浅谈无人机低空摄影测量技术在我国地质灾害监测中的运用

崔明军

（河南省有色金属地质矿产局第七地质大队，河南 郑州 450016）

随着科技的进一步发展，无人机测绘、勘探技术已经得到业界认可并大量投入使用，传统的地质勘测由于受限较多，费时费力、成本高、风险高的原因已经与当代技术发展要求不匹配，无人机技术的进一步发展和应用受到人们广泛关注。

1 遥感技术

遥感技术是上世纪60年代兴起的探测技术，根据电磁波的理论，利用传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息，进行收集、处理，并最后成像，从而对地面各种景物进行探测和识别的一种综合技术，无人机就是遥感技术应用的典型技术[1-3]。

1.1 无人机系统构成

总体来说，无人机系统可以分为：地面系统（含人员）、机身系统数据处理三方面，地面系统包括：辅助设备、控分系统、起落系统地面部分、人员机遥控。机身系统有飞控、传感、推进、导航等系统。数据处理含测绘分析及图像生成、分析、处理，进而形成监测报告。

低空摄影属于遥感技术的具体应用，一般使用感光度强、色彩深度的CCD数码相机，可以进行连拍、速摄，载片量大，通过传感器输出至地面进行图像分析，其功能十分强大，可以充分满足地质灾害监测需要。

1.2 国内外发展历程

上世纪末，随着我国计算机通讯技术的快速崛起，小型数字化传感器问世并迅速应用到无人机领域，2003年中国科学研究院设计出了小型多普成像仪，随后其用途愈加广泛，红外成像和高光谱影像等技术也随之诞生，通过这些技术的应用弥补了传统遥感技术的不足。国外的无人机诞生较早，1917年第一架无人机研发于英国，用于空气采样、交通监管等，后随着技术成熟，开始进入军事领域，比如在越南战争和伊拉克战争中用于监控和精准打击等，如今在无人机在种类、数量和数控应用等方面都较成熟，处于世界领先地位的有美、英、以色列等国。

2 无人机应用广泛的原因

之所以无人机技术能得到大范围的应用和推广，是存在一定原因的，下面从需求和技术两个方面进行分析：

2.1 需求驱动

需求驱动：首先，无人机低空摄影技术是获得精细三维数据主要手段之一，大比例尺和高分辨率的需求逐步提高；其次，目前卫星遥感技术受地理空间的限制，信息回馈周期长，受轨道、天气影像严重，分辨率和准确度难以保证；再次，载人飞机受气候、空域的限制的影响较大，缺乏机动性且使用成本高。

2.2 技术驱动

技术驱动：第一，为地理监测及应急指挥提供了新的技术平台；第二，无人驾驶，可以远程控制起飞、遥感操作、返回遥控降落；第三，可以进行危险区域信息获取、空中侦查搜索、救援、监测等多项载人机无法完成的任务

3 无人机低空摄影监测的优劣势分析

用无人机来承担地质监测监测任务存在的优势和劣势有以下几个方面：

（1）具有很高的机动性、灵活性和安全性。首先无人机监测不需要专门的起降落场地，能在极短时间迅速升空且操作简单，尤其是在建筑物密集的城市地区和地形复杂的山区丘陵地带的应用；无人机能够在极度危险和恶劣的环境下工作，比如在森林火灾、火山爆发等地区可以直接获取影像，即使出现故障或着技术性失误导致坠毁，也不会遭受巨大的损失。

（2）具有分辨率高、角度自由的特点。数码成像设备具有垂直与倾斜摄影能力，可以在低空多角度摄影获取建筑物侧面的信息，弥补了卫星遥感和普通航拍摄影受到高层遮挡的问题；空间分辨率可以达到厘米级别，可以对构建高精度数字化地面模型极三维立体景观进行图片处理。

（3）性能优异，无人机能按照预订航向在50m～1000m的高度范围内自由飞行、拍摄，起飞行高度的误差可以控制在十米以内。在阴云下飞行也可以获取光学影像，且逼真度远超雷达，既不受高度限制，也不受山区低云影像。

