无人机摄影测量技术在北京市门头沟区地质遗迹调查中的应用

吴家悦　徐尚智　郝春燕　贺瑾瑞　冉淑红　程素珍

摘 要：无人机相较于传统调查方法具有观测拍摄角度灵活、三维形态还原度高、空间位置信息准确等优势。本文初步探讨了无人机摄影测量技术在地质遗迹科研科普、空间数据库建设和地质遗迹形态修复等方面的应用前景，结合应用案例介绍了人为遥控飞行和规划航线飞行两种调查方法，总结概括了查阅禁飞区域、明确调查内容、执行调查任务、三维建模和数据测量等基本调查步骤，以及无人机在地质遗迹调查工作中的限飞政策、安全操作以及其他注意事项。

关键词：无人机;摄影测量;地质遗迹调查;应用前景

Abstract： This paper concludes that drones have the advantages of flexible observation angle， high reduction degree of three-dimensional form， and accurate spatial position information compared with traditional survey methods. This paper preliminarily discusses the application prospects of drone photogrammetry technology in geological relic scientific research， spatial database construction and geological relic morphology restoration， etc.， and introduces the two investigation methods of man-made remote-controlling flight and planned route flight in combination with application cases. It summarizes the basic investigation steps such as checking the no-flying area， clarifying the investigation content， performing investigation tasks， 3D modeling and data measurement， and summarizing the flight restriction policy， safe operation and other precautions of the drone in the investigation of geological relics.

Keywords： drone; photogrammetry; geological relics survey; application prospect

0 前言

無人机（drone）是无人驾驶飞行系统（Unmanned Aerial System，UAS）的简称，在美国《国防部辞典》中被定义为：“不搭载操作人员的一种有动力飞行器，它借助空气动力提供所需升力，能自主飞行或远程引导”（Joint Chiefs of Staff，1988）。1916年Lawrence和Elmer Sperry发明第一台无人机（Nokami，2007），20世纪中后期一直广泛用于军事领域（廖小罕等，2016;李谦，2019），随着科学技术的日新月异，20世纪90年代开始用于民用领域。之后的30年迅速发展，如今，无人机摄影测量技术被应用到人们日常生产生活中的各个领域。在精准农业领域、辅助农作物决策方面，快速获取农田空间位置信息，划分土地利用类型，定位农田边界和基础设施、量算种植面积等（赵春江等，2003;蒙继华等，2011;魏传俊，2018）。在林业方面，无人机能够对病虫害进行监测与防治，预警及扑救森林火灾（李志美，2018）。在测绘工程中，利用无人机进行低空航摄，将获取的高清影像数据制作正射影像图或进行三维建模（陈忠良，2018）。在地质行业，无人机可用于地质灾害监测与调查、地质工程测量等（宋荣君， 2018;王晓东，2019）。此外，在考古探测、气象监测、城市建设规划等多方面的应用成果显著（Fernández-Hernandez，et al.，2015;Reuder，et al.，2009;Djimantoro，et al.，2017;Ham，et al.，2016;Ke，et al.，2017;Tang，et al.，2015;许兆军，2016）。目前，无人机在地质遗迹调查中尚未规模应用，本文结合应用案例，介绍无人机摄影测量技术在地质遗迹调查中的优势，系统总结常用调查方法与步骤，为今后此方面调查工作提供参考。

1 门头沟区地质遗迹概况

门头沟区为北京市的郊区，总面积1448.9 km2，山地面积约占全区面积的98.5 %。该区地质资源丰富，地质遗迹较为发育，其所处的北京西山地区被称为“中国地质的摇篮”。门头沟地质遗迹总体特征如下：以门头沟地名创名的岩石地层单位多、岩石剖面丰富;矿产资源丰富;古生物化石丰富;岩土体地貌景观丰富;构造剖面及地貌景观多样;第四纪冰川遗迹发育以及罕见的古地震遗迹（贺瑾瑞等，2020）。其中，包括许多特点突出、价值颇高的典型地质遗迹，例如：庄户洼蓟县纪雾迷山组溢出丘、下苇甸寒武纪地质事件剖面、下苇甸古生界与新元古界不整合面、庄户洼蓟县纪雾迷山组波痕、岳家坡侏罗纪门头沟植物群、灵山火山岩地貌、永定河峡谷地貌等。

