孔嘉旭， 谷天峰， 孫 彬， 張凡琛， 孫嘉興， 宋志杰

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710069)

中國是世界上發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害最頻繁的國家之一，尤其是大、中型滑坡在中國西部黃土高原、西南云貴高原等地區(qū)頻繁發(fā)生，具有規(guī)模大、危害程度高、成因機(jī)制復(fù)雜的特點(diǎn)[1-5]，山地是中國國土的重要組成部分，約占國土總面積的66%。不同地區(qū)、不同土質(zhì)結(jié)構(gòu)的斜坡土體，在強(qiáng)地震、人類工程活動(dòng)、灌溉或降雨等作用下，土體的結(jié)構(gòu)特性、剪切特性等發(fā)生變化，導(dǎo)致斜坡土體發(fā)生變形，經(jīng)過一個(gè)長(zhǎng)期的過程引發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害[6-13]?；碌刭|(zhì)災(zāi)害以其誘發(fā)機(jī)理復(fù)雜與危害嚴(yán)重的特點(diǎn)，已經(jīng)嚴(yán)重影響到人民的日常生活與國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)[14-15]，因此對(duì)滑坡區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、監(jiān)測(cè)、評(píng)估與預(yù)警工作就顯得極為重要。

在以往滑坡形成演化過程相關(guān)研究中，以斜坡變形為切入點(diǎn)的研究其重要性已經(jīng)日益突顯，通過多期次變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以很好地對(duì)滑坡進(jìn)行形態(tài)特征、演化過程以及早期識(shí)別等研究[16-17]。傳統(tǒng)滑坡變形演化過程研究方法主要依靠的有工程地質(zhì)調(diào)查與分析[18-19]、遙感測(cè)繪與遙感圖像解譯[20-21]，以及通過布設(shè)傳感器來監(jiān)測(cè)滑坡變形發(fā)展情況的原位監(jiān)測(cè)[22-24]。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代化變形監(jiān)測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生，高分辨率遙感影像對(duì)比可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化解譯[25-26]；無人機(jī)(UAV)航測(cè)技術(shù)開始廣泛用于滑坡變形觀測(cè)[27]；分布式光纖技術(shù)也開始用于滑坡變形原位監(jiān)測(cè)[28]；利用高分辨率激光雷達(dá)(LiDAR)可獲取滑坡區(qū)地形等數(shù)據(jù)[29-30]；地表三維激光掃描技術(shù)可精確地監(jiān)測(cè)滑坡的表部變形情況[31]；合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(In-SAR)也被應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)，通過衛(wèi)星可以周期性地對(duì)研究區(qū)完成穩(wěn)定的觀測(cè)，具有區(qū)域尺度測(cè)量的能力[32-33]；不斷更新?lián)Q代的自動(dòng)化、高精度全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)也完全滿足滑坡變形監(jiān)測(cè)的需要[34]。但是上述滑坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在開展研究過程中都存在一定缺陷， In-SAR技術(shù)、高精度GPS以及激光掃描等技術(shù)等成本較高，其中GPS技術(shù)與激光掃描獲取數(shù)據(jù)花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，只適用于單體滑坡調(diào)查；遙感影像解譯僅適用于區(qū)域性研究，難以獲取滑坡細(xì)部特征與厘米級(jí)變形數(shù)據(jù)，且精度難以保證；滑坡原位監(jiān)測(cè)操作程度復(fù)雜，所需人力成本較高，一旦發(fā)生滑坡可能會(huì)破壞現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。因此基于攝影測(cè)量的無人機(jī)航測(cè)技術(shù)以其低成本、靈活性高、時(shí)效性強(qiáng)，易于根據(jù)地形等因素改變飛行路線，從而完成研究區(qū)測(cè)繪任務(wù)[35-36]，最終提供數(shù)據(jù)滿足滑坡變形等研究需要。隨著無人機(jī)的機(jī)載相機(jī)性能不斷提高，量測(cè)精度已經(jīng)達(dá)到厘米級(jí)別，完全滿足滑坡細(xì)部變形觀測(cè)與早期識(shí)別研究的要求。

