王曉東
摘要:城市地質(zhì)調(diào)查工作已被越來越多的國家所重視,其調(diào)查技術(shù)方法和工作手段也趨于多元化。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步,無人機技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè),自20世紀20年代以來,無人機技術(shù)便開始了快速的發(fā)展,中國無人機市場已發(fā)展了將近30余年,從最初的軍用領(lǐng)域逐漸擴展到民用領(lǐng)域,因其方便性能和高實用性也必將成為城市地質(zhì)調(diào)查工作中一項重要的技術(shù)手段。無人機技術(shù)具有高分辨率影像成像、快速機動的響應(yīng)能力、航攝效率高、使用成本低等特點,在城市規(guī)劃建設(shè)、災(zāi)害防治、環(huán)境保護等方面發(fā)揮著積極的作用。
關(guān)鍵詞:城市地質(zhì)調(diào)查;無人機;災(zāi)害防治;環(huán)境保護
中圖分類號:P5;P231 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1007-1903(2019)01-0103-06
0前言
城市地質(zhì)學(xué)是作為地球科學(xué)的一個分支,將地球科學(xué)領(lǐng)域的理論體系、技術(shù)方法及成果應(yīng)用于城市規(guī)劃建設(shè)與管理中,以促進城市規(guī)劃建設(shè)的科學(xué)性和城市的可持續(xù)發(fā)展,是通過在城市領(lǐng)域應(yīng)用的實踐檢驗來推動地球科學(xué)發(fā)展的一門基礎(chǔ)性、前瞻性、綜合性和應(yīng)用性都很強的科學(xué)(何中發(fā),2010)。為了獲取城市規(guī)劃、建設(shè)和管理所需要的地質(zhì)資料,規(guī)避城市地質(zhì)安全風(fēng)險,合理利用城市地質(zhì)資源,為實現(xiàn)城市和諧關(guān)系提供基礎(chǔ)依據(jù),需采用多手段多方法進行調(diào)查研究。無人機技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為城市地質(zhì)調(diào)查工作提供了新的技術(shù)手段,其高精度成像和快速時效的工作特點,在城市規(guī)劃建設(shè)、資源開發(fā)、地災(zāi)防治、環(huán)境監(jiān)測等工作中均具有優(yōu)秀的表現(xiàn)。
1城市地質(zhì)調(diào)查發(fā)展概況
1.1國外城市地質(zhì)發(fā)展概況
城市地質(zhì)工作在20世紀初首次由加拿大皇家協(xié)會提出,于20世紀八九十年代開始重視并發(fā)展(李友枝等,2003)。20世紀初期,加拿大皇家協(xié)會會議上發(fā)表了專題,就地質(zhì)對城市中心建設(shè)的意義進行了探討(Belanger,et al,2000)。20年代后期,德國出版了特殊土壤圖以支持各重要城市的建設(shè)規(guī)劃。二戰(zhàn)結(jié)束后,德國、捷克、荷蘭等國家系統(tǒng)的制定并實施了城市地質(zhì)填圖計劃,對城市范圍內(nèi)的土壤和巖石屬性等各項地質(zhì)內(nèi)容進行了填圖(張麗君,2001)。60年代后期,受到工業(yè)化發(fā)展的影響,工業(yè)污染成為了西方發(fā)達國家的主要城市工作內(nèi)容(張麗君,2001)。德國首次編制了描述土壤潛力的地質(zhì)潛力圖,并詳細的描述了編圖方法和編圖內(nèi)容。70年代初期,為了在圖上展現(xiàn)城市地區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù),并進行數(shù)據(jù)化管理,西班牙展開了1:2.5萬的地質(zhì)填圖工作,以用于城市規(guī)劃建設(shè)。