多轴旋翼无人机航摄在三峡库区群发地质灾害应急调查监测中的应用探析

杨娟

(重庆第二师范学院，重庆400065)

多轴旋翼无人机航摄在三峡库区群发地质灾害应急调查监测中的应用探析

杨娟

(重庆第二师范学院，重庆400065)

三峡库区是我国自然灾害多发、频发的地区，轻型固定翼无人机由于航线敷设、起飞降落净空、飞行控制等具有特殊的要求，影响了无人机数据获取的时效性的发挥。本文将通过三峡库区群发地质灾害抢险救灾实例，总结出多轴旋翼无人机航摄在群发地质灾害中的应用经验和方法，进一步推动多轴旋翼无人机航摄在我国群发地质灾害应急调查监测中的应用。

多轴旋翼无人机航摄;三峡库区群发地质灾害;应急调查监测

无人机具有机动灵活，航摄周期短等优势，可以快速获取相关影像，为灾区的灾害排查和人员施救提供直接有效的数据［1］。2009年以来，重庆市初步建立了轻型固定翼无人机低空遥感服务体系［2］，并在多次大型地质灾害应急抢险救援工作中进行了应用，取得了较好的效果［3-7］。三峡库区是我国自然灾害多发、频发的地区之一［8］，区内山高坡陡、峡谷纵横，地质灾害点多面广，加之地质灾害往往与不良天气和复杂地形等不利因素叠加，而轻型固定翼无人机航线敷设、起飞降落净空、飞行控制具有特殊的要求［1-9］，影响了无人机数据获取时效性的发挥。相对而言，多轴旋翼无人机有其独有特点，能更好地获取三峡库区群发性地质灾害资料，为抢险救援提供决策性的数据支撑。2014年8月31日至9月2日，三峡库区重庆段普降大到暴雨，暴雨造成大量道路损毁，房屋倒塌，山体滑坡、泥石流、堰塞湖等灾害，其中奉节、巫山、巫溪、云阳、开县等地受灾严重，重庆市国土房管局组织多支无人机组第一时间进入灾区，对体量100万方以上地质灾害点进行应急航摄。本文将通过三峡库区群发地质灾害抢险救灾实例，总结出多轴旋翼无人机航摄在群发地质灾害中的应用经验和方法，进一步推动多轴旋翼无人机航摄在我国群发地质灾害应急调查监测中的应用。

1 硬件系统简介

1．1系统构成

系统硬件包括八轴碳纤折叠式旋翼机，DJI WooKong-M飞行控制器，DJI 900Mhz电台，SONY a7R微单，LIPO电池(6S，30000mAh)，地面监控系统为DJI Groud Station 4．0和Futaba 14SG，硬件技术指标见表1。

表1 硬件系统主要技术指标

1．2系统特点

1)成本低，便于维护。多轴旋翼机单架设备总成本在10万以内，较同重量级的固定翼和直升机大幅降低［10］;其结构简洁，机体的各部分通过模块化设计，可实现快速拆换和简便维护，有效降低了维护成本。

2)适应性强。多轴旋翼机机体小，可折叠，重量轻，便于运输，可在灾体就近位置起飞，飞行范围和获取数据针对性、有效性高;可做低空、低速飞行，极端条件亦可托举起飞，起飞场地要求低;在对峡谷、危岩等大高差、高切坡灾体航摄时，可设置平行变高航线甚至垂直航线，多角度获取灾体高精度数据;可利用雨间短时插空完成飞行任务，避开低层云雾，有效突破地灾发生地点的复杂地形和天气影响。

3)飞行稳定。多轴旋翼机动力建模精确，指令实现动作误差小，有效避免了固定翼与直升机飞行动作受转动惯量、迎风侧与顺风侧升力差导致航偏、干扰大的缺陷［10］，其飞行姿态平稳，震动小，航线转弯半径小，提高了获取数据的有效性和精准性，满足了地质灾害航摄精准拍摄的要求。

4)安全性高。八轴旋翼机抗风性可达6级，其空气动力学特征可避免失速，有效降低了山区紊流对飞行的干扰;其容错能力较强，在1电机失能时能继续正常飞行，在对向3电机和同侧2电机失能情况下，仍能完成基本动作实现设备回收。