本文以滑坡地質(zhì)災(zāi)害觀測(cè)方法研究現(xiàn)狀為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)基本工作原理做了詳細(xì)介紹，接著敘述了攝影測(cè)量與數(shù)據(jù)處理過程，論述了基于無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的滑坡變形觀測(cè)熱點(diǎn)研究方向。在此基礎(chǔ)上敘述了影像數(shù)據(jù)結(jié)果存在誤差的原因，以及如何降低誤差方法的研究現(xiàn)狀。展望了攝影測(cè)量與影像配準(zhǔn)的工作方向，最后總結(jié)了滑坡變形演化特征與早期識(shí)別研究中無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，以期為今后相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供了最新的研究進(jìn)展和思路。

1 無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)

1.1 無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)工作原理

攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展分別經(jīng)歷了以光學(xué)或機(jī)械投影方法為基本原理的模擬攝影測(cè)量階段，以電子計(jì)算機(jī)為手段的解析攝影測(cè)量階段，影像數(shù)據(jù)數(shù)字化處理的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段[37]。隨著攝影測(cè)量技術(shù)與相關(guān)設(shè)備的現(xiàn)代化發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)成為測(cè)繪、建筑、交通等行業(yè)必備的輔助技術(shù)，與人民日常生活與國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)息息相關(guān)。該技術(shù)基于數(shù)字影像與攝影測(cè)量基本原理，通過數(shù)碼相機(jī)，航攝儀等攝影設(shè)備，拍攝測(cè)量對(duì)象大小、形狀、空間位置關(guān)系，將投影光線以數(shù)字化方式表達(dá)，獲取原始影像數(shù)據(jù)，再將影像中的像點(diǎn)在空間坐標(biāo)系中經(jīng)過坐標(biāo)變換，結(jié)合空三加密算法，將拍攝對(duì)象數(shù)字化的數(shù)據(jù)構(gòu)建成三維立體模型[38-39]。

無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)是利用無人機(jī)在空中執(zhí)行飛行任務(wù)，研究人員控制無線電遙控設(shè)備，以高分辨率數(shù)碼相機(jī)為傳感器，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行大范圍、多視角、高精度及快速攝影測(cè)繪，從而得到影像數(shù)據(jù)的技術(shù)[40-42]。無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)主要用于具有時(shí)效性的高分辨率影像的快速獲取，在外業(yè)航測(cè)與室內(nèi)數(shù)據(jù)處理后，獲取研究區(qū)正射影像、數(shù)字表面模型等(DSM)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。

1.2 無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)組成與作業(yè)流程

無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)是無人機(jī)與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)所結(jié)合現(xiàn)代化技術(shù)，其系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由飛行平臺(tái)系統(tǒng)、任務(wù)荷載系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所組成。無人機(jī)攝影測(cè)量操作流程依次由前期調(diào)查準(zhǔn)備與資料收集工作、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、數(shù)據(jù)處理內(nèi)業(yè)等步驟依次組成(圖2)，每一部分均有嚴(yán)格的技術(shù)指標(biāo)與注意事項(xiàng)要求[43-44]。

圖1 無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of UAV photogrammetry system

圖2 無人機(jī)攝影測(cè)量作業(yè)流程Fig.2 Operation flow of UAV photogrammetry

1.3 無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀

無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在數(shù)字化、信息時(shí)代完全發(fā)展為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，無人機(jī)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)初，起初應(yīng)用于軍事與戰(zhàn)爭(zhēng)，隨著計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化技術(shù)的高速發(fā)展，無人機(jī)開始與航空攝影測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，體積小、傳感器精度高、操作簡(jiǎn)便的航測(cè)無人機(jī)被制造出來，越來越廣泛的用于災(zāi)害應(yīng)急與處理、國土監(jiān)察、資源開發(fā)[45]、考古挖掘[46]、生態(tài)環(huán)境保護(hù)[47]、農(nóng)業(yè)工程[48]等領(lǐng)域。在地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究中，已經(jīng)頻繁用于地面沉降觀測(cè)、滑坡變形發(fā)展與演化過程監(jiān)測(cè)、邊坡穩(wěn)定性分析等研究。