1970年,加拿大正式啟動了一項計劃,旨在開發(fā)出一種對地球科學(xué)信息進行編輯處理的計算機系統(tǒng),實現(xiàn)城市中心的快速發(fā)展(Belanger,et al,2000)。80年代,發(fā)展中國家的城市地質(zhì)工作得到空前發(fā)展。此時城市地質(zhì)工作具有了以電子自動化技術(shù)進行主題填圖的特點(張麗君,2001),通過圖件的各項定量化指標(biāo),可使規(guī)劃者、決策者和工程師及時提取有關(guān)信息并進行合理的城市規(guī)劃工作。90年代末,英國啟動了“倫敦計算機化地下與地表”項目(LOCUS)(張麗君,2001)和“陸地利用規(guī)劃中的環(huán)境地質(zhì)”項目(Thompson,et al,1998),LOCUS項目以包含4萬多份鉆孔資料的數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),運用了GIS與模型技術(shù)。加拿大啟動了第二階段城市地質(zhì)調(diào)查計劃(Thompson,et al,1998)。這標(biāo)志著全球城市地質(zhì)工作以GIS技術(shù)的應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展的概念變?yōu)橹髁?。?000年,英國啟動“城市地球科學(xué)研究”項目,以為城市發(fā)展提供地質(zhì)信息為目的,通過地表礦床特征、三維巖體特征和信息系統(tǒng)研發(fā)3類主題進行研究(郭培國等,2014)。2008年8月在挪威首都召開的第33屆國際地質(zhì)大會討論了很多關(guān)于城市地質(zhì)的問題,最具代表性的是挪威在首都奧斯陸開展的調(diào)查項目,該項目以氡災(zāi)害、地面沉降、城市土壤污染、地?zé)?、砂礦資源、地下水、礦產(chǎn)地質(zhì)、基地穩(wěn)定性與檢測、地質(zhì)教育等10個方面進行了研究(郭培國等,2014)。2013年意大利羅馬地區(qū)運用電阻率層析成像技術(shù)成功的探查了未知的地下空間或隧道(Fasani et al,2013)。
1.2國內(nèi)城市地質(zhì)發(fā)展概況
城市地質(zhì)工作是城市規(guī)劃建設(shè)的重要基礎(chǔ),貫穿于城市選址布局、規(guī)劃建設(shè)、運行管理、轉(zhuǎn)型升級的全過程。中國城市地質(zhì)工作與其他西方發(fā)達國家相比具有起步晚、技術(shù)方法落后、標(biāo)準體系不完善、工作機制不順暢等諸多不足之處。
李烈榮等總結(jié)出中國城市地質(zhì)發(fā)展經(jīng)歷了5個歷史階段(李烈榮,2012),第一階段是20世紀80年代在全國范圍內(nèi)130多個城市開展的1:5萬區(qū)域調(diào)查;第二階段是20世紀90年代初開展的城市水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)綜合調(diào)查;第三階段是20世紀90年代后期零星開展的地下水、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查(薛禹群等,2008;張茂盛等,2013);第四階段是2004--2009年開展的城市地質(zhì)調(diào)查試點工作;第五階段是2009年以來開展和完成的全國主要城市群和經(jīng)濟區(qū)的地質(zhì)調(diào)查工作(張茂盛等,2014)。