由于受电池、电机、材料等技术限制，目前多轴旋翼机还存在动力有限，速度慢，续航短，单架次有效航摄区域小等缺陷，不过针对三峡库区地质灾害体量，多轴旋翼无人机的这些缺陷能得到很好的弥补。

2 数据采集与处理方法

2．1数据采集

无人机由于搭载传感器幅面小、基高比小［1］等原因，加之地质灾害发生地点往往位于地形陡峭，地势高差较大的山区，并有可能伴有雨和山间低云、雾等不良天气，普通无人机难以平衡航摄的精度和效率要求。因而，利用多轴旋翼灵活操控的特点，可根据灾体的形状、地形、云雾等环境要求逐航点编辑航线，高效率获取地质灾害体及影响区的全面数据。在此次三峡库区群发地质灾害航摄中，根据不同的灾体特点，对地势高差不大的灾体，如奉节竹园镇无山村滑坡泥石流，灾体高差约200 m，灾体范围较大，采用等高矩形常规方式设计航线(如图1);对地形变化较均匀的灾体，如巫山福田镇土梁子滑坡，灾体坡度基本一致，高差约200 m，考虑到高差对航拍照片重叠度的影响，结合灾体形状采用非规则方式设计应急航线(如图2);对灾体和影响区域大，地势高差大的灾体，如奉节青莲镇白果寨滑坡泥石流，灾体高差约800 m，采用近似平行等高线分块变高设计应急航线(如图3);对有陡崖等陡峭地形，如奉节大树镇场镇滑坡，滑坡后沿陡崖高度约250 m，单向航线难以获取到崖体侧面数据，容易形成数据空洞，则采用变高和交叉飞行方式设计应急航线(如图4);对有低云、雾影响的灾体，可采用交叉飞行的方式，实现云区遮挡数据补偿［11］。

图1无山村滑坡泥石流常规应急航线设计

图2土梁子滑坡非规则应急航线设计

图3白果寨滑坡泥石流变高应急航摄航线设

图4大树场镇场镇滑坡变高并交叉应急航线设计

2．2数据处理

由于无人机航片重叠度不规则，倾斜角和旋偏角偏大，像幅小、基线短等数据处理难点，完整大比例尺测绘精度要求的无人机数据处理方法步骤多，技术流程复杂，软硬件系统要求高，处理周期较长［1-12］，难以满足地质灾害应急抢险快速评估、应急反映的要求。随着计算机图形技术和计算机视觉技术的快速发展，目前可利用无人机航摄的二维静态航片快速实现地质灾害体DOM、DEM制作、三维重建等，为地质灾害救援提供基础数据。目前俄罗斯Agosoft Photoscan-Pro、法国的ContextCapture，我国的DP-Grid等软件可实现无人机数据的快速处理。此次三峡库区群发地质灾害应急航摄数据处理采用的是Agosoft Photoscan-Pro软件。

2．2．1数据处理步骤

Agisoft PhotoSca-Pro软件是一款3D扫描系统，可根据多视图三维重建技术，对任意照片进行处理。软件通过导入具有一定重叠率的数码影像，影像定和向三维模型重建过程自动化程度较高，实现高质量的DOM生成及三维模型重建。该软件支持倾斜、多源、多航高、多分辨率影像自动空三处理，可根据多视图三维重建技术自动计算照片位置、姿态等，对无POS数据，满足重叠度的影像也能自动处理，提高无人机航摄原始数据有效性。同时，该软件还支持多核、多线程CPU运算，支持数据分块拆分处理，大大提高了工作效率。软件处理主要流程如图5。

图5PhotoSca-Pro数据处理流程

在地灾抢险时，可省略密集点云匹配、点云分类与编辑、控制点采集步骤，快速实现影像拼接，生产低精度影像图。通过简化流程处理数据，实现原始数据获取2 h内形成初步成果提交应急指挥部。然后再根据各地灾点抢险工作实际需要，通过设置不同精度参数，增加关键控制程序，生产满足要求的航摄成果。