Schwab等[49]利用該技術(shù)來獲取高精度數(shù)字高程模型來計(jì)算阿爾卑斯山滑坡的體積量；Goncalves等[50]將無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)與GPS技術(shù)結(jié)合，通過GPS技術(shù)提取控制點(diǎn)確保影像結(jié)果的精度，用于研究海岸地形變化趨勢(shì)；多期次高精度影像數(shù)據(jù)在滑坡變形與表面細(xì)部特征的研究起到了顯著效果[51]；無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)已應(yīng)用于重大地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后，在災(zāi)區(qū)位置與分布概況、災(zāi)害程度評(píng)估、現(xiàn)場(chǎng)搜救與重建的過程中起到重要作用[52-53]；Mateos等[54]結(jié)合In-SAR與無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)用于探究西班牙某城市海岸滑坡與城市建設(shè)發(fā)展之間的關(guān)系。

無人機(jī)航測(cè)具有快速反應(yīng)能力，可以快速劃定航測(cè)區(qū)并到達(dá)目的地；在與眾多滑坡變形監(jiān)測(cè)手段相比，其時(shí)效性與性價(jià)比相當(dāng)突出，可以隨時(shí)拍攝與自由劃定航測(cè)區(qū)，工作效率高，成本也相對(duì)低廉；航測(cè)區(qū)域受限制條件較低，無人機(jī)航測(cè)不僅可以避免云層干擾，還不受地形限制，航測(cè)高度由研究人員控制，成像質(zhì)量與精度也優(yōu)于遙感數(shù)據(jù)[55]。無人機(jī)的任務(wù)存儲(chǔ)設(shè)備會(huì)充分發(fā)揮其自主飛行能力，已存儲(chǔ)的航線可以重復(fù)使用，便于對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行固定周期的滑坡變形監(jiān)測(cè)。無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在小范圍精細(xì)測(cè)繪制圖上，其操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性與高精度影像結(jié)果，在操作簡(jiǎn)易的基礎(chǔ)上成為廣大研究人員的首選。

目前，根據(jù)無人機(jī)數(shù)字航空攝影測(cè)量規(guī)范要求，以1∶500、1∶1 000、1∶2 000為攝影測(cè)量外業(yè)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字化成果的精度與影像分辨率要求會(huì)隨著比例尺與地形地物不同有所變化。目前，用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與測(cè)繪的航測(cè)無人機(jī)已經(jīng)分化出多種類型。無人機(jī)按其不同的飛行平臺(tái)結(jié)構(gòu)可分為，固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、多旋翼無人機(jī)，其中多旋翼無人機(jī)因其螺旋槳數(shù)量的不同，又可分為四旋翼無人機(jī)、六旋翼無人機(jī)、八旋翼無人機(jī)。固定翼無人機(jī)最大的特點(diǎn)是飛行速度快、耗能大，無人直升機(jī)具有極強(qiáng)的靈活性，可以垂直起降，多旋翼無人機(jī)操作簡(jiǎn)單、成本較低，是大多數(shù)民用無人機(jī)的首選。無人機(jī)按其用途劃分，可分為軍用級(jí)、工業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)三個(gè)級(jí)別。工業(yè)級(jí)與軍事級(jí)無人機(jī)一般具有較高的技術(shù)指標(biāo)要求，并且服務(wù)于更專業(yè)的應(yīng)用需要；消費(fèi)級(jí)無人機(jī)是較為大眾化類型，這類無人機(jī)一般是多旋翼無人機(jī)，其體積小，耗能小、飛行距離非常有限，廣泛用于航拍[55-57]。除此之外，用于攝影測(cè)量的無人機(jī)還可以根據(jù)機(jī)身尺度、飛行活動(dòng)半徑、飛行高度進(jìn)行分類，詳細(xì)分類見表1～表3。

表1 按尺度大小的無人機(jī)分類

表2 按活動(dòng)半徑的無人機(jī)分類

表3 按任務(wù)飛行高度的無人機(jī)分類Table 3 UAV classification by mission altitude

近些年來，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)開始與GNSS(global navigation satellite system)技術(shù)、RTK(real time kinematic)技術(shù)結(jié)合，用于攝影測(cè)量與數(shù)據(jù)處理工作。在避障系統(tǒng)上研發(fā)方面，無人機(jī)開始向智能化發(fā)展，能夠自動(dòng)識(shí)別航線上的障礙物，從而做出避讓等反應(yīng)來保證無人機(jī)的安全。

