馬 娟，張鳴之，馮 振，黃 喆，薛躍明，石愛軍，邵 海

(中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

我國是地質(zhì)環(huán)境脆弱、地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家之一，滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)面積約占國土面積的65%。國土資源部從1999年開始，在地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重的縣(市)，陸續(xù)部署開展了縣市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃工作[1]，截至2017年，完成1 502個縣(市、區(qū))的1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查和29 942處隱患點(diǎn)的勘查。我國共查明地質(zhì)災(zāi)害287 916處，其中，滑坡142 377處，崩塌68 419處，泥石流33 524處，地面塌陷、地裂縫、地面沉降等43 596處[2]。傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查手段是使用羅盤、地質(zhì)錘等工具，基于紙質(zhì)地形圖進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，然后室內(nèi)整理手工編錄等[3-5]，這種工作方式已經(jīng)不能滿足日益增長的快速獲取信息的需求，以及國家精細(xì)化地質(zhì)調(diào)查的要求，地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的精度、廣度、深度有待于進(jìn)一步提高。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，掌上機(jī)、無人機(jī)、InSAR、高精度遙感等技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域已有了不同程度的應(yīng)用[6-8]，但也存在一些問題。以無人機(jī)遙感技術(shù)為例：一是地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查人員通常為地質(zhì)專業(yè)出身，學(xué)習(xí)無人機(jī)操控技術(shù)難度較大；二是市場無人機(jī)操作培訓(xùn)價格高，難以在地質(zhì)調(diào)查隊伍中普及；三是無人機(jī)設(shè)備搭載多鏡頭傾斜相機(jī)的價格較高，難以在野外地質(zhì)調(diào)查小組中形成標(biāo)配推廣。因此亟需設(shè)計研發(fā)一套適用于我國地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查的無人機(jī)遙感調(diào)查技術(shù)方法。

筆者所在的團(tuán)隊通過長期跟蹤地質(zhì)調(diào)查隊伍,開發(fā)出一套地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查微型無人機(jī)航線控制系統(tǒng)，用于解決無人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中運(yùn)用的普適性問題。系統(tǒng)基于市面現(xiàn)有成型微型無人機(jī)硬件技術(shù)，通過開發(fā)適用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查無人機(jī)航線規(guī)劃及拍攝模式，使用無人機(jī)快速、及時獲取地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)影像數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)處理軟件，生成地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)及其周圍環(huán)境的正射影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)以及三維模型等，有利于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查人員獲取地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)及其周邊精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

1 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查無人機(jī)數(shù)據(jù)采集流程

根據(jù)無人機(jī)數(shù)字航空攝影測量與遙感外業(yè)技術(shù)規(guī)范要求，地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查無人機(jī)數(shù)據(jù)采集流程[9-10]見圖1。

圖1 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集流程Fig.1 Process of UAV data acquisition

資料收集：收集工作區(qū)地形圖、前期遙感影像及解譯圖和區(qū)域基本資料等，主要目的是為了解地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查區(qū)域相對高差數(shù)據(jù)、周邊環(huán)境概況，以確保采集作業(yè)安全。如果調(diào)查區(qū)域缺乏以上資料，建議第二步現(xiàn)場踏勘時手動飛行至調(diào)查區(qū)域上空進(jìn)行概況調(diào)查。

現(xiàn)場踏勘：依據(jù)收集的資料確定無人機(jī)起降場地及地面控制人員安全有效的控制位置，預(yù)規(guī)劃航線同時進(jìn)行GPS信號檢測。

航線規(guī)劃：按照實(shí)際需要的地面分辨率進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)無人機(jī)的性能參數(shù)以及地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查區(qū)域的地形特征進(jìn)行航線規(guī)劃，航線能完整覆蓋整個航拍區(qū)域。

飛行作業(yè)：飛機(jī)組裝，檢查飛機(jī)狀態(tài)指標(biāo)，按既定航線規(guī)劃進(jìn)行飛行作業(yè)。

控制點(diǎn)測量：根據(jù)測區(qū)實(shí)際狀況和航線規(guī)劃情況進(jìn)行控制點(diǎn)布設(shè)及測量。

影像下載：連接無人機(jī)的儲存設(shè)備到電腦，導(dǎo)出影像數(shù)據(jù)。

質(zhì)量檢查：對獲取的測區(qū)影像進(jìn)行質(zhì)量檢查，確定影像質(zhì)量是否有云、霧、雪，是否有變形、扭曲、發(fā)虛等現(xiàn)象，判斷是否需要補(bǔ)飛或重飛。