2．2．2影像空间参考与地面控制

应急航摄工作最重要的是时间保障，对地质灾害影像和三维建模的精度要求较为粗略，加之地灾体危险性高，救灾人员物资调运困难，难以具备对地灾体按照常规航测技术进行控制测量的条件，因此在应急航摄时往往不开展地面控制点测量。但也有部分灾体大、影响广，需要进行大规模救援或治理的地灾体，需要尽可能进行控制数据采集，以实现关键数据提取。地质灾害无人机控制测量主要采用3种方式，根据实际情况进行选择:a利用采集的POS参数，通过软件空间参考功能，生成带有WGS-84坐标系统的可量测影像，根据需要进行坐标转换;b利用地灾发生前历史数据，如二次调查、地理国情等基础地理信息数据，选取特征地物点获取坐标值，该方法需要在航摄时适当扩大航摄范围，以满足特征点提取;c采用GPS等设备，在航摄影像上按照控制要求选取特征点，实地施测坐标和高程信息，录入航带内和航带间同名点，再进行空三测量和平差计算。在此次地灾应急监测中，主要采用前两种控制主法，只有无山村滑坡泥石流因需要对崩滑体和堰塞湖体量进行准确计算，以指导抢险施工，采用了GPS控制点施测法并通过航测内业生成了等高线。

2．2．3去除云、雾、阴影等提高影像质量

外业航摄受到山间低云、雾的影响时，多采用降低飞行高度或者等待天气转好后再航拍的方法获取数据。但在群发地质灾害应急航摄时，由于灾害点分布散乱，灾点间交通困难，后勤保障较弱，为尽快的获取到数据，在无法避开云、雾时，往往采用交叉多角度航线设计，使不同拍摄点照片能够从不同角度对云雾遮挡地物进行信息补偿。利用软件的掩膜功能，去除云雾影响，生成无云(少云)的影像成果。在对巫山龙溪镇张家寨滑坡进行航摄时，由于地形条件限制，无人机无法再降低航高避开云雾，在数据采集后使用用掩膜功能，获得了连续无遮挡的DOM。其中部分数据情况如图6～7。

图6航拍原始照片进云与掩膜

图7处理后DOM效果

2．2．4DEM提取和DOM数据精度提高方法

利用软件自动的点云和网格建立生成的三维模型，往往地物特征点位(如房角、角脊等)与自动提取点云并不一致，导致自动拼接的DOM存在房屋、陡岸、水体等存在扭曲的现象，导致生成的DSM精度不高。可通过对密集点云的自动或手工方式将房屋、水体、树林等地物进行分类，重建网格并生成新的DEM和DOM。仅需对灾体进行简单评估时，为提高输出影像美观性，可选择影像扭曲点所对应的航片，在构建模型基础上单独输出该区域DOM进行替换。处理效果如图8。

图8进行房屋扭曲数据替换修正前后效果对比

2．3应急抢险数据提取与分析

2．3．1直接信息提取与分析

通过处理后生成的DOM和三维模型，可利用经验直观判读提取灾体范围、面积、高程、灾体运动方向、类型及灾体分段位置、次生灾害危险点等信息［5］，也可利用破坏存留物体，提取直观的灾害损失数据。如图9。

图9兰家山滑坡灾体范围与灾损信息提取

2．3．2间接信息提取与分析

间接信息提取指通过将航摄DEM、DOM与历史DEM、DOM等信息进行对比，或利用三维模型数据与区域地形、权属、土地利用、基础设施等图件相结合，采用动力模型分析、GIS分析等方法，开展灾害影响区与安全界限评估、灾害损失评估、灾害体积(容量)计算等工作［4-5］，如图10。

图10无山村滑坡泥石流地灾发生前后影像对比

如对无山村滑坡泥石流灾害分析中，通过无人机航摄资料与区域地形图、历史影像图对比并结合地勘资料分析得出:无山村滑坡泥石流前缘大面积滑塌，形成泥石流沿沟槽冲入岔河，堵塞河道形成2处堰塞湖。滑坡滑移造成滑坡体内152户房屋全部倒塌，经清理623人全部避险，滑坡下方堰塞湖区域掩埋房屋18间，经清理紧急避险24户90人。区内发育地灾体主要有无山坪1号滑坡、2号滑坡、郭家沟泥石流、麻柳树沟泥石流。无山坪1号滑坡纵向长度550～640 m，宽度140～280 m，总面积约为(13．2×104)m2，滑体厚度为3．5～18 m，平均厚度约11 m，滑坡总体积约(145．2×104)m3。2号滑坡纵向长度(330～570)m，后缘宽度约230 m，前缘宽度约600 m，总面积约(23．4×104)m2，滑坡总体积约(538．2×104)m3。结合区域地质与地形资料，分析得出麻柳树沟泥石流流域纵向长度约2．2 km，平均宽度0．6 km，流域面积1．4 km2。郭家沟泥石流纵向长度约1．6 km，平均宽度0．25 km，流域面积0．45 km2。