2 無人機(jī)攝影測(cè)量與滑坡變形觀測(cè)

2.1 區(qū)域滑坡變形調(diào)查

目前，基于無人機(jī)攝影測(cè)量的區(qū)域滑坡變形調(diào)查研究以其經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，主要集中在區(qū)域滑坡的時(shí)空分布特征、演化規(guī)律等研究。研究表明，一定區(qū)域內(nèi)的滑坡變形特征與成災(zāi)機(jī)理往往具有某種規(guī)律性，這種區(qū)域性規(guī)律不僅僅只表現(xiàn)在空間上，其規(guī)律受降雨。灌溉以及人類工程活動(dòng)等誘因呈群集性、分異性、多序次變化特征，也表現(xiàn)在時(shí)間上呈年際與年內(nèi)變化規(guī)律[58-59]。因此，針對(duì)區(qū)域滑坡變形與演化特征研究，大量的基于無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的區(qū)域滑坡調(diào)查研究已經(jīng)被證明為最有效的工具之一。

為了了解一定時(shí)間與空間范圍內(nèi)的區(qū)域滑坡具有何種變形演化規(guī)律，有必要獲取足夠時(shí)間和空間序列的區(qū)域滑坡變形信息。González-Diez等[60]利用無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)西班牙坎塔布里亞山脈某面積為7 km2的滑坡進(jìn)行了精細(xì)航空測(cè)繪，并結(jié)合GPS技術(shù)提高影像處理結(jié)果的精度，在此基礎(chǔ)上對(duì)比了歷史多期次影像結(jié)果，得到了時(shí)間序列的滑坡堆積物變化趨勢(shì)。巨袁臻[43]利用無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)黑方臺(tái)黨川段、焦家段等滑坡群進(jìn)行了早期識(shí)別研究，將多期影像進(jìn)行三維模型配準(zhǔn)，利用兩期滑坡的高程數(shù)據(jù)相減獲得差分模型，通過兩期影像的差分模型分析滑坡變形的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。Hu等[61]利用無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)所獲取的高分辨黃土滑坡三維模型，對(duì)區(qū)域滑坡進(jìn)行了空間特征分析，該方法能夠精確地觀察到滑坡表面紋理、裂縫的變化特征。胡勝等[62]在陜西黃土高原地區(qū)選取了多個(gè)黃土滑坡，利用無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)提取了黃土滑坡的幾何特征參數(shù)、地形特征參數(shù)和斷面結(jié)構(gòu)等高分辨率特征參數(shù)，并分析了黃土斜坡穩(wěn)定性與降雨、灌溉、人類工程活動(dòng)的影響關(guān)系。有學(xué)者將無人機(jī)攝影測(cè)量所獲取的正射影像與DEM(digital elevation model)數(shù)據(jù)，從中提取滑坡邊緣線、高程、面積、坡度等數(shù)據(jù)，分析滑坡形態(tài)變化特征，并用遙感數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證[63]。

以上眾多學(xué)者利用無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了區(qū)域滑坡形態(tài)特征與時(shí)空演化規(guī)律的研究，證明了該技術(shù)已經(jīng)完全能夠應(yīng)用于區(qū)域滑坡調(diào)查研究，而且可以很好地認(rèn)識(shí)其時(shí)空分布規(guī)律和變化特征。

2.2 單體滑坡變形調(diào)查研究

單體滑坡變形調(diào)查研究中對(duì)影像結(jié)果的要求精度極高，盡可能對(duì)單體滑坡表面細(xì)部特征做到精細(xì)測(cè)繪，其中單體滑坡的表面裂縫、滑動(dòng)體積、垂直與水平方向位移量等數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)演化積累能夠充分反映單體滑坡的變化趨勢(shì)[64-65]。目前，隨著攝影測(cè)量技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的不斷提高，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)完全能夠達(dá)到單體滑坡調(diào)查研究所要求的厘米級(jí)量測(cè)要求。

