微型多旋翼无人机在水电勘察中的应用

钟 果,黄 翠,刘云鹏

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

微型多旋翼无人机在水电勘察中的应用

钟 果,黄 翠,刘云鹏

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

近年来，无人机在测绘领域的应用使得摄影测绘技术取得了快速的发展，而针对野外地质调查和水电勘察，无人机的相关应用起步还较晚，本文在结合笔者实际工作经验的基础上，对微型多旋翼无人机目前在水电工程勘察方面的应用进行归纳阐述，在如何利用无人机进行地质调查以及无人机从设计研制初期，如何针对该类特殊用户群体对机体进行改良定制等方面，提出一些思路。

多旋翼；微型无人机；地质勘察；水电勘察

0 前 言

由于微型多旋翼无人机具有快速机动、操作简单、使用成本低、危险性小、能获取高分辨率影像数据等优点，近年来在各民用领域得到了越来越广泛的应用。目前在工程地质勘察领域也逐步开始使用无人机作为调查手段，但还是多用于地形测绘和遥感等辅助调查，对工程地质勘察的核心少有涉及。无人机究竟应如何用于工程勘察特别是水电勘察领域，本文在结合现今技术条件的前提下提出了一些思路。

1 无人机类型及水电勘察环境简介

无人机，简称UAV(Unmanned Aerial Vehicle)，指不载有操作人员、利用空气动力起飞、可以自主飞行或遥控驾驶、可以一次使用也可以回收使用的、携有致命或非致命有效负载的飞行器。目前国内外无人机相关技术飞速发展，无人机系统种类繁多、用途广、特点鲜明，致使其在尺寸、质量、航程、航时、飞行高度、飞行速度、任务等多方面都有较大差异。由于无人机的多样性，出于不同的考量会有不同的分类方法(见表1)。

本文中所述无人机，综合上述分类方法，可归纳为微型多旋翼民用无人机(以下简称“无人机”)，其任务范围多为超近程、低空领域。无人机一般由飞机平台系统、有效载荷系统(信息采集系统)和地面控制系统三大部分组成。飞机平台系统和有效载荷系统组成了整个飞行器，根据负载能力和实现任务的不同，一个平台可以搭载相应一套或多套有效载荷系统，实现复杂功能。

水电工程多位于高山峡谷地区，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害频发。受山区经济发展限制，通常山高路险、交通不便，同时植被发育、通视条件差。许多重要地质现象依靠人力往往无法抵近进行实地观察和调查，即便能够开展调查的区域也通常难度巨大或存在安全隐患，地质勘察工作存在诸多困难和制约因素。特别是雅鲁藏布江下游河段、金沙江中上游河段、雅砻江中上游河段等未来水电开发的热门地区相应问题更加突出。同时，随着近几年相关大型水电工程逐渐建成发电，不断涌现出大量高坝大库，运营期库岸地质灾害调查工作也应运而生。但水库长度动辄数十公里，涉及面积广，利用传统地质调查手段，往往需要投入大量人力资源，费时费力。因此，如何快速进行库岸调查也是一项亟需解决的现实问题。

表1 无人机的分类

目前国内无人机市场在影视航拍、农业植保、电力巡检、警用安防等领域发展最为迅速，工程领域仅测绘技术应用方面较为广泛，专门用于工程地质勘察类的应用有限。究其原因，一是工程地质勘察工作所需资料涉及面广且内容深入，仅依靠无人机搭载的任务设备高空获取的资料有限，不能进行有效的分析工作；二是工程地质勘察一般设计范围大、地形地貌及地质条件复杂，无人机对其适应性有限；三是无人机自身性能及设备硬件等因素限制。但无人机同时具有快速机动、操作简单、使用成本低、危险性小、能获取高分辨率影像数据等优点，对于高山峡谷、植被发育地区及高寒地区等人力难以工作的地区适应性强，利用无人机加载的任务设备也可以获取地质专业所需的部分资料。因此，研究如何有效利用无人机的上述优点，结合水电地质勘察的任务特点，取长补短，使其能在常规人工作业难度大的高山峡谷地区部分代替人工进行野外作业，有效地获取地质资料是具有实用意义的。

2 无人机在水电勘察中的应用

目前在水电勘察工作中，对无人机参与的工作项定位多为辅助调查，有的甚至未明确出现在任务工作项里，即认为无人机在水电勘察中仅为获取相关资料的一种新手段，而非一种新工艺或新技术，因此并未对其进行严格限制和约束，而无人机进行工程勘察本身也可满足现有勘察规范，只是作为一种飞行器，需另行满足民航相关法律法规。目前用于地质勘察的无人机搭载设备多镜头或相机等影像拍摄类工具，多任务云台不仅对无人机硬件提出了很高的要求，使用及维护成本也较高，在现阶段仍未推广，因此主要就搭载拍摄类设备的应用进行阐述。