3 结论

本文通过对多轴旋翼无人机和Photoscan-Pro相结合，面对群发地质灾害点多面散、地形与气象条件复杂的困难，结合多轴旋翼无人机特点，创新实施多种应急航线敷设方式，利用软件功能，有针对性地制定出多轴旋翼无人机在三峡库区群发地质灾害应急航摄及影像处理流程。在三峡库区群发地质灾害应急监测中，采用4个工作组同时作业的方式，在1周内完成了奉节、巫山、巫溪共计74个地灾点航摄，并确保在航摄当日夜间向指挥部提交快速监测DOM，有力支持了应急抢险工作。对重要的大型灾害点后期进行了精细化处理，配合相关部门开展灾情评估、灾体量算等工作，较好地完成了应急监测任务。现阶段计算机视觉技术已经对摄影测量产生革命性的影响，许多类似的无人机系统及处理软件也应运而生，他们都各自具有不同的优缺点，如何发挥各种软件的长处，进一步提高无人机软硬件的综合应用，还需要进行更深入研究。相信在不久的将来，随着材料技术、机电技术以及计算机技术的进一步发展，无人机航测将更加方便、精确，为各行各业的工程化应用提供更为优质的服务。

［1］毕凯，李英成，丁晓波，等．轻小型无人机航摄技术现状及发展趋势［J］．测绘1通报，2015，0(3):27－31．

［2］宋丹，刘智华．国土资源无人机遥感监测项目通过验收［J］．重庆国土房产，2014，12(3):11－13．

［3］韩文权，任幼蓉，赵少华．无人机遥感在应对地质灾害中的主要应用［J］．地理空间信息，2011，10(5):6－8．

［4］马泽忠，王福海，刘智华，等．低空无人飞行器遥感技术在重庆城口滑坡堰塞湖灾害监测中的应用研究［J］．2011，25(1): 253－256．

［5］刘智华，马泽忠．西南地区地质灾害应急体系构架模式研究［J］．地理空间信息2014，12(3):11－13．

［6］曾德耀，周富春，蒋海涛，等．基于无人机航测技术的三峡库区地质灾害调查监测方法研究［J］．绿色科技，2015(1):209－211．

［7］刘昌军，郭良，岳冲．无人机航测技术在山洪灾害调查评价中的应用［J］．中国防汛抗旱，2014，24(3):3－7．

［8］潘学标．地质灾害及其减灾技术［M］．北京:化学工业出版社，2010．

［9］易俐娜．无人机数据处理技术教学方法研究［J］．教育教学论坛，2016(1):182－183．

［10］范永涛．四轴飞行器运动控制系统设计［D］．兰州:兰州理工大学，2009:1－3．

［11］赵云景，龚绪才，杜文俊，等．PhotoScan Pro软件在无人机应急航摄中的应用［J］．国土资源遥感，2015，27(4):179－182．

［12］杨永明．无人机遥感系统数据获取与处理关键技术研究［D］．昆明:昆明理工大学，2012．

Investigation and Monitoring of Multi Axis Unmanned Aerial Vehicle(UAV) with Photographies in Mass Geological Disasters in Three Gorges Reservoir Region

YANG Juan
(The Second Normal College in Chongqing，Chongqing 400065，China)

The Three Gorges Reservoir area is a natural disaster prone area in China．Light was fixed on wings UAV as the route laying．Taking off or landing in clearance，flight control will have special requirements，as often affects the timeliness of UAV data acquisition．In this paper，we will summarize the application experience and method of multi axis unmanned aerial vehicle(UAV)aerial photography in mass geological disasters for a disaster rescue．We hope to promote the application of multi axis rotor UAV in the mass of geological disasters in monitoring of emergency investigation．

Multi axis rotor UAV aerial photography;Geological disasters in three gorges reservoir region; Emergency investigation and monitoring

P694

A

10．14101/j．cnki．issn．1002－4336．2017．01．045

2016－12－28

重庆市教委科学技术研究项目(KJ14011408);重庆第二师范学院科研项目(KY201336B)

杨娟(1978－)，女，福建政和县人，副教授，研究方向:灾害与区域可持续发展，电话:023－61252065，E-mail: 516407107@qq．com．