基于攝影測(cè)量結(jié)果的DEM等數(shù)據(jù)，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)被證明能夠很好地應(yīng)用于單體滑坡變形演化趨勢(shì)的定量化研究。彭大雷等[66]以甘肅黑方臺(tái)黨川段2#滑坡為例，嘗試采用高精度低空攝影測(cè)量技術(shù)來精確測(cè)算滑坡滑動(dòng)體積、體積整體膨脹系數(shù)、體積局部膨脹系數(shù)等，該研究以高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)和軟件為基礎(chǔ)，利用在滑坡區(qū)建立柵格，通過柵格的變化量來測(cè)算整個(gè)滑坡的體積量，該方法與傳統(tǒng)計(jì)算方法、三維激光掃描技術(shù)相比，精確程度有了顯著提高。陳天博等[67]對(duì)北京市西南部某小型滑坡利用高分辨率的DEM(digital elevation model)和DOM(digital orthophoto map)數(shù)據(jù)對(duì)地形地貌信息的準(zhǔn)確提取與描述的方法，基于模糊分類與SVM算法的結(jié)合，采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒▽?shí)現(xiàn)了對(duì)研究區(qū)內(nèi)植被、道路、疑似滑坡區(qū)域的信息提取，對(duì)該區(qū)域滑坡進(jìn)行形態(tài)與紋理分析以及精度評(píng)價(jià)。Betts等[68]提出了一種SedNetNZ模型，以時(shí)間序列的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)每個(gè)滑坡的滑坡類別、面積、破壞程度等參數(shù)來計(jì)算出一段時(shí)間內(nèi)單體滑坡的滑動(dòng)變化趨勢(shì)，該方法被證明能夠用于因降雨誘發(fā)的淺層滑坡研究中。

基于無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)獲取滑坡區(qū)地形變化數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與室內(nèi)試驗(yàn)，能夠充分認(rèn)識(shí)到滑坡誘因與單體滑坡變形演化規(guī)律之間的關(guān)系。由于強(qiáng)降雨導(dǎo)致奧地利某村莊發(fā)生大型滑坡，Gerald等[69]在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了一系列斜坡土壤水分、位移監(jiān)測(cè)，并結(jié)合無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)于滑坡區(qū)進(jìn)行定期評(píng)估，實(shí)時(shí)觀測(cè)裂縫處的位移變化與水流變化情況，分析了滑坡動(dòng)態(tài)變化過程與降雨以及地表水之間的關(guān)系。許強(qiáng)等[70]結(jié)合無人機(jī)航測(cè)技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)，對(duì)涇陽南塬約2×104m2黃土滑坡進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，對(duì)其滑坡細(xì)部基本特征與成因機(jī)制進(jìn)行研究，分析了灌溉以及降雨因素對(duì)其影響程度。有學(xué)者通過建立回歸分析模型，結(jié)合攝影測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與室內(nèi)試驗(yàn)，成功打地分析了土的性質(zhì)、邊坡類型、降雨量等因素與單體滑坡變形演化規(guī)律具有一定的相關(guān)性[71-72]。

超高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)越來越多的應(yīng)用于單體滑坡調(diào)查研究中，有學(xué)者利用高分辨率影像，依據(jù)計(jì)算機(jī)視覺原理，利用特征點(diǎn)云結(jié)合運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)(SfM)算法來創(chuàng)建滑坡數(shù)字表面模型(DSM)，從而對(duì)單體滑坡細(xì)部變形演化過程進(jìn)行研究[73-74]。在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者對(duì)不同時(shí)間序列的DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比從而進(jìn)行定量分析，該方法是通過CloudCompare、PolyWorks等軟件對(duì)密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行基于迭代(ICP)算法的評(píng)估與矩陣變換，進(jìn)一步的使用COSI-Corr圖像相關(guān)算法跟蹤和量化滑坡表面變化規(guī)律[75-76]。因此，在單體滑坡調(diào)查研究中，通過滑坡前后兩期低空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)分析對(duì)比能夠，很好地認(rèn)識(shí)滑坡的滑前、滑后變形跡象和成災(zāi)過程。

