浅析无人机倾斜摄影测量数据的精准获取以及在地质灾害防治中的应用

聂泽栋

（安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽合肥 230022）

0 引言

地质灾害主要是指泥石流、滑坡、崩塌、岩溶地塌陷等，它们是普遍公认的由原地壳表层地质结构的剧烈变化而产生的，突发的可能性较大。地质灾害的形成既有自然因素也有人为作用，多数情况下是二者协同作用引起的，是在地球表层比较强烈地破坏人类生命财产和生存环境的岩土体移动事件。在某种意义上，地质灾害是一个具有社会属性的问题，已经成为制约社会经济发展和人们安居的重要因素。本着“以人民为中心”的发展理念，地方政府联合地勘单位正在努力构建“三化”防治体系：构建地质灾害防治专业队伍支撑体系，推动“网格化”防治；构建地质灾害隐患早期监测预警体系，推动“数字化”防治；构建地质灾害形成机理技术研究体系，推动“科学化”防治。为有效避免次生灾害发生，通常选择使用非接触测量方式对地质灾害易发区域进行前期测量。通过无人机倾斜摄影测量以及GIS 技术可以实现三维立体＋时间的多角度、全方位、多维数据管理与展示技术，将遥感影像、DEM、三维实体、实景影像等多源数据基于统一空间尺度进行整合集成，实现二三维一体化的多维数据管理；有机整合GIS 功能和三维可视化效果，提升二三维一体化的地质灾害预警与分析能力。

1 无人机倾斜摄影测量技术的远景

无人机倾斜摄影测量技术的工作原理为从垂直和倾斜多角度对地表信息进行全方位摄影，进而掌握全面完整的影像数据，其相关信息也更为精准和细致。在此基础上建立的三维模型，相比传统正射影像在纵深方面有了极大的提升，并实现测量区域长度、坡度、坐标及灾害面积的计算，由此提供更为全面和准确的地质灾害信息。此外，三维立体模型的确立，还能够为相关防灾抗灾工作的部署创造更加便利、更为直观的条件。无人机倾斜摄影技术通过超低空倾斜摄影，从一个垂直和四个特定角度倾斜方向获取高清立体影像数据，并多角度采集信息，配合控制点或影像POS 信息；影像上每个点都会有三维坐标，基于影像数据可对任意点、线、面进行量测，可获取厘米级的测量精度并自动生成三维地理信息模型，快速获取地表上地理信息，对建筑物等地物高度、面积以及地貌的坡度、坡向直接量算；影像中包含丰富的真实环境信息，可对影像信息的数据深度挖掘，具有高效率、低成本、数据精确、操作灵活、侧面信息可用等优点，极大程度地调节测绘内、外业的协同工作，解决了天气、次生灾害等外因造成的传统人工作业延误。

2 无人机倾斜摄影测量数据的精准获取

非接触测量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表面的情况下，得到物体表面参数信息的测量方法。作为地质灾害的主要灾种，崩塌、滑坡和泥石流（以下简称崩、滑、流）具有突发性强、分布范围广和有一定的隐蔽性等特点，为了避免次生灾害发生，选择非接触测量方式对地质灾害易发区域进行前期测量是最为科学的手段。采用机载激光雷达或无人机航拍技术进行“空对地”观测获取高精度激光雷达点云数据和三维立体模型，制作大比例尺数字模型，定量提取精细的地表粗糙度、坡度、坡向等地形地貌参数，同时针对区域内典型的地质灾害体利用激光扫描仪（集成高精度GNSS 和IMU 惯导系统）开展精细扫描，快速获取微地貌等细节特征信息（图1）。

图1 地质灾害调查区域三维模型全貌Figure 1. Overview of the 3D model of the geo-hazard survey area

2.1 无人机RTK+PPK技术

RTK 技术，即实时动态差分技术，是利用载波相位实时处理测站点之间观测量的差分方法；PPK 技术，即动态后处理差分技术，是利用载波相位进行事后差分的GNSS 定位技术。RTK 是实时得到解算的结果，需要数据链路如电台、移动网络来保证每时每刻接收差分信号，但是如遇到高山、丘陵等隐蔽或偏远区域就容易出现失锁，定位精度大打折扣，同时还会受到距离的限制，距离太远，定位精度也会受到不同程度影响。PPK 相对于RTK 的最大优势在于它的事后处理功能，可以进行反向滤波（反向卡尔曼滤波器），不需要任何的链路，也不会受到链路终端影响，并能获得更高的精度结果，特别是PPK 没有时延问题，从而更能保障解算精度，不但可以解决某些卫星失锁的问题，还能通过融合和反演提高定位精度。

2.2 无人机POS系统

无人机倾斜摄影测量在地质灾害调查中被广泛应用，其中独有的定位定姿系统POS（IMU/DGPS 组合的高精度位置与姿态测量系统position and orientation system）是其重要组成部分，内业处理时可直接导入POS 数据。利用POS 系统可以在航空摄影过程中直接测定每张像片的外方位元素，从而可以进一步减少外业像控工作，提高摄影测量工作效率。