外業(yè)成果：經(jīng)影像質(zhì)量檢查無誤后形成的無人機(jī)數(shù)據(jù)采集結(jié)果。

2 微型無人機(jī)航線控制系統(tǒng)設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

面向地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查業(yè)務(wù)需求以及地質(zhì)災(zāi)害無人機(jī)數(shù)據(jù)采集流程，設(shè)計微型無人機(jī)航線控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)(圖2)，總體上包括支撐層、通信層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層以及UI層。系統(tǒng)基于無人機(jī)飛行器、遙控器以及移動設(shè)備等支撐層，通過通信手段，采集地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的影像數(shù)據(jù)；基于數(shù)據(jù)庫提供的同一數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)服務(wù)，構(gòu)建微型無人機(jī)航線控制系統(tǒng)應(yīng)用模塊；通過UI層實(shí)現(xiàn)各個應(yīng)用模塊的集成應(yīng)用，為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查用戶提供微型無人機(jī)航線控制服務(wù)。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Diagram of the system framework

(1)支撐層

微型無人機(jī)航線控制系統(tǒng)支撐層主要包括無人機(jī)飛行器、遙控器、移動設(shè)備等硬件支撐設(shè)備。

(2)通信層

微型無人機(jī)航線控制系統(tǒng)通信層主要包括無人機(jī)飛行器、遙控器、移動設(shè)備、服務(wù)器之間的相互通信方式。其中，移動設(shè)備與遙控器通過USB通信協(xié)議連接，遙控器與飛行器通過無線電通信連接，移動設(shè)備與服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)通信連接。通過多種通信方式，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)在多平臺之間的傳輸。

(3)數(shù)據(jù)層

無人機(jī)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)庫面向地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查業(yè)務(wù)應(yīng)用的建設(shè)需求，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲、管理、應(yīng)用和服務(wù)平臺，兼容多源、多尺度海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各類地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的一體化存儲、管理和服務(wù)。

(4)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層構(gòu)建于無人機(jī)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)庫之上，提供面向地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查業(yè)務(wù)應(yīng)用、管理的一體化信息服務(wù)。業(yè)務(wù)應(yīng)用主要功能包括：起飛條件檢查功能、飛行任務(wù)管理功能、航線規(guī)劃功能、任務(wù)模式功能、智能續(xù)飛功能、圖像快拼功能以及離線地圖功能等。

(5)UI層

UI層通過數(shù)據(jù)集成、業(yè)務(wù)集成和成果集成，實(shí)現(xiàn)各個應(yīng)用模塊的集成應(yīng)用，為用戶提供微型無人機(jī)航線控制服務(wù)。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)

微型無人機(jī)航線控制系統(tǒng)以手機(jī)或者平板電腦為終端，以Android Studio2.1.2和JDK1.8.0為開發(fā)平臺，使用SQLite和MongoDB數(shù)據(jù)庫，Java語言進(jìn)行開發(fā)，運(yùn)行環(huán)境Android4.4以上。

圖3 系統(tǒng)界面設(shè)計圖Fig.3 Design of the system interface

2.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.3.1起飛條件檢查

全面自動檢查無人機(jī)起飛條件，包括無人機(jī)與地面站(即微型無人機(jī)航線控制系統(tǒng))連接是否正常、無人機(jī)電量是否充足(不低于30%)、GPS衛(wèi)星數(shù)是否足夠(衛(wèi)星數(shù)不小于6)、內(nèi)存卡是否正常插入、航線是否繪制、設(shè)備是否已激活，只有當(dāng)起飛條件都滿足時，才能一鍵起飛并執(zhí)行后續(xù)的任務(wù)。

圖4 起飛檢查界面Fig.4 Interface of take-off check

2.3.2飛行任務(wù)管理

飛行任務(wù)管理分為已完成任務(wù)管理和未完成任務(wù)管理兩類。已完成任務(wù)指已經(jīng)完成的飛行任務(wù)；未完成任務(wù)指已規(guī)劃完航線，但尚未進(jìn)行飛行的任務(wù)。用戶可以進(jìn)行飛行任務(wù)查看、命名、刪除以及數(shù)據(jù)下載和上傳等操作。數(shù)據(jù)下載指的是自動從無人機(jī)端下載無人機(jī)影像數(shù)據(jù)到手機(jī)端或平板電腦端，數(shù)據(jù)上傳指的是自動將已下載的無人機(jī)影像數(shù)據(jù)上傳到后方無人機(jī)數(shù)據(jù)處理平臺。