近10年來中國城市地質(zhì)工作卓有成效,在工作發(fā)展理念方面取得了很大的創(chuàng)新,創(chuàng)立了一系列的理論體系和評價體系,針對城市發(fā)展時突出的地質(zhì)問題做了系統(tǒng)的地質(zhì)條件適宜性評價和重要戰(zhàn)略資源勘查評價工作;2016年中國初步建立了地質(zhì)環(huán)境保障工程、戰(zhàn)略性地質(zhì)資源保障工程和首都地質(zhì)資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警平臺(衛(wèi)萬順等,2018)。2017年11月在北京召開了全國城市地質(zhì)工作會;2018年9月在上海召開了城市地質(zhì)災(zāi)害普查與監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研討會。為支撐服務(wù)國家區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略和城鎮(zhèn)化建設(shè),近期城市地質(zhì)工作分析了中國19個城市群的資源環(huán)境承載能力、337個主要城市的優(yōu)勢地質(zhì)資源和重大地質(zhì)問題,形成了中國城市地質(zhì)資源環(huán)境狀況的總體認識,提出了優(yōu)化城市群發(fā)展規(guī)模和布局、發(fā)揮城市地質(zhì)資源優(yōu)勢、保障城市地質(zhì)安全的對策建議,強調(diào)了城市地質(zhì)工作的重要性。
針對中國城市地質(zhì)的發(fā)展現(xiàn)狀,中國地質(zhì)調(diào)查局2017年提出了符合中國國情和實際的《城市地質(zhì)調(diào)查總體方案(2017-2025年)》。該方案提出到2020年完成100個地級以上城市的基礎(chǔ)性綜合地質(zhì)填圖,到2025年完成338個地級以上城市1:5萬基礎(chǔ)性綜合地質(zhì)填圖,實現(xiàn)全國地級以上城市地質(zhì)工作的全覆蓋,建立系統(tǒng)完備的城市地質(zhì)工作支撐體系,全面提升地質(zhì)工作服務(wù)保障城市規(guī)劃、建設(shè)、運行管理全過程的能力和水平。目前,中國已完成了306個地級以上城市環(huán)境資源摸底調(diào)查和34個城市三維地質(zhì)調(diào)查工作。通過調(diào)查,提出了與地方政府合作,推廣試點工作經(jīng)驗、以城市群為單位,推進綜合地質(zhì)調(diào)查、瞄準國家重大需求,強化精準服務(wù)的城市地質(zhì)調(diào)查工作三部曲。
1.3城市地質(zhì)工作基本內(nèi)容
隨著城鎮(zhèn)化的飛速發(fā)展,城市人口不斷擴大。城市人類工程活動、經(jīng)濟活動等已經(jīng)成為了強大的地質(zhì)應(yīng)力,與常規(guī)地質(zhì)活動同時影響著地質(zhì)環(huán)境。由此原有的地質(zhì)平衡便被打破了,從而使得城市地質(zhì)問題日趨嚴重,資源開發(fā)、土地利用、環(huán)境保護和災(zāi)害防治等城市地質(zhì)工作迫在眉睫。城市地質(zhì)工作的任務(wù)就是在城市范圍內(nèi)為城市規(guī)劃建設(shè)、管理治理服務(wù)提供地質(zhì)信息和地質(zhì)工作。隨著城鎮(zhèn)化的飛速發(fā)展,城市人口不斷擴大。城市人類工程活動、經(jīng)濟活動等已經(jīng)成為了強大的地質(zhì)應(yīng)力,與常規(guī)地質(zhì)活動同時影響著地質(zhì)環(huán)境。由此原有的地質(zhì)平衡便被打破了,從而使得城市地質(zhì)問題日趨嚴重,資源開發(fā)、土地利用、環(huán)境保護和災(zāi)害防治等城市地質(zhì)工作迫在眉睫。城市地質(zhì)工作的任務(wù)就是在城市范圍內(nèi)為城市規(guī)劃建設(shè)、管理治理服務(wù)提供地質(zhì)信息和地質(zhì)工作。城市地質(zhì)調(diào)查分為城市地質(zhì)條件調(diào)查、問題調(diào)查、資源調(diào)查、城市規(guī)劃、地質(zhì)評價、城市地質(zhì)信息平臺建設(shè)、質(zhì)量控制和成果編制與驗收等方面。李友枝等(2003)總結(jié)出城市地質(zhì)工作的研究內(nèi)容主要為基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、資源開發(fā)和利用、環(huán)境污染評價和防治等。