无人机技术在城市地质调查中的应用

王晓东

摘要：城市地质调查工作已被越来越多的国家所重视，其调查技术方法和工作手段也趋于多元化。随着科学技术的不断进步，无人机技术被广泛的应用于各行各业，自20世纪20年代以来，无人机技术便开始了快速的发展，中国无人机市场已发展了将近30余年，从最初的军用领域逐渐扩展到民用领域，因其方便性能和高实用性也必将成为城市地质调查工作中一项重要的技术手段。无人机技术具有高分辨率影像成像、快速机动的响应能力、航摄效率高、使用成本低等特点，在城市规划建设、灾害防治、环境保护等方面发挥着积极的作用。

关键词：城市地质调查;无人机;灾害防治;环境保护

中图分类号：P5;P231 文献标识码：A 文章编号：1007-1903（2019）01-0103-06

0前言

城市地质学是作为地球科学的一个分支，将地球科学领域的理论体系、技术方法及成果应用于城市规划建设与管理中，以促进城市规划建设的科学性和城市的可持续发展，是通过在城市领域应用的实践检验来推动地球科学发展的一门基础性、前瞻性、综合性和应用性都很强的科学（何中发，2010）。为了获取城市规划、建设和管理所需要的地质资料，规避城市地质安全风险，合理利用城市地质资源，为实现城市和谐关系提供基础依据，需采用多手段多方法进行调查研究。无人机技术的出现和发展为城市地质调查工作提供了新的技术手段，其高精度成像和快速时效的工作特点，在城市规划建设、资源开发、地灾防治、环境监测等工作中均具有优秀的表现。

1城市地质调查发展概况

1.1国外城市地质发展概况

城市地质工作在20世纪初首次由加拿大皇家协会提出，于20世纪八九十年代开始重视并发展（李友枝等，2003）。20世纪初期，加拿大皇家协会会议上发表了专题，就地质对城市中心建设的意义进行了探讨（Belanger，et al，2000）。20年代后期，德国出版了特殊土壤图以支持各重要城市的建设规划。二战结束后，德国、捷克、荷兰等国家系统的制定并实施了城市地质填图计划，对城市范围内的土壤和岩石属性等各项地质内容进行了填图（张丽君，2001）。60年代后期，受到工业化发展的影响，工业污染成为了西方发达国家的主要城市工作内容（张丽君，2001）。德国首次编制了描述土壤潜力的地质潜力图，并详细的描述了编图方法和编图内容。70年代初期，为了在图上展现城市地区地质数据，并进行数据化管理，西班牙展开了1：2.5万的地质填图工作，以用于城市规划建设。1970年，加拿大正式启动了一项计划，旨在开发出一种对地球科学信息进行编辑处理的计算机系统，实现城市中心的快速发展（Belanger，et al，2000）。80年代，发展中国家的城市地质工作得到空前发展。此时城市地质工作具有了以电子自动化技术进行主题填图的特点（张丽君，2001），通过图件的各项定量化指标，可使规划者、决策者和工程师及时提取有关信息并进行合理的城市规划工作。90年代末，英国启动了“伦敦计算机化地下与地表”项目（LOCUS）（张丽君，2001）和“陆地利用规划中的环境地质”项目（Thompson，et al，1998），LOCUS项目以包含4万多份钻孔资料的数据库为基础，运用了GIS与模型技术。加拿大启动了第二阶段城市地质调查计划（Thompson，et al，1998）。这标志着全球城市地质工作以GIS技术的应用和可持续发展的概念变为主流。到2000年，英国启动“城市地球科学研究”项目，以为城市发展提供地质信息为目的，通过地表矿床特征、三维岩体特征和信息系统研发3类主题进行研究（郭培國等，2014）。2008年8月在挪威首都召开的第33届国际地质大会讨论了很多关于城市地质的问题，最具代表性的是挪威在首都奥斯陆开展的调查项目，该项目以氡灾害、地面沉降、城市土壤污染、地热、砂矿资源、地下水、矿产地质、基地稳定性与检测、地质教育等10个方面进行了研究（郭培国等，2014）。2013年意大利罗马地区运用电阻率层析成像技术成功的探查了未知的地下空间或隧道（Fasani et al，2013）。

1.2国内城市地质发展概况

城市地质工作是城市规划建设的重要基础，贯穿于城市选址布局、规划建设、运行管理、转型升级的全过程。中国城市地质工作与其他西方发达国家相比具有起步晚、技术方法落后、标准体系不完善、工作机制不顺畅等诸多不足之处。