4 无人机低空拍摄工作的流程

无人机进行航拍等一系列的监测活动，一般流程分为俩大类，通过遥控无人机获得数据和图片，之后传输之地面进行数据的分析，并得出分析报告。当前无人机采集信息一般使用降落后数据下载之后对数据进行分析的形式,但是已经无法满足地质灾害应激的需求,采用高分辨率采集的信息与地面实时融合与传输的稳定是保障无人机作业的重要手段，具体可显示为：地面控制--任务确定--起飞--数据获取--GPSIMU数据获取--数据同步传输--降落数据传输--数据处理系统.处理数据内容有纠正拼接和应用分析,畸形旋转投影的矫正,由于受天气/云层的影像,会产生倾斜角,通过速算、平差形成数字模型，再利用微波遥感对点云解算得雷达影像。

图1 无人机低空拍摄工作流程

5 无人机摄影监测在地质灾害中应用的综合分析

地质灾害是在地球的自然发展演变过程中,由各种自然地质作用和人类活动所形成的的灾害性地质事件，分为突发性的（崩塌、滑坡泥石流等）和渐进性的（水土流失、地面沉降）地质灾害给人民的生命财产安全带来严重威胁,因此有必要开展地质灾害预测、应急和风险区划。

关于无人机低空勘测的流程如下：第一，在突然发生灾害的瞬间要立即探索受灾地区的具体位置，并充分落实对受灾地区的各种信息和资料的反馈，然后全面探索无人机各种飞行环境等具体情况，如相关气象响应报告显示风、云、雨、雪等恶劣天气，确保所有核心信息的准确、安全飞行，无人机可以在云、雨天气条件和恶劣天气条件下执行8级及以上的飞行任务。第二，准确确定灾害发生的具体区域后，开始制定详细计划飞行路线，重点是计算和无人机的飞行高度以及路径，传输模型就是依靠建立在地面信息塔，通常无人机飞行高度是在60米至1000米之间，速度在80公里/小时至150公里/小时之间.第三，设定飞行路径后，将轨迹信息输入中央控制台，然后给无人机一个指示信号，当无人机接收到信号后，可以通过短距离慢速飞行、人工投影等方式起飞；无人机可以更加神奇地按照设定的轨迹飞行。最后，采集数据后，需要使用信息分析软件进行实时处理和综合宏观勘查。

无人机低空摄影遥感技术在地质灾害中存在的意义：无人机遥感在地质灾害中的作用。当突发地质灾害发生时，负责抗震救灾人员不可能立即赶到现场，因此如何获取灾区的一线信息就成了处理在后重建的的第一要务，在专职救灾人员到达现场之前，无人机遥感已经首先获取了灾区的灾害图像信息，所以无人机遥感在地质灾害中发挥着不可小视的作用，可以有效提高灾害监测水平；在这之后，为第一时间无法到达现场的救援指挥人员和部门提供客观准确的灾害信息。最后，能够最先监测灾后可以恢复和重建的程度，而且能使遥感观测技术在救灾中得到充分应用。

6 案例分析

2008年汶川大地震，5月13日中国科学院遥感应用研究所成立遥感抗震救灾技术小组，成立一线无人机勘测小分队，采用低空无人机--飞象1号进行拍摄，飞行高度4000M,航速95千米每小时,续航3小时,分辨率可达到200厘米,本次无人机低空摄影对了解地震灾区房屋和道路的破坏程度和空间分布，以及滑坡、崩塌、堰塞湖等地震灾害的分布和动态变化具有重要意义。为抢险救灾、地震灾难评估、次生灾害预防和灾后重建提供了最及时资料和科学规划的依据。

5月17日之后主要对于震后滑坡、崩塌等形成的堰塞湖进行低拍。将每次获得的相关影像经数据拼接与解译后，就被立刻送到救灾指挥总部，在抗震救灾期间,无人机一直服务于救人以及对堰塞湖的实时监测与次地震评估。总之,在汶川的抗震救灾过程中，以及预防次生灾害的防治和安置灾区人民重建的评估之中,无人机技术在各个环节都起到了极其重要的作用。基于逻辑科学和相关地理科学、形成了由定性到定量的综合研究体系,以及相关理论基础与技术支撑，当今,我们正在不断融合着卫星遥感、空间信息、地理环境等多方面的技术集合，对于地质灾害的动态监测与评估、交通监测与卫生防疫等方向，有着质的突破,有利于形成相关行之有效的防治机制,对今后突发的自然灾害能做到行动迅速,精准反馈的目标。