無人機遙感在地質災害調查中應用
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摘要：近年來，通信、導航、遙感等科學技術的發展，使得無人機遙感成為造福人類的重要技術之一，特別是在地質災害調查和預防中起到重大作用。該文首先概述無人機遙感和地質災害的基本內容，突出地質災害的危害性，而后詳細介紹地質災害調查中無人機遙感發揮的監測、災情評估以及應急救援作用。同時，以無人機遙感中的無人機航空攝影技術為例，具體說明其在地質災害調查中的應用，并認為，在之后的發展中，無人機遙感將向更穩定、更精準的方向發展，為地質災害調查提供更可靠的幫助。
關鍵詞：無人機；遙感技術；地質災害；調查1無人機遙感概述
1.1無人機遙感基本構成
無人機遙感由硬件、軟件以及通信這3個基本系統構成，所具備的功能主要有飛行高度、續航時間、有效載荷、飛行平穩度、導航精度、巡航速度、起降方式等[1-2]。無人機遙感是否能得到各領域青睞，并起到明顯的效果，直接取決于其功能是否齊全且有效發揮。
1.2無人機遙感數據獲取
以往，無人機遙感的數據獲取主要是在飛行過程中采集信息生成數據，落地后再下載下來，而后進入數據處理環節。但隨著技術的更新應用，目前無人機遙感采集到的高分辨率數據以及其他相關數據，能夠實時傳輸到地面決策部門，實現了全天時運作，在地質災害發生的第一瞬間提供應急救援。數據獲取和實時傳輸的途徑受環境影響而有不同選擇，除了衛星傳輸方式之外，還有視距微波傳輸、超視距數據網絡傳輸等。一般是將獲取的數據進行編碼、壓縮，以此大大縮短傳輸時間，且能同時開展數據處理工作，效率高、效果好。
1.3無人機遙感數據處理
無人機遙感數據處理主要是對所采集的圖像進行處理，分為糾正、拼接以及對應應用這3個部分。幾何糾正是對鏡頭未按照正常線性運動、飛行器不穩定等情況造成的圖像和投影不完善進行糾正。無人機遙感搭載的相機或掃描儀一般體積和像輻都不大，因此收集的圖像數量非常多，飛行過程中若遇到較強氣流，就會出現不穩定情況，導致角度傾斜，拍攝和投影的每幅圖像各不相同，因此要對其逐一糾正，工作量較大。提高檢查影像和飛行的質量的效率，一般需要借助導航數據（GPS）、姿態測量（IMU）數據，通過圖像特征自動匹配與數據快速處理算法得到數據，再對其進行區域平差，利用內插方式構建數字高程模型（DEM）與正射影像圖（DOM）。而計算點云、校正圖形，則是借助GPS數據和IMU數據，以激光雷達數據（Lidar）和微波遙感數據為依據，生成數字高程模型與雷達影像圖[3]。
2無人機遙感在地質災害調查中的應用優勢
2.1靈活、實時地監測地質災害狀況
目前已研發并投入使用的地質災害監測設備種類很多，如高精度GNSS、裂縫報警器等。不過，應對地質災害的重點在于突破其預知難題，防患于未然，但上述監測儀器面對分散、數量較多、規模不一的地質災害時，監測效果并不如意，而專業監測儀器成本較高。在此背景下，無人機遙感應運而生，它能夠借助不同種類的遙感器收集地質災害信息，實時監測和預警地質災害。在校正了無人機遙感收集的多光譜數據，得到數字高程模型與正射影像圖，依據這兩項可分辨地質災害的具體分布和當前狀態；對監測數據進行多次對比后，能夠判斷地質災害可能存在隱患的地方及其發展情況。特別是對于人力無法開展調查工作的地形來說，無人機能夠克服阻礙，在高空靈活飛行，全時段監測地質災害。而通過高精度合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）、激光雷達LiDAR技術[4]，能夠形成高精度數字高程模型，及時觀察地形情況，在地面、斜坡等動態變化監測中發揮著有效作用。