彭大雷等[36]詳細(xì)論述了闡述無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在滑坡調(diào)查中的應(yīng)用效果，對(duì)于區(qū)域滑坡研究能夠充分顯示時(shí)空分布規(guī)律與發(fā)育特征；對(duì)于單體滑坡研究通過多期次模型對(duì)比，能夠充分認(rèn)識(shí)單體滑坡發(fā)展過程；同時(shí)利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還能夠?qū)逻M(jìn)行定量化分析，并構(gòu)建三維模型用于滑坡變形相關(guān)研究。因此，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在滑坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與研究領(lǐng)域?qū)?huì)起到極為重要的作用，在滑坡變形發(fā)展、細(xì)部特征演化與早期識(shí)別的研究上較傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法具有時(shí)效性強(qiáng)、性價(jià)比高、操作簡(jiǎn)易等優(yōu)勢(shì)。

3 當(dāng)前存在問題及研究現(xiàn)狀

無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成為滑坡變形相關(guān)研究最有效的工具之一，在滑坡變形演化規(guī)律與早期識(shí)別相關(guān)研究中具有極大的優(yōu)勢(shì)。但是由于攝影測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)條件、數(shù)據(jù)處理方法及無人機(jī)攝影測(cè)量硬件所存在一定程度的缺陷，導(dǎo)致攝影測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性受到影響，最終DEM、點(diǎn)云等數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果存在一定誤差，從而給無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在滑坡變形觀測(cè)應(yīng)用帶來巨大的挑戰(zhàn)。無人機(jī)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果的精度與質(zhì)量直接影響到后期滑坡變形研究質(zhì)量，因此無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)攝影測(cè)量與影像數(shù)據(jù)處理質(zhì)量與精度一直以來是科研人員重點(diǎn)研究的問題之一。

3.1 攝影測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

在無人機(jī)攝影測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)方面，相機(jī)校驗(yàn)、航線規(guī)劃以及相關(guān)參數(shù)設(shè)置直接影響攝影結(jié)果的質(zhì)量，無人機(jī)處于飛行姿態(tài)時(shí)會(huì)受到風(fēng)力、機(jī)身振動(dòng)等因素影響，運(yùn)動(dòng)過程受外界環(huán)境干擾會(huì)影響成像的質(zhì)量。以往的滑坡現(xiàn)場(chǎng)無人機(jī)測(cè)繪工作中，地面控制點(diǎn)大多是利用地面明顯地物來布設(shè)地面控制點(diǎn)，通過RTK等設(shè)備提取該點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息，操作人員在測(cè)量控制點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)會(huì)存在一定誤差。敬小東等[77]利用GPS動(dòng)態(tài)技術(shù)輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的方法，提高影像曝光時(shí)刻定位精度，該方法提高了減少了控制點(diǎn)的布設(shè)。朱進(jìn)等[78]在滑坡現(xiàn)場(chǎng)通過進(jìn)行多種傳統(tǒng)控制點(diǎn)布設(shè)方法和適用于無人機(jī)布設(shè)方法的空三精度對(duì)比試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)無論區(qū)域大小，四周均勻布設(shè)控制點(diǎn)或四點(diǎn)布設(shè)平高控制點(diǎn)，都能夠提高數(shù)據(jù)處理結(jié)果的精度。Chiang等[79]開發(fā)了一種基于無人機(jī)的空間信息采集平臺(tái)，該平臺(tái)能夠在差分處理時(shí)對(duì)GPS單頻載波相位測(cè)量，獲取足夠精確的空間信息，保證了影像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 影像數(shù)據(jù)處理內(nèi)業(yè)

