。利用倾斜航空摄影测量技术，可以快速地构建出三维实体模型，简化了地物纹理采集和处理方法(桂德竹等，2012；李镇洲等，2012；孙宏伟，2014)。

倾斜航空摄影测量技术相较于传统的竖直航空摄影测量方式有其自身的几大优势。主要有：(1)与正射影像相比，航空倾斜影像可让影像解读人员从多个角度观看地物，更加真实地反映出地物的原本面貌，极大地弥补了正射影像应用中的不足之处；(2)通过专业的无人机航测三维建模软件，可以实现直接对于生成的三维实体的属性信息进行量测，包括高度、长度、宽度、面积、坡度、坡向和位置等信息；(3)相比于三维GIS技术，其数据量更小，影像数据应用更方便(桂德竹等，2012；李镇洲等，2012；孙宏伟，2014)。

2　强震区地质灾害无人机遥感精细调查流程

依据滑坡崩塌泥石流详细调查规范(中国国土资源部，2014)及研究地质灾害稳定性及对其进行危害性评价的数据要求，以单个地质灾害体为单元，在充分收集调查区的自然地理背景、区域环境地质条件等资料的基础上，充分利用无人机低空摄影测量系统的优势，开展强震区地质灾害精细调查工作。主要有：①区域地形地貌、地质构造、岩土体工程特性和斜坡结构类型；②强震区地质灾害类型、规模和特征；③综合分析强震区的地质灾害时空分布规律与成灾规模；④建立强震区地质灾害调查评价空间数据库。

基于无人机低空摄影测量系统的强震区地质灾害精细调查主要由航拍数据的获取、航拍数据的处理和航拍数据处理成果分析3个阶段组成。航拍数据的获取主要包括资料收集、定点勘查、航线设计和无人机航拍。航拍数据处理主要包括结合控制点坐标数据生成DEM(数字高程模型)、DOM(数字正射影像)和三维实体地质灾害模型，并对DOM进行精度评价。航拍数据处理成果分析主要包括对地质灾害体进行解译，获取地质灾害的空间属性数据，以建立地质灾害空间属性数据库。综上所述，基于无人机低空摄影测量系统的强震区地质灾害精细调查流程如图3所示。

图3　无人机低空摄影测量系统的强震区地质灾害精细调查流程图Fig.3　The flowchart of the precise investigation of geological hazard in stong earthquake zone based on unmanned aerial vehicle low-altitude photographic system

3　强震区地质灾害无人机遥感精细调查应用

现以老虎嘴滑坡(位于都汶公路的映秀至汶川段)至都汶高速银杏乡入口约5km2区域为例，进行阐述无人机低空摄影测量系统在强震区地质灾害精细调查中的应用研究。

3.1数据获取

2015年4月，对老虎嘴滑坡所在区域开展了无人机航拍工作。所采用无人机的主要参数(表1)。利用航线规划系统，按照地形图航空摄影测量内业规范(国家质量监督检验检疫总局，2008)要求进行航线的规划设计，航向重叠度和旁向重叠度分别约是85%和65%。控制点应尽量均匀分布于整个航测区，并选取具有明显特征的地物点。通过无人机搭载高分辨率数码相机，获得了超低空遥感影像，其影像分辨率达到了0.2m，共283幅数字影像。图4为分辨率0.2m的老虎嘴滑坡航拍影像。

表1　无人机相关参数

Table 1　Parameters of unmanned aerial vehicle

项目参数项目参数轴数六轴飞行半径15km轴距0.81m平飞速度30km·h-1空机重4kg巡航速度30km·h-1实际有效载荷2kg续航时间30min飞行高度1000m搭载相机Cannon5DII

由于航拍区域地势险要，无法严格意义上做到控制点在航拍区域均匀分布，但是对研究对象地质灾害而言，基本实现了均匀布设控制点分布于研究区内的地质灾害体上，也保证了整个研究区域网的稳定性。点位选取影像清晰，易于后期判读的位置，并通过RTK(GPS实时差分定位系统)同步采集到野外布设的控制点坐标数据，其平面坐标精度和高程精度都达到了地形图航空摄影测量内业规范(国家质量监督检验检疫总局，2008)要求。共有30组控制点坐标数据，其中24个控制点用于区域网平差方程结算，7个用于正射影像的精度检查。图5为航迹图。