隨著城市地質(zhì)工作在近幾年的空前發(fā)展,其在工作領(lǐng)域、內(nèi)容和服務(wù)對象上都產(chǎn)生了深刻的變化:城市地質(zhì)工作服務(wù)于城市發(fā)展的全過程,是城市可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)性工作和前瞻性工作。其工作內(nèi)容是系統(tǒng)研究地質(zhì)資源環(huán)境要素、為城市發(fā)展提供地質(zhì)資源、環(huán)境保證與約束程度并,判斷城市發(fā)展對地質(zhì)資源環(huán)境的影響程度,提高城市發(fā)展中地質(zhì)安全的程度(鄭佳森等,2018)。
2無人機技術(shù)的特點與應(yīng)用
2.1研究現(xiàn)狀
世界上第一架無人機誕生于1917年,當(dāng)時主要運用軍事戰(zhàn)場偵察方面。美國作為航空工業(yè)基礎(chǔ)和技術(shù)實力最為雄厚的國家其無人機的研究與發(fā)展處于世界領(lǐng)先。美國于1939年開始研制無人機,20世紀50年代以后,美國相繼研發(fā)出了“火蜂”“先鋒”“獵人”“捕食者”“全球鷹”等戰(zhàn)略偵察無人機;2013年美國DARPA(美國國防部高級研究計劃局)公布了“九頭蛇項目”,目的是建立水下戰(zhàn)斗網(wǎng)絡(luò),這一平臺可搭載水下及空中無人機。當(dāng)今美國無人機已經(jīng)有了較為完備的發(fā)展?fàn)顟B(tài)(程誠等,2016)。
中國研制無人機始于20世紀60年代初期,60年代中期初步研制開發(fā)出了“長空一號”系列;到80年代,中國正式研發(fā)出“長虹一1”并應(yīng)用于軍事方面;1994年12月中國研發(fā)出“ASN-206”多用途無人駕駛飛機;2003年中國研發(fā)的“WZ-2000”低速可自主起降無人機實現(xiàn)了首飛,邁出了中國一航發(fā)展無人機產(chǎn)品可喜的一步;2015年軍用無人機CH-5首飛,其續(xù)航能力長達20小時。中國軍用無人機主要有兩大系列,一個是成都飛機設(shè)計研究所的翼龍系列(翼龍I、翼龍ID、翼龍Ⅱ),另一個是中國航空設(shè)計研究院的彩虹系列(彩虹3、彩虹4、彩虹5);而民用無人機則種類繁多,大疆創(chuàng)新科技有限公司、極飛科技、雷柏科技等各個公司都在積極的研制和開發(fā)新一代的消費級無人機。中國的無人機技術(shù)已經(jīng)具備了追趕世界一流水平的能力。
2.2技術(shù)特點與優(yōu)勢
無人機具有空域申請便利、受氣象限制小、應(yīng)用范圍廣、使用成本低、圖像精細等特點(吳永亮等,2017)。
(1)機動快速的響應(yīng)能力
無人機運輸便利、升空準備時間短、操作簡單,可快速到達監(jiān)測區(qū)域;另外其體積小、機動靈活,不需要專用跑到升降,受天氣和空域管制的影響較小(孫杰等,2003)。機載高精度遙感設(shè)備可以在短時間內(nèi)快速獲取遙感監(jiān)測結(jié)果。
(2)高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)獲取能力
無人機搭載的高精度數(shù)碼成像設(shè)備,覆蓋面廣,具備垂直或者傾斜成像的能力,獲取圖像的空間分辨率達到厘米級,適應(yīng)于1:1萬或更大比例尺遙感應(yīng)用的需求(孫杰等,2003)。目前城市地質(zhì)工作所需的影像主要為RGB三波段,無人機可掛載多光譜相機、高光譜相機和激光雷達傳感器,所拍攝的影像空間分辨率高、影像清晰。所獲取的影像為真彩色數(shù)字影像,已滿足1:500地形圖的測量規(guī)范要求。
(3)航攝效率高
無人機航攝可進行針對性航拍,重點獲取指定區(qū)域數(shù)據(jù),針對不合格影像可現(xiàn)場重拍。
(4)數(shù)據(jù)處理速度快
影像數(shù)據(jù)處理速度快。例如Pips軟件能對航空影像數(shù)據(jù)及無人機影像數(shù)據(jù)進行快速化自動處理,可完成從空中三角測量到各種比例尺等測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)處理任務(wù)(陳硯國,2018)。