李烈荣等总结出中国城市地质发展经历了5个历史阶段（李烈荣，2012），第一阶段是20世纪80年代在全国范围内130多个城市开展的1：5万区域调查;第二阶段是20世纪90年代初开展的城市水文地质、工程地质、环境地质综合调查;第三阶段是20世纪90年代后期零星开展的地下水、地质灾害调查（薛禹群等，2008;张茂盛等，2013）;第四阶段是2004--2009年开展的城市地质调查试点工作;第五阶段是2009年以来开展和完成的全国主要城市群和经济区的地质调查工作（张茂盛等，2014）。

近10年来中国城市地质工作卓有成效，在工作发展理念方面取得了很大的创新，创立了一系列的理论体系和评价体系，针对城市发展时突出的地质问题做了系统的地质条件适宜性评价和重要战略资源勘查评价工作;2016年中国初步建立了地质环境保障工程、战略性地质资源保障工程和首都地质资源环境承载能力监测预警平台（卫万顺等，2018）。2017年11月在北京召开了全国城市地质工作会;2018年9月在上海召开了城市地质灾害普查与监测技术应用研讨会。为支撑服务国家区域协调发展战略和城镇化建设，近期城市地质工作分析了中国19个城市群的资源环境承载能力、337个主要城市的优势地质资源和重大地质问题，形成了中国城市地质资源环境状况的总体认识，提出了优化城市群发展规模和布局、发挥城市地质资源优势、保障城市地质安全的对策建议，强调了城市地质工作的重要性。

针对中国城市地质的发展现状，中国地质调查局2017年提出了符合中国国情和实际的《城市地质调查总体方案（2017-2025年）》。该方案提出到2020年完成100个地级以上城市的基础性综合地质填图，到2025年完成338个地级以上城市1：5万基础性综合地质填图，实现全国地级以上城市地质工作的全覆盖，建立系统完备的城市地质工作支撑体系，全面提升地质工作服务保障城市规划、建设、运行管理全过程的能力和水平。目前，中国已完成了306个地级以上城市环境资源摸底调查和34个城市三维地质调查工作。通过调查，提出了与地方政府合作，推广试点工作经验、以城市群为单位，推进综合地质调查、瞄准国家重大需求，强化精准服务的城市地质调查工作三部曲。

1.3城市地质工作基本内容

随着城镇化的飞速发展，城市人口不断扩大。城市人类工程活动、经济活动等已经成为了强大的地质应力，与常规地质活动同时影响着地质环境。由此原有的地质平衡便被打破了，从而使得城市地质问题日趋严重，资源开发、土地利用、环境保护和灾害防治等城市地质工作迫在眉睫。城市地质工作的任务就是在城市范围内为城市规划建设、管理治理服务提供地质信息和地质工作。随着城镇化的飞速发展，城市人口不断扩大。城市人类工程活动、经济活动等已经成为了强大的地质应力，与常规地质活动同时影响着地质环境。由此原有的地质平衡便被打破了，从而使得城市地质问题日趋严重，资源开发、土地利用、环境保护和灾害防治等城市地质工作迫在眉睫。城市地质工作的任务就是在城市范围内为城市规划建设、管理治理服务提供地质信息和地质工作。城市地质调查分为城市地质条件调查、问题调查、资源调查、城市规划、地质评价、城市地质信息平台建设、质量控制和成果编制与验收等方面。李友枝等（2003）总结出城市地质工作的研究内容主要为基础地质调查、水文地质调查、地质灾害调查、资源开发和利用、环境污染评价和防治等。随着城市地质工作在近几年的空前发展，其在工作领域、内容和服务对象上都产生了深刻的变化：城市地质工作服务于城市发展的全过程，是城市可持续发展的基础性工作和前瞻性工作。其工作内容是系统研究地质资源环境要素、为城市发展提供地质资源、环境保证与约束程度并，判断城市发展对地质资源环境的影响程度，提高城市发展中地质安全的程度（郑佳森等，2018）。

2无人机技术的特点与应用

2.1研究现状

世界上第一架无人机诞生于1917年，当时主要运用军事战场侦察方面。美国作为航空工业基础和技术实力最为雄厚的国家其无人机的研究与发展处于世界领先。美国于1939年开始研制无人机，20世纪50年代以后，美国相继研发出了“火蜂”“先锋”“猎人”“捕食者”“全球鹰”等战略侦察无人机;2013年美国DARPA（美国国防部高级研究计划局）公布了“九头蛇项目”，目的是建立水下战斗网络，这一平台可搭载水下及空中无人机。当今美国无人机已经有了较为完备的发展状态（程诚等，2016）。