图4　老虎嘴滑坡单张航拍影像Fig.4　The single aerial photograph of Laohuzui landslide

图5　航迹图Fig.5　The air route map

3.2数据处理

数据处理主要包括匀色与畸变差改正、空中三角测量、正射影像、精度评价等内容(鲁恒等，2011)。

观察对比所获得的数字影像，可发现影像存在色彩和亮度的差别，可能是天气或相机本身的问题，所以要对所获取的数字影像进行匀色处理，以保证后期处理成果具有很好的纹理、亮度和色相等特征(鲁恒等，2011)。另外由于本次航拍搭载的是普通的高分辨率数码相机。它不是专门用于摄影测量的，故其无准确的测定内方位元素。所以在进行空中三角测量之前，必须要先对像点坐标畸变差进行改正，以提高后期处理成果的精度。

采用无人机数据处理软件对航拍获得的数字影像进行匀色和畸变差改正，并利用一部分通过RTK采集的控制点坐标数据采用光束法区域网平差方法进行空中三角测量，其余控制点作为正射影像精度评价的检查点，在完成空中三角测量之后，利用同名点和控制点生成DEM，根据生成的DEM来制作正射影像。为了使正射影像色彩均匀、纹理清晰，应该对正射影像作羽化和重曝光处理(何敬等，2010)。最终可得到该飞行区域的DEM栅格数据(图6)和DOM影像(正射影像图)(图7)。

图6　研究区DEM栅格影像Fig.6　DEM of study area

图7　研究区正射影像Fig.7　DOM of study area

为了对所生成的正射影像的精度进行评价，随机选取了分布于整个正射影像范围内的7个实测的检查点。通过量测检查点的屏幕坐标与实测坐标数据进行对比，并计算可得，地面检查点的平面坐标中误差为0.14m，高程中误差为0.19m，其通过检测分析可以看出，平面精度和高程精度均满足地形图航空摄影测量内业规范(国家质量监督检验检疫总局，2008)对1：2000数字地形图要求。此次精度评价表明，无人机低空摄影测量系统可以满足强震区地质灾害精细调查研究及建立地质灾害空间属性数据库的精度要求。

3.3成果及分析

通过倾斜摄影测量建模方法可以快速地构建出该飞行区域的三维真实场景(图8)，360°无死角的展现地质灾害体及周围的真实场景。不但可获得地质灾害体的详细正面信息，而且还可以获得地质灾害体的侧面详细的轮廓信息和纹理信息。可以清晰地看出地质灾害体的类型、规模、区域范围、所处的地形及地貌，可准确地辨识出地质灾害体的形态特征。可以从图像上直接读取任一点的高程值及任两点间的高差、坡度和坡向等信息，为研究大型地质灾害提供三维参数。同时，也对大型地质灾害的监测、分析具有重要的指导意义。

图8　研究区三维空间场景Fig.8　Three dimensional scene of study area

为了更加清晰、真实地展示无人机低空摄影测量系统的优越性，选取了汶川地震典型的次生地质灾害老虎嘴滑坡为例，并对其进行描述及分析。直接从老虎嘴三维真实场景(图9)分析可知：老虎嘴滑坡位于岷江左岸，距震中映秀镇约2.8km，该区域位于川西龙门山中段、青藏高原向四川盆地过渡的边缘地带，河谷深切，呈“V”字型，高陡边坡较为发育，河面宽40～100m不等，属于侵蚀-剥蚀中高山深切河谷地貌。老虎嘴滑坡体发育于单薄山脊的北西侧，边坡坡脚高程约890m，坡高约320m，滑源区高程为1042～1221m，坡脚为堆积区。滑动区呈勺状，左右两侧高中间低，坡度较陡，近似直立，基岩出露，植被不发育；堆积区后缘至前沿呈现缓-陡-缓-陡的特征，堆积体前沿堵塞岷江河道，致使岷江改道，使其向右岸摆动130多米。堆积体斜长约347m，前沿最大宽度约为300m，平面面积约7.0×104m2。堆积体的物质构造主要由大块石、棱角状碎块石构成，其粒径分布呈现了从堆积体后缘至前沿粒径逐渐增大的特征，按照其粒径分布特征将堆积区划分为3个区域：碎石区、碎块石区和大块石区，其中，碎石区主要位于堆积体后缘，主要由碎石及少量细砂组成；碎块石区主要由块石、碎石和少量大块石组成；大块石区主要为较完整的块石，局部架空，最大粒径约为5.0m。另外，滑坡后缘有大量的危岩体，在外荷载作用或降雨条件下易失稳，危险性较大。经野外现场复核表明：从老虎嘴三维真实场景分析所得结果与野外现场调查结果一致。