2.1 危险源调查

水电建设中，如从建筑物垂直高度划分，一般认为有地下建筑物、临河高度的地面建筑物(包括临时建筑)、蓄水高度的永久建筑物和蓄水位以上的建筑物。而相应的调查区域也可进行类似的划分，显然地下建筑区域不能通过无人机实现工程勘察工作，而从临河高度开始至蓄水位以上高度的区域，均可作为无人机调查的工作范围。实际工作中，低高程区域包括临河高度至蓄水高度之间的区域，相对来说交通条件及相关设施如水、电供给都更为完善，调查也更为便利，因此一般也可靠传统人工调查方式进行野外作业。这里重点关注的是高高程区域即蓄水位以上的区域，水电设计中除设计需要的水工建筑以外，人工边坡、环境边坡及需整治的泥石流沟、崩塌体及危岩体、滑坡及蠕滑变形体等，都属于关注的对象。在遭遇特殊地形地貌条件时，传统勘察手段往往在高高程区域难以开展，如遇悬崖陡壁、倒坡、植被茂密或冰雪覆盖时，又或上方有落石、塌方或雪崩等危险源存在时，均无法进行勘探工作。此外即便无上述地形或地质条件，由于高高程区域建筑物少、重要性相对偏低，如一些环境边坡，虽需治理但由于设置便道等相关投入过高，对对象认识及资料少导致方案的不确定性，都使相关勘察工作不能正常开展，也为以后埋下了一定的隐患。

该类勘察工作可归纳为危险源调查，高程高、范围较集中、精度要求高是其特点，而微型多旋翼无人机恰能取长避短发挥自身优势，对传统勘察进行有效的补充。首先微型多旋翼续航时间有限，目前市面常见的此类机型中，续航时间一般为15～25 min，而在高山峡谷地带，受气压、温度影响，续航能力会有不同程度的下降，加上预留的安全返回时间，实际作业时间就只有10 min左右，但对范围集中的对象可在一个架次内进行有效观测。其次旋翼无人机相对固定翼而言，可进行悬停操作，因此在操作精度上较高，可用环拍方式对单一对象进行多角度、全方位观测。

利用无人机进行危险源调查时，应提前对现场地形地貌进行了解，并对现场起飞条件进行判断，如是否为敏感区域、GPS卫星信号状态、场地起降条件、地面电磁干扰情况、气象条件等。地形地貌是规划航线的基础，在高山峡谷区需注意的两个飞行参数分别是相对高差和水平距离，这也是一个机型的基本性能参数之一。峡谷区相对高差一般较大，如需观测点与起降点超过了设备机型的上限，一般解决方式是上升至机型升限，对搭载可上仰的航拍设备进行上仰操作以进行观测，也可操作无人机后退直到观测点落入航拍设备范围内，但该操作会大大降低观测精度。另一个解决办法是提高起降点高度，即在可满足起飞要求的最高点进行起降。水平距离在续航时间足够的前提下一般仅影响设备图传及操作信号，但在峡谷地区如遭遇起降点河谷狭窄、高高程目标区域河谷宽阔的情况，则易出现遮挡或超视距飞行，极大影响飞行安全，此时如采用原有设备作业难度较大。目前市面已出现搭载可变焦的航拍设备的机型，使用该类机型仍可保持机体在河谷上方作业而非抵进操作，对续航时间及安全飞行都大为有利。

2.2 地质边界识别

地表地质边界的确定和划分是水电地质勘察中的一项基础工作，其成果对设计、施工和工程布置都有着重要影响。在一些特殊地形或地貌条件下，传统野外作业手段受到严重限制，如:峡谷地区坡降及落差大的泥石流沟，不仅无法攀爬至后缘的形成区，在流通区进行调查时也冒着落石、崩塌的危险；又如:平面面积较大、地表荆棘覆盖的区域，作业人员难以在地表进行穿越或多仅进行单线穿越，调查覆盖面及精度难以得到保障。该类工作可归纳为地质边界调查，范围较大、精度要求相对较低是其特点。此时若根据调查对象的特点，利用无人机可实时进行传输、高危地区探测、成本低、高分辨率、机动灵活的优点进行辅助调查，不仅可对人工无法观测的高陡区域进行大范围扫描式影像记录，对难以穿越的平坦地貌区也可进行类似操作。