2.3.3航線規(guī)劃

航線規(guī)劃主要指設(shè)置航線參數(shù)，包括飛行高度、飛行速度(分為高、中、低三檔)、旁向(航向)重疊率(分為高、中、低三檔)、航線框類型等。在地理底圖上通過手勢拉框圈定范圍，通過飛行高度、數(shù)據(jù)重疊率、飛行區(qū)域、飛行速度等參數(shù)，自動計算生成無人機(jī)飛行航線及拍攝點(diǎn)(航線上灰色點(diǎn)即為拍攝點(diǎn))。

圖5 航線規(guī)劃界面Fig.5 Route planning interface

參數(shù)可選范圍飛行速度低(1 m/s)、中(5 m/s)、高(10 m/s)旁向重疊率橫向:低(75%)、中(85%)、高(95%)航向重疊率縱向:低(60%)、中(70%)、高(80%)區(qū)域框矩形、圓形、自定義、橫線、折線

2.3.4任務(wù)模式

根據(jù)《滑坡崩塌泥石流災(zāi)害調(diào)查規(guī)范(1∶50 000)》，滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)需調(diào)查其分布范圍、規(guī)模、結(jié)構(gòu)特征等。針對此要求，開發(fā)了任務(wù)模式。任務(wù)模式是本系統(tǒng)的核心功能，通過算法控制無人機(jī)自動旋轉(zhuǎn)機(jī)身以及自動調(diào)節(jié)鏡頭角度，實(shí)現(xiàn)單個鏡頭模擬多鏡頭傾斜相機(jī)拍攝效果，準(zhǔn)確獲取地質(zhì)災(zāi)害及其發(fā)育環(huán)境要素信息，后期計算并生成地質(zhì)災(zāi)害三維模型，從而確定滑坡、崩塌、泥石流和不穩(wěn)定斜坡的類型、規(guī)模及空間分布特征。任務(wù)模式共開發(fā)了4種適用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的數(shù)據(jù)采集方法：傾斜模式、正視模式、快速正射模式和全景模式。

傾斜模式適合坡度小于45°的斜坡，鏡頭垂直于水平面，通過旋轉(zhuǎn)機(jī)身及照相機(jī)鏡頭角度，每個拍攝點(diǎn)從1個垂直、2個傾斜3個角度拍攝3張照片:首先鏡頭垂直向下拍攝1張;接著機(jī)身順時針旋轉(zhuǎn)90°，鏡頭上仰45°拍攝1張;保持仰角不變，機(jī)身繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)180°拍攝1張。

正視模式適合坡度大于45°的陡坡，鏡頭平行于水平面，通過旋轉(zhuǎn)機(jī)身及照相機(jī)鏡頭角度，每個拍攝點(diǎn)也從3個角度拍攝3張照片:首先鏡頭水平正對拍攝地物拍攝1張;然后機(jī)身逆時針旋轉(zhuǎn)45°拍攝1張；再順時針旋轉(zhuǎn)90°拍攝1張。

快速正射模式適用于地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查，通過控制相機(jī)的曝光時間，鏡頭垂直于水平面定時拍照，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在執(zhí)行航線飛行過程中不懸停拍照，極大縮短了調(diào)查時間。

全景模式適合地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)周圍概況調(diào)查，飛機(jī)飛到指定點(diǎn)上空，鏡頭分別呈水平方向、斜向下與水平面夾角35°、斜向下與水平面夾角70°，機(jī)身旋轉(zhuǎn)360°，轉(zhuǎn)3圈，每45°拍攝1張，最后鏡頭垂直向下拍攝1張，共拍照25張。

如遇陡緩結(jié)合型，比如后緣殘留危巖體與前緣崩滑(塌)堆積體構(gòu)成的災(zāi)害體，聯(lián)合正視模式、快速正射模式兩種模式進(jìn)行拍攝，陡崖部分使用正視模式拍攝，斜坡崩塌堆積體使用傾斜模式拍攝,拍攝完成后進(jìn)行聯(lián)合建模(圖6)。

圖6 不同地形任務(wù)模式示例Fig.6 Examples of different terrain mission modes

2.3.5智能續(xù)飛

針對微型無人機(jī)供電電池容量小、飛行時間短的問題，微型無人機(jī)航線控制系統(tǒng)提供智能續(xù)飛功能：后一架次的起點(diǎn)自動設(shè)為航線未完成部分的第一個點(diǎn)，依此類推，從而滿足較大區(qū)域連續(xù)拍攝需求。

2.3.6圖像快拼

當(dāng)任務(wù)模式為快速正射模式時，數(shù)據(jù)采集任務(wù)完成后，APP端通過遙控器與無人機(jī)連接全自動下載該任務(wù)所有拍攝照片，并對下載照片進(jìn)行自動拼接，快速獲得現(xiàn)場正射影像圖。