图9　老虎嘴滑坡三维空间场景Fig.9　Three dimensional scene of Laohuzui landslide

传统的二维地质灾害解译是在平面上通过目视判读进行地质灾害解译。而通过三维真实空间场景进行地质灾害解译，可以实现身临其境、任意视角观察和实时量测地质灾害体。这样就能够更加清晰准确地划定其边界、测量其滑动方向、分析其成灾原因、圈定其危险范围和确定其防治方案。并且在GIS技术支持下对地质灾害进行解译并数字化地质灾害体的边界，可获得其面积及相关属性数据。然后利用ArcGIS软件对所获得的地质灾害空间属性数据进行建库管理，也便于利用ArcGIS对地质灾害体进行空间分析。最终利用ArcGIS对处理好的航拍影像进行整饰成图输出。

4　结　论

综上所述，无人机遥感调查可以较好地应用于区域性的地质灾害调查及危险性评价，也可以用于研究地质灾害动态演变规律的数据积累。基于无人机低空摄影测量系统在老虎嘴滑坡所在的区域地质灾害精细调查的实验，得到了以下结论：

(1)无人机低空摄影测量系统获取的高精度、高分辨率的DEM和DOM，不仅降低了调查人员的劳动强度和作业风险，提高了地质灾害调查的工作效率，而且还提高了地质灾害调查基础数据的时效性及可靠性。

(2)构建的地质灾害体三维真实场景，突破了传统的二维地质灾害解译技术，提高了地质灾害解译的精度及准确度，为以后研究地质灾害动态演变提供了数据支持，极大程度的地降低了区域性多期数据获取的难度和成本。

(3)与传统的三维GIS技术相比，利用构建的地质灾害体三维真实场景，可对地质灾害体形态分布特征及所处区域的微地貌特征实现精确的描述，可精确地提取出地质灾害体的属性信息，也可估算滑坡体积。

Chang Y M.2013.Study on emergency evaluation to damaged roads and its application based on UAV in the earthquake area[D].Chengdu: Southwest Jiaotong University．

Gao J J.2010.Application of high precision UAV remote sensing in geological disaster investigation[D].Beijing: Beijing Jiaotong University．

General administration of quality supervision，inspection and quarantine.Standardization Administration of China.2008.GB/T7930-2008.Specifications for aerophotogrammetric office operation 1：500，1：1000，1：2000[S].Beijng：Standards Press of China．

Gui D Z，Li Z J，Zhang C C.2012.Research on construction of 3D building based on oblique images from UAV[J].Science of Surveying and Mapping，37(4)：140～142．

He J，Li Y S，Lu H，et al.2010.Research of UAV image quality evaluation and geometry processing[J].Bulletin of Surveying and Mapping，(4)：22～24．

Li Z Z，Zhang X Z.2012.Researth on the quick construction of 3D model of city based on oblique photogrammertric technique[J].Geomatics & Spatial Information Technology，35(4)：117～119．

Liang J T，Cheng Y L，Wang J，et al.2013.Monitoring of a typical high position debris flow dynamic change in Wenchuan earthquake areas with unmanned aerial vehicles case study of Wenjiagou debris flows in Mianzhu county[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，24(3)：54～61．

Liu S H.2013.The production of digital orthophoto map based on the UAV[D].Shanghai: East China Institute of Technology．

Lu H，Li Y S，He J，et al.2011.Capture and processing of low altitude remote sensing images by UAV[J].Engineering of Surveying and Mapping，20(1)：51～54．

Ministry of land and resource of China.2014.Speciflcation of comprehensive survey for landslide, collapse and debris flow(1：50000)(DZ/T 0261-2014)[S]． Beijing: Standards Press of China.

Sun H W.2014.Three dimensions modeling of digital city based on oblique photogrammetry method[J].Modern Surveying and Mapping，37(1)：18～21．

Zang K，Sun Y H，Li J，et al.2010.Application of miniature unmanned aerial vehicle remote sensing system to Wenchuan earthquake[J].Journal of Natural Disasters，19(3)：162～166．

Zeng T，Yang W N，Jian J.2009.Application of remote sensing images processing of unmanned air vehicle on the low attitude in quick acquirement of geological disasters information in Wenchuan earthquake[J].Science of Surveying and Mapping，34(S)：64～65, 55．

Zhang Q.2007.Design and actualization of the aerial photographic system with the low altitude unmanned helicopter[D].The PLA Information Engineering University.