2.3 实景三维影像数据的快速获取

利用CORS技术施测完成像控点后，就可以对航拍区域进行航线规划。确定飞行高度是规划的重中之重，飞行高度取决于相机焦距、地面分辨率，如图2所示。

图2 航高与地面分辨率关系图Figure 2. Relationship between altitude and ground resolution

图中各要素关系为：

一般而言，比例尺为1∶500、1∶1000 对应影像分辨率应小于5 cm、10 cm，事先应对应各种分辨率来换算出飞行高度。为保证数据质量，一般测区设计航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%。农村临坡、切坡建房的地点大多在山区，由于山地高低落差较大，普通的飞行方式满足不了重叠率和分辨率的统一，容易出现地势较低区域重叠率高、分辨率低，地势较高区域重叠率低、分辨率高的问题，造成数据处理空中三角测量（以下简称“空三”）分层或者建模后效果差的问题。另外，因像控点选取在地灾区域范围一侧未涵盖整个区域、刺点有误以及空三软件出错、模型错位分层都会导致错误。为避免以上问题的出现，山地飞行一般采取分层飞行和仿地飞行两种方式。分层飞行即在高低落差大的区域，单一飞行高度无法满足建模要求时，采取随山地起伏进行分层的方法飞行，尽量保证飞机相对于山体的高度一致。仿地飞行即在地面站导入测区DEM 高程文件，基于高程文件生成相对于地面高低起伏的航线用于航飞建模(此方式多用于多旋翼)，不过仿地飞行需要事先导入数字高程模型、设置航点，同时还要先飞行一次或下载已有的DEM 数据，与分层飞行方式相比，增加了作业时间和作业量[1～4]。

2.4 实景三维影像的建模修模

倾斜摄影自动化建模技术是近年来国际遥感与测绘领域讯速发展起来的一项高新技术，该技术已逐步取代传统的手工建模。航飞完成后要对影像数据进行预处理，包括影像畸变差纠正、空三等，但在模型生产过程中由于航拍、空三、POS 参数等存在的问题会造成模型的空洞、扭曲、地形地貌细节特征错乱等问题，因此，对于这些自动化生成的三维模型，往往需要进行后期修饰，以纠正、优化模型。利用修模软件（如DP-Modeler）可对实景三维模型进行踏平、桥接、补洞、纹理修改等操作，实现模型整体修饰。可以有效解决几何变形、纹理拉花、模型浮空、部件丢失等问题，真实还原场景细节，保证数据完整性，满足后期实景三维GIS应用的要求。

3 无人机实景三维数据在地质灾害防治中的应用

3.1 “4D”产品应用

无人机倾斜摄影测量的结果和目标是“4D”产品，即DEM、DOM、DRG、DLG。数据是基础，应用是关键，技术是核心。农村临坡、切坡建房数量多，安全隐患较大，地勘人员通过实地勘察，调查过程中应尽量收集该区域内水文、气象、地层及岩性资料，对地质灾害的形成机理和周边的地形地貌进行分析，利用“4D”产品和相应的GIS 软件对地质灾害调查区域进行地灾范围判定、滑坡影响范围圈定、逃生撤离路线设计（图3）。

图3 滑坡影响范围及撤离路线Figure 3. Reach of the landslide and the evacuation route

3.2 利用大数据融合建立预警平台

针对山区小气候频发、短时强降雨无明显规律可循的特点和地灾发生规律，可以探索研发实时定向预警模型，实行地灾预报精细化管理[5]。在地质灾害易发区域安装雨量计、位移计、水位计、远程红外视频监测等专业仪器，通过试验得到降水和地下地表位移的数据，对数据进行综合分析和反演，摸清地质灾害的致灾机理和灾害演变规律，得出这个区域发生滑坡前兆的临界值，及时监测预警，在灾害发生前就能采取恰当措施，有效地保护人民群众生命财产安全。结合当地气象部门的大数据，在预警平台上可生成实时洪水淹没预测图（图4）和灾后治理、施工所需的剖面图（图5）。当降雨量达到预警阈值，立即通过APP 手机客户端向可能受灾区域的群众及时发送预警信息。

图4 洪水淹没预测图Figure 4. A prognosis of the flooded area

图5 剖面图Figure 5. Cross section of the flooded area

4 建议

当今世界是信息化发展的时代，在科技飞速发展的今天，我们更要注重高科技手段和方法在地灾预警中的应用。无人机、检波器测试仪、水位仪、三维激光扫描仪、地质干涉雷达、伸长仪、网络摄像头、物联网等手段联合运用，利用GIS技术和网络技术，融入当地的地质环境背景、气象资料及历史地质灾害相关资料，构建成大数据地质灾害监测预警平台，建立地质灾害监测、分析、预报、预警和应急服务于一体的信息化、智能化和可视化服务平台，实现灾前、灾中、灾后全生命周期动态管理，提升相关部门对突发性地质灾害的分析、预警、处置和服务的能力，为地方政府对地质环境与地质灾害决策管理和社会服务提供科技支撑。