(5)操作簡便可靠
飛機操作簡單,智能化程度高,部分無人機機型有故障自動診斷及顯示功能,一旦遙控失靈或發(fā)生其他故障,飛機自動返航到起飛點上空待命;故障解除則繼續(xù)執(zhí)行飛行任務(wù),否則自行開傘回收。
(6)使用成本低
無人機成本較低,飛行操作員的培訓(xùn)時間短,機器存放和維護簡便,無調(diào)機和停機的費用。
2.3行業(yè)應(yīng)用
無人機已被普遍應(yīng)用于軍事范疇和民用范疇。軍用方面,無人機分為偵察機和靶機;民用方面,可應(yīng)用于多個行業(yè),處于迅速發(fā)展階段;西方發(fā)達國家也在積極發(fā)展無人機技術(shù)。
(1)地形圖測繪
無人機航拍過程主要包括航飛、控制測量、像控、調(diào)繪、成圖等。因其靈活機動和影像分辨率高的特點,可出色的完成1:500地形圖測制。
(2)應(yīng)急監(jiān)測
無人機結(jié)合底圖拍攝具有影像分辨率高、時效性強的特點。特別是在高危地區(qū),一旦發(fā)生自然災(zāi)害,無人機可以快速做出反應(yīng),而不會因為工作人員親臨現(xiàn)場造成危險。通過影像的處理可有效并且快速精準的反映現(xiàn)狀,便于救災(zāi)人員及時規(guī)劃救援方案,從而提高救援效率,減少損失。無人機航拍可計算出受災(zāi)面積和房屋損毀數(shù)量,進行災(zāi)后統(tǒng)計和評估。
(3)國土資源監(jiān)測
無人機航攝可以應(yīng)對土地調(diào)查監(jiān)測和土地核實工作,對國土資源變化進行實時監(jiān)測,能夠有效降低土地調(diào)查成本,還能對發(fā)現(xiàn)的違法用地、非法開采等情況進行及時的評估和制止,為國土執(zhí)法提供依據(jù)(陳硯國,2018)。
(4)其他民用產(chǎn)業(yè)應(yīng)用
目前,中國民用無人機主要應(yīng)用于搜索救援、災(zāi)害防治、資源勘查、氣象監(jiān)測、交通管制等方面。不管是城鎮(zhèn)還是農(nóng)村地區(qū),無人機都在逐漸發(fā)揮其積極的作用,在提高工作效率,解放生產(chǎn)力的同時,精準的數(shù)據(jù)反饋和多元化的工作內(nèi)容成為無人機的發(fā)展方向(圖1)。
2.4應(yīng)用實例
(1)2017年7月的萬噸危廢傾倒長江的環(huán)境污染事件中,環(huán)保人員利用無人機航拍現(xiàn)場勘查污染范圍、提取污染物和物證,追查了污染廢物的源頭,及時制止了此類污染的持續(xù)發(fā)生。
(2)2017年8月8日四川阿壩州九寨溝縣7.0級大地震的救援過程中,四川電力公司第一時間趕赴災(zāi)區(qū),通過無人機技術(shù)協(xié)助完成了電力設(shè)備的搶修工作,并配合武警官兵對道路損壞情況進行偵察,獲取了地表影像資料,給救援方案提供了信息支持,為救援搜索爭取了時間,極大的降低了搜救人員的勞動強度,減少了救援人員的傷亡。
(3)在土地確權(quán)工作過程中,《農(nóng)村土地承包經(jīng)營管理調(diào)查規(guī)程》規(guī)定了DOM地物點與實地同名點的誤差精度,采用無人機航空攝影測量方法獲得影像底圖后,經(jīng)過精度驗證,得出采用影像分辨率為0.06m的航測正射影像制作的底圖所得點位的誤差小于規(guī)定誤差的結(jié)論,完全滿足土地確權(quán)工作的精度要求。2016年甘肅禮縣土地確權(quán)工作過程中,采用無人機航拍測繪影像遙感技術(shù),通過一個半月的時間完成了9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)159個村的航拍工作任務(wù),完成率達到了47.2%。降低了測繪生產(chǎn)成本、提高了工作效率,縮短了工作周期。