在影像數(shù)據(jù)處理內(nèi)業(yè)方面，數(shù)據(jù)處理結(jié)果準(zhǔn)確性會(huì)受到處理方法不同、軟件以及算法的系統(tǒng)誤差的影響，這些都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理結(jié)果在影像的拼接與融合過程中存在誤差。Rock等[80]研究了地面控制點(diǎn)(GCP)數(shù)目對(duì)傳感器間接定位精度的影響，以及絕對(duì)偏差對(duì)不同參數(shù)DEM模型的影響，結(jié)果表明控制點(diǎn)的分布與數(shù)量會(huì)影響處理結(jié)果。趙志剛[81]通過擴(kuò)大像幅以使攝影基線的長(zhǎng)度增加與提高上、下視差的量測(cè)精度兩個(gè)角度，來提高控制點(diǎn)的高程精度，使得處理結(jié)果準(zhǔn)確度有所提升。Zhang等[82]利用GA-SIFT方法能更準(zhǔn)確地定位更多的特征點(diǎn)，提出的自適應(yīng)閾值方法通過較多的特征點(diǎn)提取和拼接工作，不僅解決了誤差較大的問題，還解決了計(jì)算量大、拼接時(shí)間成本高的局限性問題。在數(shù)據(jù)處理軟件方面，目前更多的商業(yè)公司已經(jīng)研發(fā)出多種高精度數(shù)據(jù)處理軟件，國內(nèi)有DPGrid、MAP-AT、MapMatrix等，國外軟件主要有Pix4d mapper、Inpho、Photoscan以及徠卡公司推出的ERDAS LPS工作站等。有學(xué)者通過成像質(zhì)量與精度、處理時(shí)間、算法差異的角度上分析了多種軟件處理結(jié)果，發(fā)現(xiàn)每種處理軟件都有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[83-84]。

3.3 無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)硬件設(shè)施

在現(xiàn)場(chǎng)攝影測(cè)量過程中，無人機(jī)自身硬件也會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，電子元件的小型化常常導(dǎo)致攝影質(zhì)量的下降，因此導(dǎo)航單元和攝像機(jī)的精度對(duì)攝影測(cè)量質(zhì)量至關(guān)重要。Stam[85]分析了主要影響無人機(jī)攝影測(cè)量精度的因素，首先通過共線方程分析了機(jī)載GPS與慣性測(cè)量元件(inertial measurement unit，IMU)誤差引起的垂直誤差是水平誤差的1.5倍；其次數(shù)字相機(jī)的性能高低也是產(chǎn)生誤差的原因，普通單反相機(jī)會(huì)造成影像產(chǎn)生鏡頭畸變，鏡頭畸變普遍中間小、邊緣大，鏡頭畸變存在不同的類型，圖3所示為鏡頭畸變類型示意圖。

圖3 鏡頭畸變類型示意圖Fig.3 Schematic diagram of lens distortion type

鏡頭畸變會(huì)使物點(diǎn)。投影中心、像點(diǎn)不能共線，從而導(dǎo)致空間后交精度低、產(chǎn)生三維重構(gòu)模型變形現(xiàn)象，由于鏡片自身等方面的誤差，鏡頭畸變的變形量可以構(gòu)建如下數(shù)學(xué)模型來表示[86]：

φx(x，y)=k1x(x2+y2)+[q1(3x2+y2)+2q2xy]+s1(x2+y2)

(1)

φy(x，y)=k2y(x2+y2)+[q2(3x2+y2)+2q1xy]+s2(x2+y2)

(2)

式中：φx、φy分別為像素點(diǎn)在X和Y方向上的變形量；x、y分別為像素點(diǎn)在空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)；k1、k2為徑向畸變系數(shù)；q1、q2為離心畸變系數(shù)；s1、s2為薄棱鏡畸變系數(shù)。對(duì)于攝影測(cè)量存在鏡頭畸變的問題，朱虹等[87]利用雙線陣CCD(charge coupled device)標(biāo)定及鏡頭畸變校正方法，對(duì)姿態(tài)角和鏡頭畸變進(jìn)行校正，結(jié)果表明標(biāo)定和校正精度能夠滿足三維建模的需要。Sam等[88]提出了一種基于圖像處理器(GPU)的幾何透鏡畸變實(shí)時(shí)校正方法，而無需額外的數(shù)字圖像處理硬件。

此外，在無人機(jī)相關(guān)硬件設(shè)備方面，高精度、穩(wěn)定的傳感器設(shè)備被制造出來，同時(shí)在空間定位技術(shù)上，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)越來越多與GNSS技術(shù)、RTK技術(shù)相結(jié)合，使得無人機(jī)在航測(cè)時(shí)，不僅能夠準(zhǔn)確記錄影像信息，也能夠?qū)τ诳臻g信息精確定位，在拍攝的影像上自動(dòng)選取控制點(diǎn)，并用于后期數(shù)據(jù)處理，保證了處理結(jié)果的精度與質(zhì)量。