2 应用案例

在门头沟区地质遗迹详细调查中，项目组首次应用无人机参与调查。本文以无人机在庄户洼蓟县纪雾迷山组波痕构造遗迹调查中的应用为例进行解读。该点位于门头沟区雁翅镇庄户洼村，G109国道转610县道付珠路。遗迹出露面积20 m×40 m，地层岩性为中元古界蓟县系雾迷山组三段硅质条带白云岩，层面波痕构造发育，波长4 cm，波幅4～5 mm，为非对称波痕，波脊延长方向340°（图1）。该地质遗迹为典型的沉积构造中的示顶构造，是地层是否倒转的重要地质标志，且该点是目前北京地区发现的出露面积最大、保存最完整的雾迷山期波痕构造，可与华北地区同类地层进行对比，对北京西山地区中元古代蓟县纪古海洋沉积环境研究具有重要价值;同时，该遗迹点可用作测量古海水深度，海水流动方向等古沉积环境参数的实习地点，亦可作为古海洋沉积环境科普教育的天然场所。

无人机在该遗迹点调查中主要用于按规划航线拍摄波痕构造及周边区域的正上方宏观影像，将航拍影像拼接成正射影像图并建立三维模型，为地质遗迹保护、地质遗迹空间数据库建设提供数据支持。

2.1航线规划与参数设置

本次调查选用的无人机型号为大疆品牌的“悟”Inspire 2，航拍软件为“DJI PILOT”，该遗迹点采取人为遥控飞行和规划航线飞行相结合的调查方法。人为遥控飞行时，直接选择界面中的“手动飞行”，根据需要对波痕进行多角度的宏观摄影。规划航线飞行时，选择“航线飞行”，通过手动调整窗口进行航线规划，确定飞行航线见图2。经过等高线图确定飞行区域内最高点高程为70 m，飞行高度需预留至少30 m的安全空间，最终设置各项技术参数见表1，待参数设置完毕后即可开始执行飞行任务，直至无人机安全返航。

2.2 三维建模

目前常用的无人机三维建模软件包括Pix4D、Altizure、Smart3D等，本案例选用操作较为简单、处理流程快捷的Pix4D软件进行建模。首先，将航拍的原始影像、相机文件和POS文件导入软件中，进行数据初始化处理。然后，通过软件自动进行空中三角测量，计算原始影像外方位元素，利用完全基于影像的全自动相机检校优化技术和光线束法区域网平差技术自动校准影像，拼接成地物的数字正射影像图（DOM）与数字表面模型图（DSM），同时生成影像匹配的点云数据。最后，点云数据构成三角网格，网格结合航拍照片完成纹理映射，得到最终的三维模型，建模成果图见图3。

可通过鼠标拖拽观察遗迹点的各个角度，也可以根据点云数据直接从三维模型中量取需要的空间位置、距离等数据信息。

3 地质遗迹调查方法讨论

3.1 常规调查方法的局限性

在野外实地调查中，对单点地质遗迹进行近距离观察、记录、取样、测量、摄影等是最常规与最基本的调查手段，能够满足大部分地质遗迹的调查需求，但由于门头沟区区域地质构造复杂，地势起伏大，地质遗迹数量繁多且类型丰富，在实际调查中遇到很多常规调查手段难以解决的困难和问题。

（1）某些地质遗迹点位于悬崖峭壁或沟谷河道中，调查人员无法近距离接触，只能远距离寻找观测点位，导致遗迹点的坐标、高程等位置信息无法准确获取，影响后续室内的投点、作图、分析工作。