无人机航拍进行地质边界识别主要利用了不同岩性或不同成因的覆盖层间具有不同光谱的特性，进行人工选择性识别。识别对象如为高差大的地质体，则可按高处航拍与低处现场调查相结合的方式，验证航拍区的边界成果，使成果更加真实可靠；而如观测对象高差不大，并具备现场实地调查的条件，则可航拍取得整个观测区的影像资料，根据具体地质条件进行观测区布点，并在观测点进行详细的现场调查，辅以航拍资料进行地质体边界识别工作。以上工作一般需利用无人机影像资料配合软件后期制作DOM正射影像图，并在拍摄时布置相控点，利用已有的该区域测绘地形图或DEM、DOM等数据进行坐标配准，以保证最终成果可用于实际工程。完成正射影像一般需保证60%的航向重叠率、30%的旁向重叠率，而如需保证重叠率一般是采用地面站对无人机进行规划控制，这里主要包括航线规划及拍摄任务规划。

需要说明的是，由于生成的正射影像主要是应用于地质边界识别，分米级甚至米级在目前已完全能达到精度要求，而无需如测绘类应用一般进行精细的精度校正；其次，高分辨率图像数据量相当大，而且随着地面分辨率提高，需要传输的图像数据量呈几何级数增长，数据码数率也迅速增长，目前图像的高速传输已经成为制约无人机应用的重要问题之一，因此在能顺利完成地质边界识别的前提下，尽量选用合理的分辨率，不仅能减轻后期数据处理量，在飞行中也可最大限度地优化航线和拍片数量。

2.3 其他应用

除了危险源调查及地质边界识别外，目前在水电勘察中还在探索一些新的无人机应用方向，如:边坡、滑坡等地表变形及位移监测。由于目前无人机可获取厘米级甚至更高精度的影像，因此使得对一些传统方式难以监测、规模较大的地质体作变形监测工作有了可能。该技术主要还是建立在前期传统调查后对变形体有一定认识的基础上，采取多架次多时段对监测对象进行航拍扫描，生成三维地表模型并对比不同时刻模型的变化情况加以分析，可真实展现裂缝长度、宽度及发展情况等。该项技术同样可应用于危险源调查、地质体产状辅助测量：对于传统方式难以获取的一些宏观地质体产状，利用数字摄影测量、空三加密法等手段生成数字高程模型(DEM)，提取产状相关的点的坐标和高程要素，通过计算得到地质体产状，并可根据长大节理面、构造面以及地表裂缝等对象不同的产状信息进行空间走向及展布情况预测。该技术是危险源调查和地质体边界调查的有力补充，因为无边界的地质体资料和无产状的地质界面资料都是不完整的，只有不断丰富和完善调查对象的地质信息，才能对其进行分析判断，最终为工程所用。

3 总 结

以上均为现阶段水电勘察或地质勘察工作中无人机的一些应用，虽大多仍在起步阶段，认识或理解仍有不足，但从中可以得出以下几点认识：

(1)由于地质勘察工作自身的复杂性，无人机现阶段乃至今后一段时期内暂不能完全替代人工进行工程勘察工作，但可作为一种先进的辅助手段对传统勘察工作进行有力地补充。

(2)目前使用无人机进行地质勘察，更多的仍是搭载拍摄设备，生成数码航空类影像数据，并在后期经过人工或软件自动化处理，输出包括数字表面模型(DSM)、数字高程模型(DEM)、正射影像(DOM)及真正射影像(TDOM)、三维影像图、三维地表模型等二维、三维可视化数据，所用应用都是基于以上产品或其中间成果的。

(3)目前地质勘察类应用仍是以测绘成果为基础并基于其上的，后期专门用于处理地质信息如自动生成地质对象产状、完成对地质体边界的识别等方面的软件十分有限，这样大大增加了后期数据处理的工作量，可专门针对这类应用进行软件开发。

(4)目前利用无人机对地质勘察中的对象仅停留在观测层面，如何能利用无人机进行对观测对象的取样或主动进行捕获，这是获取更详细的地质资料必须迈出的重要一步，望能在今后的无人机设计研制中加以考虑。

[1] 孙毅.无人机驾驶员航空知识手册[M].北京:中央民航出版社,2014.

[2] 李定松.无人机技术在地质灾害监测中的应用[J].北京测绘,2015(4).

2017-01-16

钟果(1983-)，男，四川成都人，高级工程师，从事工程地质相关工作。

P231

B

1003-9805(2017)02-0053-04