4 無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)展望

4.1 更加精細(xì)的滑坡變形攝影測(cè)量

無人機(jī)在高空拍攝的影像上會(huì)受到大氣散射、天氣、光照強(qiáng)度、信號(hào)干擾等外界因素的影響，因此滑坡的現(xiàn)場(chǎng)航測(cè)會(huì)存在一定誤差。目前，一些間接的方法可以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，能夠提高的量測(cè)方法分為絕對(duì)測(cè)量精度與相對(duì)測(cè)量精度。

提高絕對(duì)測(cè)量精度方法：在考慮合理成本情況下，購置高精度的GPS與IMU可以提高水平與垂直方向的精度；每次航拍任務(wù)前后對(duì)相機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)，將畸變參數(shù)均用于空三處理；對(duì)區(qū)域滑坡調(diào)查采用分散監(jiān)測(cè)的航測(cè)方式。提高相對(duì)測(cè)量精度方法：選擇易于識(shí)別地面控制點(diǎn)并準(zhǔn)確量測(cè)其三維坐標(biāo)；合理的增加無人機(jī)航測(cè)周期，利于滑坡位移量的逐漸積累。

隨著無人機(jī)性能的不斷提升，穩(wěn)定性不斷加強(qiáng)，無人機(jī)航測(cè)作業(yè)時(shí)受到現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件影像會(huì)不斷減小，所拍攝的影像數(shù)據(jù)在質(zhì)量與精度上一定會(huì)有顯著提高。

4.2 更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理結(jié)果

影像匹配一直是攝影測(cè)量的核心問題，如何找到快速、精確和可靠的匹配算法是今后研究的方向之一。由于后期數(shù)據(jù)處理時(shí)不僅在定位控制點(diǎn)時(shí)存在誤差，軟件與算法同樣會(huì)存在著系統(tǒng)誤差。因此對(duì)無人機(jī)影像做畸變差糾正是必不可少的工作。在軟件與算法上改進(jìn)，研發(fā)穩(wěn)定、高效、準(zhǔn)確的影像配準(zhǔn)方法，并且構(gòu)建GPU地理編碼系統(tǒng)。在圖像融合過程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡體的快速識(shí)別，以及準(zhǔn)確量測(cè)滑坡體的特征。

在今后隨著計(jì)算機(jī)功能的不斷增強(qiáng)、算法與軟件的不斷升級(jí)、價(jià)格不斷下降和解析方式的靈活性，都促使解析攝影測(cè)量技術(shù)迅速發(fā)展，最終處理出更加精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)果。

5 結(jié)論

(1)在滑坡演化特征與早期識(shí)別研究中，相比遙感監(jiān)測(cè)手段，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取時(shí)間靈活、數(shù)據(jù)處理周期短、技術(shù)成本低及無人機(jī)可重復(fù)使用的特點(diǎn)；相比傳統(tǒng)測(cè)量方法，無人機(jī)的工作效率更高，現(xiàn)場(chǎng)工作人員工作強(qiáng)度較低；與地面變形監(jiān)測(cè)手段相比，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)擁有更廣的觀測(cè)范圍和更靈活觀測(cè)角度。

(2)基于無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的滑坡變形相關(guān)研究，其中區(qū)域滑坡研究能夠充分顯示時(shí)空分布規(guī)律與發(fā)育特征；對(duì)于單體滑坡研究通過多期次模型對(duì)比，能夠充分認(rèn)識(shí)單體滑坡發(fā)展過程；同時(shí)利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還能夠?qū)逻M(jìn)行定量化分析，并構(gòu)建三維模型用于滑坡變形相關(guān)研究。

(3)無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)一定會(huì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來發(fā)展出更精確、高效、經(jīng)濟(jì)的無人機(jī)攝影測(cè)量與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，無論在硬件、軟件及算法上都會(huì)提高數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性。更加準(zhǔn)確的處理結(jié)果有助于更好地進(jìn)行滑坡變形演化規(guī)律與早期識(shí)別相關(guān)研究，而在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三維模型分析與評(píng)價(jià)也將成為研究的熱點(diǎn)，進(jìn)一步推動(dòng)該領(lǐng)域的拓展和應(yīng)用。