Zhao X T，Hu K，Lu X P，et al.2014.Precise detection method for mine geological disasters using low-altitude photogrammetry based on unmanned aerial vehicle[J].Science of Surveying and Mapping，39(6)：49～64．

Zhou J P，Gong J H，Wang T，et al.2008.Study on UAV remote sensing image acquiring and visualization management system for the area affected by 5·12 Wenchuan earthquake[J].Journal of Remote Sensing，12(6)：877～884．

常燕敏.2013.无人机影像在地震灾区道路损毁应急评估中的应用研究[D].成都：西南交通大学．

高姣姣.2010.高精度无人机遥感地质灾害调查应用研究[D].北京：北京交通大学．

国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.2008.GB/T7930-2008.1：500、1：1000、1：2000地形图航空摄影测量内业规范[S].北京：中国标准出版社．

桂德竹，林宗坚，张成成.2012.倾斜航空影像的城市建筑物三维模型构建研究[J].测绘科学，37(4)：140～142．

何敬，李永树，鲁恒，等.2010.无人机影像的质量评定及几何处理研究[J].测绘通报，(4)：22～24．

李镇洲，张学之.2012.基于倾斜摄影测量技术快速建立城市三维模型研究[J].测绘与空间地理信息，35(4)：117～119．

梁京涛，成余粮，王军，等.2013.基于无人机遥感技术的汶川震区典型高位泥石流动态监测——以绵竹市文家沟泥石流为例[J].中国地质灾害与防治学报，24(3)：54～61．

刘淑慧.2013.无人机正射影像图的制作[D].上海：华东理工大学．

鲁恒，李永树，何敬，等.2011.无人机低空遥感影像数据的获取与处理[J].测绘工程，20(1)：51～54．

中国国土资源部.2014.滑坡崩塌泥石流灾害调查规范(1：50000)(DZ/T 0261-2014)[S]． 北京：中国标准出版社.

孙宏伟.2014.基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模[J].现代测绘，37(1)：18～21．

臧克，孙永华，李京，等.2010.微型无人机遥感系统在汶川地震中的应用[J].自然灾害学报，19(3)：162～166．

曾涛，杨武年，简季.2009.无人机低空遥感影像处理在汶川地震地质灾害信息快速勘测中的应用[J].测绘科学，34(增刊)：64～65，55．

张强.2007.低空无人直升机航空摄影系统的设计与实现[D].郑州：郑州信息工程大学．

赵星涛，胡奎，卢晓攀，等.2014.无人机低空航摄的矿山地质灾害精细探测方法[J].测绘科学，39(6)：49～64．

周洁萍，龚建华，王涛，等.2008.汶川地震灾区无人机遥感影像获取与可视化管理系统研究[J].遥感学报，12(6)：877-884．

USE OF UNMANNED AERIAL VEHICLE FOR PRECISE INVESTIGATION OF GEOLOGICAL HAZARD IN STRONG SEISMIC ZONE

WANG ShuaiyongTANG ChuanHE JingZHANG WeixuFANG QunshengCHENG Xiao

(State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu610059)

This paper aims to investigate geological hazard precisely in strong seismic zone.It uses unmanned aerial vehicle based low-altitude photographic system.The system can obtain high-precision，high-resolution and high-altitude remote sensing image，and has the advantage of flexibility and freedom from complex topography.This paper applies the system to the precise investigation of geological hazard，the precise investigation procedure of geological hazard in strong seismic zone.The application of results are discussed.The paper takes the application in the Laohuzui landslide zone as an example.It describes the remote sensing image extraction and the method of DEM，DOM and three-dimensional real space scene.It focuses on introducing the qualitative and quantitative analysis of the geological hazard and the precise description.The practice results show that：(1)compared with the conventional remote sensing investigation method，this method not only obtains higher-resolution and higher-precision basic data for the precise investigation of the geological hazard，but also improves its efficacy and reliability;(2)three-dimensional real space scene of the geological hazard breaks through the traditional two-dimensional interpretation method，improves the precision and accuracy of the geological hazard.The system can be applied to the precise investigation of geological hazard in strong seismic zone．

Wenchuan strong seismic zone，Unmanned aerial vehicle，Low-altitude photographic system，Geological hazard，The precise investigation，Three-dimensional real space scene

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.029

2015-06-10;

2015-08-02.

科技基础性工作专项：西南地形急变带地质灾害综合调查与风险制图(2011FY110100-3)，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室团队项目(SKLGP2012Z002)资助.

王帅永(1988-)，男，硕士生，研究方向为3S技术在地质灾害中的应用.Email: 932642157@qq.com

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