（2）在调查某些大型的地质构造、地貌景观遗迹时，好的观测点位通常交通不便，需要调查人员徒步前往，如果想要对遗迹点的四周及上方进行全方位观察甚至需要绕过障碍物走很远的路程，不仅费时费力还有一定的安全隐患。

（3）在研究某些大型的断层、褶皱等地质构造或其他规模较大的地质遗迹时，需要对遗迹点进行整体观察和分析，例如地质剖面的地层接触关系、断层性质及上下盘的相对位置、地貌景观的群体特征或组合关系等，而通常观测点位的视角较为单一、局限，给遗迹点的整体研究带来不便。

（4）传统的相机或手机摄影视野窄、角度局限，很难对遗迹点进行全方位的影像记录，造成室内还原度低，不利于后续的分析研究和影像展示。

（5）野外地质条件苛刻、植被繁茂，很多遗迹点的长度、宽度、高度等自身特征或位置关系难以准确测量，只能人为估算，造成精确度不足。

3.2 无人机调查的优势

常规的地质遗迹调查手段存在一定的局限性，对于上述工作局限很难满足，无人机凭借自身的诸多特点，能够很好的弥补传统调查方法的不足，在地质遗迹调查工作中发挥优势。

（1）可作为移动观测点位，进行多角度观测。常规调查方法在选取观测点位时既要保证观测对象的完整性又要考虑观测点的通达性，而无人机凭借其机动灵活的特点，可以克服地形、植被等不利因素，代替调查人员快速到达指定位置对遗迹点的局部特征进行观察、摄影，节约时间成本，降低危险系数，提高工作效率。

（2）可提供宏观观察视角，完整展示遗迹全貌（图4）。无人机可以飞到遗迹点上空，提供俯视观察视角，获取遗迹点的宏观影像，进而将航拍影像利用软件进行全景处理或三维建模，可以很好的还原遗迹点立体形态，便于调查人员进行整体分析研究和影像展示。

（3）可完成数据信息采集和测量工作。无人机可以前往某些调查人员无法靠近或难以到达的遗迹点，获取准确的坐标、高程等位置信息和影像数据。将采集的数据进行三维建模，能够直接从三维模型中量取需要的距离，将外业工作转为内业工作，降低工作难度。

3.3 无人机摄影测量技术在地质遗迹调查中的应用

（1）科学研究与科普展示

目前多数无人机能够拍摄4K高清甚至清晰度更高的影像，利用无人机对地质遗迹的各个角度拍摄微观或宏观影像可以很好地展现地质遗迹的细节特征或整体形态，必要时将拍摄的影像利用软件进行三维建模，可以使地质遗迹360°无死角地还原，便于科研人员进行室内研究分析;在进行地质遗迹科普时，能够为公众提供俯视、平视、仰视等各个观察视角，展示许多常规拍摄方法无法获取的影像，既能满足公众的好奇心又能使其對地质遗迹有更全面的认识。

（2）地质遗迹空间数据库建立

对于许多规模宏大、常规调查手段难以接近的地质遗迹，可以利用无人机代替调查队员准确地采集遗迹点的坐标、高程等位置信息，摄取每个遗迹点的360°全景影像，制作三维模型。根据遗迹点自身特征、位置信息、多角度影像数据以及立体模型，建立地质遗迹空间数据库，在日趋信息化的大数据时代，为管理者提供地质遗迹数字化管理平台，方便其对地质遗迹信息的随时提取、录入和管理，进而助力地质遗迹的科学保护与合理开发利用。