(4)蚌埠市天河科技園的規(guī)劃運用無人機航拍攝影,采用全數(shù)字攝影測量工作站進行立體測量,利用空三導(dǎo)入的方法建立數(shù)字立體模型。整個數(shù)字化測圖過程比直接野外測量縮短了將近一半的時間,有效的提高了工作效率,降低了作業(yè)成本。這充分證明了無人機在城市地質(zhì)工作中發(fā)揮的重要作用。3無人機在城市地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用
(1)環(huán)境監(jiān)測和環(huán)境治理
無人機航拍具有續(xù)航時間長、時效性強、機動性好、巡查范圍廣等特點,可為環(huán)境執(zhí)法人員排查污染源縮短時間,提高排查的效率和準確性。尤其是在霧霾嚴重的地區(qū),可在排查到污染源時在一定程度上減緩或防止霧霾的污染,利用攜帶了催化劑的無人機在空中進行噴撒,在一定范圍內(nèi)可消除霧霾污染,達到環(huán)境治理的效果。無人機可以實時監(jiān)測和追蹤如原油泄漏、井噴等環(huán)境污染事件的進程和發(fā)展以及時做出應(yīng)對措施;環(huán)監(jiān)部門可以利用無人機技術(shù)在指定區(qū)域巡航,監(jiān)測工業(yè)工廠的廢氣與廢液排放情況,尋找污染源,并且可以采集標(biāo)本監(jiān)測其排放是否達標(biāo);無人機在土壤、空氣、水質(zhì)和植被等狀況的觀測中也發(fā)揮著重要的作用。
(2)災(zāi)害防治
無人機動性好,輕型無人機從起飛到降落僅需要不到半個小時,就能完成10萬km2的航拍,且成像速度快,對于災(zāi)后救援工作具有重要的意義。無人機技術(shù)避免了工作人員親自去存在塌方、滑坡和泥石流等危險的地區(qū),可以有效的保障救援人員的人身安全。無人機航攝為確定救災(zāi)重點區(qū)域、合理分配救援力量、選擇安全救援路線等提供了有價值的參考數(shù)據(jù)。此外,無人機可實時全方位的監(jiān)測受災(zāi)地區(qū)的最新情況,以防引發(fā)次生災(zāi)害,引起二次人身傷亡。
(3)土地確權(quán)
無人機大到兩國的領(lǐng)土之爭,小到農(nóng)村土地的確權(quán),都可發(fā)揮積極的作用。無人機機動靈活,通過航拍可對土地資源進行實時監(jiān)測,解決農(nóng)村土地歸屬問題,為土地執(zhí)法提供重要依據(jù),對即將開展的第三次全國土地調(diào)查工作提供準確和詳實的數(shù)據(jù)資料。部分國家內(nèi)部的邊界確權(quán)問題,有時牽扯到不同的種族,使用無人機前去采集邊界數(shù)據(jù),可有效地避免潛在的社會沖突。
(4)城市規(guī)劃建設(shè)
無人機可以為城市規(guī)劃建設(shè)的前期資料收集工作服務(wù)。通過無人機高精度拍攝,收集道路交通系統(tǒng)及其他主要市政工程系統(tǒng)等基礎(chǔ)城市資料,確定城市功能的空間布局,合理選擇城市的各項用地,提出市域城鎮(zhèn)體系規(guī)劃。
4結(jié)論
無人機具有高分辨率影像和高精度定位數(shù)據(jù)獲取能力,并有快速時效的特點,作為新興科技產(chǎn)品,在傳統(tǒng)地質(zhì)的基礎(chǔ)上應(yīng)加大技術(shù)投入,進而為城市地質(zhì)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年中國民航局宣布民用無人機將實行實名登記注冊,針對發(fā)展特點和需求,擬將農(nóng)林噴灑、空中拍照、航空攝影和執(zhí)照培訓(xùn)四類主要經(jīng)營項目列為許可對象,在此基礎(chǔ)上,應(yīng)積極吸取各國先進的管理經(jīng)驗,進一步明確無人機飛行的技術(shù)標(biāo)準和法律法規(guī)。隨著國民經(jīng)濟增長需求、環(huán)境保護和安全及社會發(fā)展對數(shù)據(jù)的要求不斷提升,無人機在規(guī)劃建設(shè)、水利監(jiān)測、災(zāi)害防治、城市資源和礦產(chǎn)資源開發(fā)、環(huán)境綜合治理等各個城市地質(zhì)工作領(lǐng)域中均發(fā)揮著積極的作用,應(yīng)用前景廣闊。