2.2高效、精準地提供應急救援數據
地質災害出現后，實時調查數據是開展應急救援工作必不可少的依據，有利于工作人員及時了解和掌握災害及其影響，人員及財產，交通及可能發生的連帶災害等方面的情況，進而快速制訂救援方案，采取更科學的救援技術。然而，通常地質災害剛出現時，救援人員面臨著連帶或者二次災害的威脅，同時常規調查用時較長、準確度難以保證，因此常常延誤救援的最佳時機，造成更多更嚴重的不良影響。無人機遙感幾乎能在所有環境中起飛，正常運作后，短時間內便可收集地面信息并形成數據，而后實時傳輸到地面，便于地面在接收數據的同時對數據進行處理，快速生成精確遙感圖件，以供災害救援人員參考。多傳感器受氣象條件影響較小，通過多光譜數據能夠及時觀察災害現場，微波遙感能在大霧天氣仍然正常運行，紅外傳感器打破了黑夜限制，由此實現了全天候獲取數據，而高清視頻則能夠將現場情況實時呈現給地面工作人員。總體來說，無人機遙感提供的數據，給工作人員制訂應急救援方案，進而實施救援奠定了重要基礎。
2.3全面、詳細地評估地質災害情況
無人機遙感獲取災害信息并生成數據后，經過校正、拼接，就能得到關于災情的準確數據，用以支持工作人員進行災情解譯。遙感解譯能夠全面、詳細地呈現地質災害相關情況，比如：災害的準確位置、形狀，受到破壞的地面范圍，地形、植被、河流及道路發生的變化，是否形成堰塞湖，可能面臨威脅的群體、可能發生的連帶或二次災害等，都包含在圖像數據中。而后，利用GIS軟件，結合相關數據，根據專家指導構建災情模型，評估地質災害的范圍、導致的經濟損失、人員傷亡情況，以及受連帶影響的群體、組織和一些隱性損害等[5]。災后救援、重建工作以及預測和防患可能再次發生的災害導致更嚴重的后果，都需要以災情評估結果為依據。
3無人機遙感在地質災害調查中的具體應用
無論是單種地質災害還是組合出現的地質災害，通過無人機航空攝影系統獲得的遙感圖像，利用專門的色調、紋理以及形態等元素，能夠將發生地質災害的地區從地面上凸顯出來，由此形成工作區。
3.1無人機航空攝影系統
3.1.1系統組成。以Quickeye（快眼）無人機系統為例，其配置了CCD相機，該相機具有分辨率高、不受時空限制等特點，能夠全方位、全天候拍攝影像。并且，支持提前設計、實時把握無人機飛行路線，能高效獲取和傳輸數據等，相對來說比較穩定、智能，且作業水平較高。3.1.2航空影像的處理。在航片數據收集完成后，通過DPGrid（航測處理軟件）來處理所得數據，形成正射影像圖，再通過專業拼接工具ErdasImagine（遙感圖像處理軟件）和ArcGIS軟件，來拼接正射影像并輸出。為了保證野外地區測圖中有充足的控制點，采用空中三角測量方法，基于有限的野外控制點，無需到野外就對控制點進行加密，并計算出它們的高程與平面位置，以此補充野外控制點的數量。3.1.3地質災害遙感解譯。根據地質災害區域基本地理信息，借助遙感影像，探討地質災害情況的過程，被稱為遙感解譯。一般是在無人機航拍得到正射影像圖后，在地面相關部門，結合工作人員提供的資料，輔以野外驗證方式，來解譯要調查的地質災害。
3.2無人機高分辨率影像在地質災害調查中的具體應用