4 无人机摄影测量技术在地质遗迹调查中应用的技术方法

4.1 主要调查方法

通过实践经验的积累，笔者总结了无人机在地质遗迹调查应用中的两种主要调查方法：人为遥控飞行和规划航线飞行，此次调查的所有地质遗迹均可运用其中一种或二者结合的方法进行调查。人为遥控飞行是指驾驶员从无人机起飞到降落的整个过程中用遥控器全程操控，包括无人机的每一次行动指令、拍摄指令，该方法是无人机在地质遗迹调查应用中的最基本方法，对驾驶员的操作水平要求相对较高。由于无人机完全由驾驶员操控，可以在空中任意飞行，主要作为移动观测点位，对遗迹点各个方位、角度和局部特征进行观察、摄影，也常用于前往调查人员难以接近的位置采集遗迹点的空间位置信息，该方法多用于规模较小的地质剖面、地质构造和矿物岩体等地质遗迹调查。规划航线飞行是指驾驶员在起飞前为无人机规划好指定的飞行航线，起飞后在无意外事故发生的情况下无需对无人机进行干预，直到其执行完规划航线的飞行任务后自主返航。该方法主要用于采集遗迹点的宏观影像和空间位置信息，进而建立地质遗迹三维模型，多用于规模较大的地质构造、环境地质遗迹景观和地貌景观等地质遗迹调查。

4.2 基本调查流程

无人机在地质遗迹调查应用中的基本流程大致可分为5个步骤。

（1）提前查阅当地的禁飞区域，确保无人机在调查地点能正常飞行。

（2）判断地质遗迹的类型、性质和规模，明确需要无人机观察、拍摄的重点内容，例如褶皱的核部及两翼地层，不整合界面的上覆、下伏地层接触关系，地貌景观的群体特征和组合关系等。根据调查内容的需要，合理选择人为遥控飞行方法或规划航线飞行方法，寻找开阔、安全的起降地点。

（3）执行调查任务。如果选择人为遥控飞行，驾驶员可根据实际需要，直接将无人机操控到适当位置进行观察、拍摄即可。如果选择规划航线飞行，则需要提前查看等高线图，获取目标飞行区域内最高点的高程，从而在规划飞行航线和设置飞行高度时预留出足够的安全空间。

（4）整理采集的空间位置信息和航拍影像，必要时利用专业的三维建模软件建立三维模型。

（5）通过地质遗迹三维模型提取坐标、高程和遗迹点的长度、宽度、高度、距离等数据信息。

4.3 精度保障措施

为了进一步提高无人机摄影测量的地质遗迹点坐标、高程精度以及三维建模后的数据测量准确度，可以采用布设控制点、高精度GPS辅助设备、RTK（Real Time Kinematic，载波相位差分技术）或PPK（Post-Processing Kinematic，GPS动态后处理差分）技术等保障措施。

（1）布设控制点。由于无人机搭载的GPS精度有限，并且在定位传输时候会存在一定的时间差，因此控制点的合理布设可以有效提高航摄采集精度、空三加密精度以及最终成果精度。控制点的布设应选择具有明显辨识物的附近，易于判刺和立体量测，且通常选取无人机航摄影像重叠部位中线进行布点。

（2）高精度GPS辅助设备。传统的无人机POS数据精度较低，需要的地面控制点数量较多，外业工作量大。在无人机上加装高精度GPS 设备能够获取传感器拍摄时精确的瞬时位置，在大幅缩短外业布点时间和减少外业布点困难的同时，提高空三加密效率及精度。

（3）RTK或PPK技术。在无人机上加装RTK可以使坐标和高程误差达到厘米级，大幅度减少了传统航测中所需的地面控制点，而PPK解算可以提供稳定可靠的地面基站静态数据，获取更高精度的POS数据，同样达到厘米级的精度，从而高效地提升航测成果精度。

4.4 注意事项

（1）了解当地的限飞政策。随着我国对于民用无人机的管理越来越来严格，不同地区对于无人机的飞行区域、飞行高度和飞行时间等都有不同程度的限制，因此在飞行前应仔细阅读国家和当地的法规政策，避免出现违规操作。以首都北京为例，六环以内为严格禁飞区域，飞机场、军管区域以及重点的政府机关单位也都禁止起飞;在举办两会、国庆或其他重大事项之前也会发布禁飞通知，详细限飞信息建议登录大疆创新官方网站或“DJI GO 4”手机APP进行实时查询。本次应用无人机进行的地质遗迹调查区域主要位于门头沟区西部山区，不在禁飞范围内。此外，中国民用航空局在2018年8月31日下发的《民用无人机驾驶员管理规定》中对驾驶员的执照也做出了相关要求，操控Ⅰ、Ⅱ类无人机的驾驶员应进行备案并通过在线法规考试;在隔离空域和融合空域运行的除Ⅰ、Ⅱ类以外的无人机，其驾驶员应持有执照并在行使相应权利时随身携带，因此驾驶员应根据所用无人机类型和应用范围依法备案或考取执照。