中国研制无人机始于20世纪60年代初期，60年代中期初步研制开发出了“长空一号”系列;到80年代，中国正式研发出“长虹一1”并应用于军事方面;1994年12月中国研发出“ASN-206”多用途无人驾驶飞机;2003年中国研发的“WZ-2000”低速可自主起降无人机实现了首飞，迈出了中国一航发展无人机产品可喜的一步;2015年军用无人机CH-5首飞，其续航能力长达20小时。中国军用无人机主要有两大系列，一个是成都飞机设计研究所的翼龙系列（翼龙I、翼龙ID、翼龙Ⅱ），另一个是中国航空设计研究院的彩虹系列（彩虹3、彩虹4、彩虹5）;而民用无人机则种类繁多，大疆创新科技有限公司、极飞科技、雷柏科技等各个公司都在积极的研制和开发新一代的消费级无人机。中国的无人机技术已经具备了追赶世界一流水平的能力。

2.2技术特点与优势

无人机具有空域申请便利、受气象限制小、应用范围广、使用成本低、图像精细等特点（吴永亮等，2017）。

（1）机动快速的响应能力

无人机运输便利、升空准备时间短、操作简单，可快速到达监测区域;另外其体积小、机动灵活，不需要专用跑到升降，受天气和空域管制的影响较小（孙杰等，2003）。机载高精度遥感设备可以在短时间内快速获取遥感监测结果。

（2）高分辨率遥感影像数据获取能力

无人机搭载的高精度数码成像设备，覆盖面广，具备垂直或者倾斜成像的能力，获取图像的空间分辨率达到厘米级，适应于1：1万或更大比例尺遥感应用的需求（孙杰等，2003）。目前城市地质工作所需的影像主要为RGB三波段，无人机可挂载多光谱相机、高光谱相机和激光雷达传感器，所拍摄的影像空间分辨率高、影像清晰。所获取的影像为真彩色数字影像，已满足1：500地形图的测量规范要求。

（3）航摄效率高

无人机航摄可进行针对性航拍，重点获取指定区域数据，针对不合格影像可现场重拍。

（4）数据处理速度快

影像数据处理速度快。例如Pips软件能对航空影像数据及无人机影像数据进行快速化自动处理，可完成从空中三角测量到各种比例尺等测绘产品的生产处理任务（陈砚国，2018）。

（5）操作简便可靠

飞机操作简单，智能化程度高，部分无人机机型有故障自动诊断及显示功能，一旦遥控失灵或发生其他故障，飞机自动返航到起飞点上空待命;故障解除则继续执行飞行任务，否则自行开伞回收。

（6）使用成本低

无人机成本较低，飞行操作员的培训时间短，机器存放和维护简便，无调机和停机的费用。

2.3行业应用

无人机已被普遍应用于军事范畴和民用范畴。军用方面，无人机分为侦察机和靶机;民用方面，可应用于多个行业，处于迅速发展阶段;西方发达国家也在积极发展无人机技术。

（1）地形图测绘

无人机航拍过程主要包括航飞、控制测量、像控、调绘、成图等。因其灵活机动和影像分辨率高的特点，可出色的完成1：500地形图测制。

（2）应急监测

无人机结合底图拍摄具有影像分辨率高、时效性强的特点。特別是在高危地区，一旦发生自然灾害，无人机可以快速做出反应，而不会因为工作人员亲临现场造成危险。通过影像的处理可有效并且快速精准的反映现状，便于救灾人员及时规划救援方案，从而提高救援效率，减少损失。无人机航拍可计算出受灾面积和房屋损毁数量，进行灾后统计和评估。

（3）国土资源监测

无人机航摄可以应对土地调查监测和土地核实工作，对国土资源变化进行实时监测，能够有效降低土地调查成本，还能对发现的违法用地、非法开采等情况进行及时的评估和制止，为国土执法提供依据（陈砚国，2018）。

（4）其他民用产业应用

目前，中国民用无人机主要应用于搜索救援、灾害防治、资源勘查、气象监测、交通管制等方面。不管是城镇还是农村地区，无人机都在逐渐发挥其积极的作用，在提高工作效率，解放生产力的同时，精准的数据反馈和多元化的工作内容成为无人机的发展方向（图1）。

