多旋翼无人机航测系统在高原地质灾害中的应用

吕文雅，朱兰艳，李超，刘小军

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093； 2.云南省基础测绘技术中心，云南 昆明 650034)

1 前 言

德钦县在云南省西北部，地处青藏高原南延的横断山脉纵谷部位，境内地形皆为高山峡谷，地形坡度大，地质灾害发育严重，主要有泥石流、滑坡、崩塌等。由于滑坡等地质灾害具有时间上的不确定性以及快速变化等特点，因此防灾、减灾、救灾的首要问题是及时掌握灾害发生和发展情况[1]。且德钦县内平均海拔为 4 270.2 m，在这种高原山区，传统摄影测量具有一定的局限性，很难获取大比例尺数字正射影像，这对于高原地质灾害监测是亟待解决的问题。

2 多旋翼无人机航测系统在高原地区的适用性分析

德钦县特殊的地质环境特征给该区带来了严重的地质灾害。由于滑坡等地质灾害的突发性，通常需要不定期进行灾害区域变化监测，传统的摄影测量成本高，效率低，适用性不大。

多旋翼无人机体积小，灵活性高，生产周期短，对起飞、着陆场地要求低，与航空摄影测量结合，可高效高质量的获取灾区的高分辨率影像，为抢险救灾提供第一手资料。多旋翼无人机具有在定点悬停、垂直升降以及中慢速巡航的特点，鉴于这一特点，在地质灾害变化监测中，可以实现高分辨率、定点、多重复的进行影像的获取，提供多期灾害高发区域高分辨率影像，进行数据处理后，多期对比分析，为地质灾害预防提供依据。

3 应用实例

3.1 影像获取

四旋翼无人机使用型号为MD4-1000，搭载镜头焦距为 35 mm的SONY a7r全画幅微单相机。利用该四旋翼无人机在2014年和2016年分别对德钦县民族小学后山滑坡群进行两次航拍，获取高分辨率影像。

2014年对民族小学后山滑坡群的航拍参数如表1所示，根据外业规范，航拍质量合格。

2014年飞行质量评价表 表1

2016年再次对民族小学后山滑坡群进行的航拍，摄影方向为东南-西北，航线条数为6条，分两个架次完成，航拍质量合格。

图1 民族小学后山滑坡群2016年航线飞行示意图

3.2 影像处理

(1)数据整理和预处理。由于无人机种类的不同，获取的POS数据格式有所不同，将POS数据整理为可以导入Agisoft PhotoScan软件的格式。再将所拍摄的影像进行整理筛选，删除地面试拍照片及对应的POS数据。

(2)导入影像、导入POS数据。将整理好的数据按着先影像，后POS的顺序导入。

(3)数据定向及点云提取。Agisoft PhotoScan软件可自动计算出照片的位置、姿态等，其内定向、相对定向及绝对定向都自动完成，无须人工干预。将影像和POS数据导入后，即可自动定向并生成点云数据。

(4)生成网格。Agisoft PhotoScan软件通过密集点云构建不规则三角网(TIN)。

(5)生成DEM。根据构建的三角网生成DEM。

(6)生成DOM。根据构建的三角网生成高分辨率正射影像[2，3]。

3.3 DEM和DOM辅助滑坡区域变化对比分析

(1)分析方法

两期影像均以XIAN1980为投影坐标系，通过处理两期的滑坡区三维高程信息，获得滑坡区在相同坐标系下的两期数字高程模型(DEM)[4]。在ArcGIS里导入同一区域两个时期的DEM，通过两期不同观测时间下DEM的高程相差计算，得到差值的栅格文件，在此栅格文件里可以查看每个区域整体的变化情况及相应变化区域的高程变化程度的情况。以德钦县民族小学后山滑坡区域的两期监测数据的DEM为例进行比较分析。通过对监测区域整体的高程变化观察，选取变化比较明显的地方做分析。根据高程变化差程度小以及不连续的小变化区域不做分析的原则，共找出在民族小学后山滑坡群区域有8块重点分析区域，各个重点分析区域分布如图2所示。

图2 民族小学后山监测区域重点分析区域分布图

针对每个变化区域逐一进行分析，最终比对分析的结果统计如表2所示：

重点区域分析结果 表2

(2)变化原因分析

本论文的差异对比分析主要是基于DEM对比分析得出结果，经过对比分析成果可以看出，区域的变化类型主要可以分为下面几类：

(1)人类活动行为产生的变化，如建筑施工、树木种植、土地开挖等。

(2)地表自身形变产生的变化，如受天气的影响而产生的自身形变。

在民族小学后山监测区域内，变化类型统计如下：人为因素占15%，自身变化占30%，无变化占55%。

(3)分析结果

由DEM对比分析结果结合重点分析区域的分析结果，可以得到如下结论：

民族小学后山滑坡监测区域有变化的区域有8个，通过对比分析发现有6处区为沙石滑动引起的堆积变化，有1处为建设施工堆土引起的变化，有1处为植被覆盖(人为或自然生长)引起的变化。仔细查看DEM数据、照片等发现这些区域的滑坡大多数区域变化不大，趋于稳定。对于变化大的区域，仅有两处是人为加固和植被覆盖缓解了滑坡的加剧，因此针对民族小学后山滑坡监测区域，还需采取措施，加强治理，尤其是在雨季要更加注意并预防此处发生地质灾害。

4 结 论

采用多旋翼无人机航测系统进行高原滑坡监测，能够快速高效的获取监测区域数字正摄影像图和数字高程模型，通过综合对比分析，获得区域变化信息，根据监测区域的变化趋势提前预警或采取预防措施，有效降低滑坡的危害，可最大程度减少人民群众生命和财产损失，为地质灾害的预防和治理提供科学支撑。

[1] 刘春，万红，李巍岳等. 基于无人机影像的大型滑坡区域精细地形构建研究[J]. 井冈山大学学报·自然科学版，2015，36(1)：1～7.

[2] 邹长慧，周忠发. 喀斯特高原山区无人机低空遥感影像数据的获取与处理[J]. 测绘通报，2012(S1)：421～423.

[3] 周晓敏，赵力彬，张新利. 低空无人机影像处理技术及方法探讨[J]. 测绘与空间地理信息，2012，35(2)：182～184.

[4] 周航，刘乐军，王东亮等. 滑坡监测系统在北长山岛山后村山体滑坡监测中的应用[J]. 海洋学报，2016，38(1)：124～132.

[5] 丛晓明，郑永虎. 基于无人机遥感技术的青藏高原地质灾害遥感解译研究——以青海省大通煤矿区为例[J]. 青海师范大学学报·自然科学版，2016(2)：42～46.