（2）安全操作注意事项。在无人机的整个操作过程中，有一些需要特别注意的细节，处理好这些细节可有效避免很多安全隐患。第一，在起飞前应注意观察GPS信号的强弱，对于一些地处于峡谷、嶂谷或其他狭窄环境的地质遗迹，无人机的GPS信号很可能会比较弱或不稳定，无人机坠毁的风险大幅增高，因此起飞前应确认GPS信号的接收情况，如果信号不好应择时或择地起飞。第二，始终坚持“先装桨后开电源，先关电源后拆浆”的原则，无人机螺旋桨的转速极高，剐蹭到人后会产生巨大伤害，此项操作可以保证无人机在螺旋桨的拆卸过程中处于断电状态，有效避免不安全事故的发生。第三，在起飞之后应尽量保证1人操控手柄，1人关注无人机位置，通常驾驶员主要通过手柄的显示器观察飞行状况，一旦飞机前方有天线、树枝等不明显的障碍物，驾驶员可能难以顾及，因此建议安排1名观测手直接观察无人机飞行状况，两人配合更能增加安全指数。第四，起降位置应尽可能选择相对空旷、平坦的地点，根据此次飞行的经验，在无人机电量不足自动返航时，如果电量过低，降落点可能会与起飞点的位置略有偏差，从而导致失稳损坏甚至伤及旁人，因此应合理选择起降位置并在电量不足时立刻返航。

（3）其他注意事项。根据本次无人机在地质遗迹调查应用中的经验，笔者总结了其他一些注意事项，为后续工作者提供参考，从而少走彎路，提高工作效率。第一，某些山区GPS和网络信号接收差，卫星地图不能实时刷新，造成航线规划无法完成，耽误工作进度，因此建议在室内提前将目标飞行区域的卫星地图下载到飞行设备上，方便在设备无信号时查看。第二，在按规划航线飞行前应在等高线图上量取起飞点与目标飞行区域内最高点的相对高度，从而预留出足够的安全飞行空间，以防无人机在飞行高度内遭遇山体、高塔等障碍物。此外，应确保无人机不超过国内有关部门规定的120 m安全飞行高度，此高度基本满足各类地质遗迹资源的调查需求。第三，驾驶员应将无人机始终控制在视距范围内飞行并时刻保持对其控制，一旦超出视距范围，图传系统可能会出现故障导致无人机“失联”，通过肉眼观察很难将其手动飞回。

5结论与展望

无人机凭借自身机动灵活、环境适应能力强、影像清晰度高等特点，能够很好的应用于地质遗迹调查工作当中，突破传统调查方法的局限性，代替调查人员采集遗迹点空间位置信息、对遗迹点进行多角度摄影，降低危险风险，减少任务量，提高工作效率。此外由无人机影像数据生成的三维模型可以很好的还原地质遗迹立体形态，对地质遗迹科学研究、科普展示、数据库建立和重要地质遗迹形态修复等具有重要意义。与此同时，由于目前无人机摄影测量技术仍处于发展研究阶段，在地质遗迹调查应用中仍存在一些不足之处，例如无人机自身续航能力不足、对电线和树枝等细微障碍物识别能力弱;植被茂密对地质遗迹资源的影像摄取造成干扰;某些峡谷、嶂谷地貌的GPS和网络信号弱，影响无人机的飞行稳定性等。相信随着硬件技术的更新和软件程序的不断完善，无人机摄影测量技术能够得到进一步优化，在地质遗迹调查工作中发挥更大作用。

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