2.4应用实例

（1）2017年7月的万吨危废倾倒长江的环境污染事件中，环保人员利用无人机航拍现场勘查污染范围、提取污染物和物证，追查了污染废物的源头，及时制止了此类污染的持续发生。

（2）2017年8月8日四川阿坝州九寨沟县7.0级大地震的救援过程中，四川电力公司第一时间赶赴灾区，通过无人机技术协助完成了电力设备的抢修工作，并配合武警官兵对道路损坏情况进行侦察，获取了地表影像资料，给救援方案提供了信息支持，为救援搜索争取了时间，极大的降低了搜救人员的劳动强度，减少了救援人员的伤亡。

（3）在土地确权工作过程中，《农村土地承包经营管理调查规程》规定了DOM地物点与实地同名点的误差精度，采用无人机航空摄影测量方法获得影像底图后，经过精度验证，得出采用影像分辨率为0.06m的航测正射影像制作的底图所得点位的误差小于规定误差的结论，完全满足土地确权工作的精度要求。2016年甘肃礼县土地确权工作过程中，采用无人机航拍测绘影像遥感技术，通过一个半月的时间完成了9个乡镇159个村的航拍工作任务，完成率达到了47.2%。降低了测绘生产成本、提高了工作效率，缩短了工作周期。

（4）蚌埠市天河科技园的规划运用无人机航拍摄影，采用全数字摄影测量工作站进行立体测量，利用空三导入的方法建立数字立体模型。整个数字化测图过程比直接野外测量缩短了将近一半的时间，有效的提高了工作效率，降低了作业成本。这充分证明了无人机在城市地质工作中发挥的重要作用。3无人机在城市地质调查中的应用

（1）环境监测和环境治理

无人机航拍具有续航时间长、时效性强、机动性好、巡查范围广等特点，可为环境执法人员排查污染源缩短时间，提高排查的效率和准确性。尤其是在雾霾严重的地区，可在排查到污染源时在一定程度上减缓或防止雾霾的污染，利用携带了催化剂的无人机在空中进行喷撒，在一定范围内可消除雾霾污染，达到环境治理的效果。无人机可以实时监测和追踪如原油泄漏、井喷等环境污染事件的进程和发展以及时做出应对措施;环监部门可以利用无人机技术在指定区域巡航，监测工业工厂的废气与废液排放情况，寻找污染源，并且可以采集标本监测其排放是否达标;无人机在土壤、空气、水质和植被等状况的观测中也发挥着重要的作用。

（2）灾害防治

无人机动性好，轻型无人机从起飞到降落仅需要不到半个小时，就能完成10万km2的航拍，且成像速度快，对于灾后救援工作具有重要的意义。无人机技术避免了工作人员亲自去存在塌方、滑坡和泥石流等危险的地区，可以有效的保障救援人员的人身安全。无人机航摄为确定救灾重点区域、合理分配救援力量、选择安全救援路线等提供了有价值的参考数据。此外，无人机可实时全方位的监测受灾地区的最新情况，以防引发次生灾害，引起二次人身伤亡。

（3）土地确权

无人机大到两国的领土之争，小到农村土地的确权，都可发挥积极的作用。无人机机动灵活，通过航拍可对土地资源进行实时监测，解决农村土地归属问题，为土地执法提供重要依据，对即将开展的第三次全国土地调查工作提供準确和详实的数据资料。部分国家内部的边界确权问题，有时牵扯到不同的种族，使用无人机前去采集边界数据，可有效地避免潜在的社会冲突。

（4）城市规划建设

无人机可以为城市规划建设的前期资料收集工作服务。通过无人机高精度拍摄，收集道路交通系统及其他主要市政工程系统等基础城市资料，确定城市功能的空间布局，合理选择城市的各项用地，提出市域城镇体系规划。

4结论

无人机具有高分辨率影像和高精度定位数据获取能力，并有快速时效的特点，作为新兴科技产品，在传统地质的基础上应加大技术投入，进而为城市地质工作提供有效的手段支持，降低工作成本，提高工作效率并保障人身安全。2017年中国民航局宣布民用无人机将实行实名登记注册，针对发展特点和需求，拟将农林喷洒、空中拍照、航空摄影和执照培训四类主要经营项目列为许可对象，在此基础上，应积极吸取各国先进的管理经验，进一步明确无人机飞行的技术标准和法律法规。随着国民经济增长需求、环境保护和安全及社会发展对数据的要求不断提升，无人机在规划建设、水利监测、灾害防治、城市资源和矿产资源开发、环境综合治理等各个城市地质工作领域中均发挥着积极的作用，应用前景广阔。