圖7 圖像快拼示意圖Fig.7 Diagram of image quick spelling

2.3.7離線地圖

離線地圖下載可以框選所需調(diào)查區(qū)域進(jìn)行地圖下載，分為正在下載和已完成兩類，可實(shí)時顯示下載進(jìn)度。用戶可對地圖下載任務(wù)進(jìn)行暫停、繼續(xù)、刪除、查看等操作。

3 研究區(qū)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)對象選擇伊寧縣喀拉亞尕奇鄉(xiāng)潘津村皮里青河3號滑坡。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)位于皮里青河主溝右岸斜坡，屬山前黃土丘陵，坡體裸露，植被覆蓋率低其剖面形態(tài)呈凹形，平面呈不規(guī)則，坡度約40°。斜坡地表出露第四系風(fēng)積黃土(Qeol)，土體內(nèi)部垂直節(jié)理裂隙較發(fā)育，下伏石炭系伊什基里克組砂礫巖(C2y)。斜坡坡腳為河流階地，主河道距離坡址約55 m?；禄瑒拥貙訛辄S土，滑體厚約12 m，滑動后在坡腳堆積。

3.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)使用大疆公司的精3專業(yè)版(Phantom-3-Pro)無人機(jī)，其具有重量輕、成本低、靈活、便攜、快速等優(yōu)勢。實(shí)地踏勘該滑坡后，認(rèn)為該滑坡地形使用傾斜攝影任務(wù)模式較為適合，規(guī)劃航線后，使用續(xù)飛功能飛行2個架次，完成該滑坡無人機(jī)調(diào)查，共取得照片84張，設(shè)置飛行高度260 m，飛行速度高，旁向重疊率中，航向重疊率中。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

飛行獲得的數(shù)據(jù)通過上傳自主研發(fā)的iFlyCloud無人機(jī)三維數(shù)據(jù)處理云平臺(http://fly.cigem.cn)，生成正射影像圖、三維模型以及數(shù)字表面模型等一系列數(shù)據(jù)產(chǎn)品。從生成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量可以看出，微型無人機(jī)航線控制系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)采集方法完全可行。

圖8為制作生成的皮里青河3號滑坡三維模型，從圖中可以明顯劃分滑坡的滑源區(qū)、滑動區(qū)、灑落區(qū)以及堆積區(qū)，同時可通過高程變化判別出滑坡的滑動方向。通過自主開發(fā)iFlyCloudViewer三維模型瀏覽軟件可快速測量出整個滑坡的寬度67 m，長度340 m，面積2.2×104m2，體積117.8×104m3，坡度為40°。滑坡堆積體延伸至主河道中間，前緣被河流沖刷侵蝕形成深約5.2 m的陡坎?；潞缶壙梢娒黠@的陡坎和拉張裂縫，陡坎高2～3 m，大型拉張裂縫約有4條，最長的達(dá)到65 m。滑坡堆積體松散，后緣陡坎形成新的臨空面，在降雨、冰雪融水，河流沖刷等作用下，易發(fā)生局部滑動，滑坡范圍將向山頂進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖8 三維立體解譯(攝于2017年7月19日)Fig.8 3-D interpretation(taken on July 19, 2017)

4 結(jié)論

目前，微型無人機(jī)的硬件技術(shù)已經(jīng)成熟，但缺乏自動控制微型無人機(jī)對地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的航線控制系統(tǒng)軟件。本項(xiàng)目基于Android系統(tǒng)設(shè)計了適用于地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查微型無人機(jī)航線控制系統(tǒng)，以微型無人機(jī)為調(diào)查工具，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害野外數(shù)據(jù)采集流程全自動化，極大降低了地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查人員的工作強(qiáng)度，提高了地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)采集的效率。

此系統(tǒng)能夠廣泛運(yùn)用于地質(zhì)災(zāi)害日常調(diào)查以及突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急調(diào)查中，特別是4種無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)采集任務(wù)模式能夠快速科學(xué)規(guī)劃航線以適應(yīng)斜坡、陡坡、陡緩結(jié)合型等不同地形需求，采集獲取地質(zhì)災(zāi)害及其發(fā)育環(huán)境要素遙感影像數(shù)據(jù)。通過三維建模軟件平臺計算，生成二、三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，通過遙感信息提取技術(shù)與地質(zhì)災(zāi)害分析相結(jié)合，提供研究地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查點(diǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對提高地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的精度有著重要意義。

致謝：武漢地大信息工程有限公司提供了相關(guān)材料和技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在此表示感謝！