3.2.1形成解譯標志。遙感影像所呈現的地物，各有各的特征，是區別和了解不同地物的主要依據，這就是解譯標志。遙感解譯標志的形成，需要考慮形狀、體積（面積）、顏色、位置、紋理以及陰影等直接相關元素。不過要解譯地質災害，還應考慮與之相關的所有因素，以保證解譯的詳盡與全面。總體來說，解譯標志是在逐個分析所有相關因素的影響特征的基礎上形成的。遙感影像解譯是綜合依據圖像的影像及空間特征，再加上除此之外的相關信息資料，按照生物地學邏輯，保證精準性和真實性，由淺及深、由此到彼地推理、演繹的過程。3.2.2解譯地質災害。前文提到遙感影像圖會利用專門的色調、紋理等元素將地形災害區域從整體地面中凸顯出來，根據此方法，再加上解譯標志，就能夠基本上解譯目標工作區，確定若干地質災害位置，然后結合野外排查和復合，確定真實的災害地點，完成對其的詳細解釋。該文以滑坡、裂縫、崩塌、切破等地質災害為例進行說明。（1）滑坡。在黃土地區，經常發生滑坡地址災害，利用遙感影像解譯該地質災害時，能夠展示其規模、形狀、地點等物理影像特征。而所依據的就是遙感影像圖通過專門的色調、紋理以及形態、陰影等呈現出的滑坡情況。多次滑坡解譯認為，滑坡災害的發生是有跡可循的，一般當斜坡坡度為30°~60°時，比較容易發生滑坡災害。同時，根據遙感影像，能夠發現滑坡體下滑大多會形成圓弧形的滑坡壁，災害體兩旁多是沖溝發育，因此邊界明顯。遙感影像中的滑坡壁，色調、紋理都與其他環境不同。另外，結合遙感影像方向以及縮略比例，能夠了解滑坡的面積和滑動方向[6]。（2）裂縫。解譯裂縫能夠準確定位其地點，了解其是否穩定以及面積大小等，參考的就是遙感影像呈現出的特殊的色調、紋理、陰影以及形態等。如果裂縫不大，就很難單純依靠目視來解譯，需要根據地形圖中的陰影和紋理等來完成裂縫解譯工作。該過程中，要考慮陡坡的梁頂兩旁，結合影像比例尺求得裂縫具體長寬。如果裂縫已經出現，解譯時重點考慮陰影因素；如果未裂開，解譯時則重點考慮紋理因素。（3）崩塌。解譯崩塌，重點參考遙感影像中崩塌面的不同色調。多年崩塌解譯發現，公路、河流、溝壑峽谷等陡坡上，是崩塌常發區域。通常崩塌體不會太大，遙感解譯并不容易，因此遙感影像大多只呈現新出現的崩塌的情況，需要野外勘察確定崩塌的真實信息[7]。（4）切坡。切坡常發生在窯洞中和道路上，解譯時主要參考遙感影像圖中呈現的特殊的色調和紋理因素。相比之下，窯洞切坡的危害性更大，因為其會使坡體出現嚴重松動，極易誘發崩塌和滑坡。實地考察發現，不少人會選擇滑坡壁作為建窯地點，這些滑坡壁此前曾發生過滑坡災害，而建窯活動很有可能會導致滑坡災害復發。
4結語
總體來說，近些年，無人機遙感技術的研發和應用逐漸走向成熟，體型小、便攜靈活、精度高、受干擾因素少等優勢更加突出，從而在地質災害、地理資源調查、應急救援等方面發揮了重要作用，特別是在地質災害調查中，其的應用，提高了關于地質災害的監測、應急救援以及災情評估的效率和準確度，為保障人民生命財產安全貢獻了巨大價值。
參考文獻
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[4]吳秀坤,譚禮金,吳本林,等.無人機遙感技術在地質災害調查中的應用[J].工程技術研究,2021,6(5):32-33.
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[6]張建新,錢罕林,何薇,等.無人機遙感的滑坡地質災害監測[J].新疆地質,2021,39(3):507-509.
[7]蘇云波.淺談無人機遙感技術在地質災害監測中的應用[J].冶金管理,2021(11):82-83,94.
作者:張霆浩 柴生亮 孫玲 單位:蘭州資源環境職業技術大學
