CN105865427A - 一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法。技术步骤包括：小型无人机遥感系统定制；室内准备；现场作业；快速处理；全面处理。其目的在于，基于边坡特征开展快速有效的像控点布设和测量，同时利用小型无人机遥感系统自动采集边坡像片，通过在数字摄影测量处理过程中引入像控点，生成边坡的高精度及高分辨率遥感成果，再对通过精度检验以及高精度配准的前后两期遥感成果开展边坡变形检测及量算，从而快速、高效、准确地获取边坡的整体变形特征。

Description

一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法

技术领域

本发明涉及一种地质灾害应急调查方法，具体的是一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法。

背景技术

应急调查是地质灾害应急处置的首要和基础环节，其通过快速查明地质灾害体的地质结构和环境条件为地质灾害应急处置提供科学依据，因此必须突出“快”且“高效”，即在尽量短的时间内为科学确定减灾方案提供尽量准确、完整、详细的相关信息。

无人机遥感技术开始被广泛应用于地质灾害应急调查，但目前仍主要集中在对重大自然灾害（如地震）突发后进行大面积地质灾害的应急调查和灾情损失评估，采用的是相对大型、复杂和专业的无人机遥感系统，并且需要经过非常专业且时间相对较长的后期成果处理。事实上，绝大多数需要进行应急处理的都是中小型单体地质灾害，对这些灾害的应急处置通常要求在数天甚至数小时内完成，这种情况下采用更为简单灵活的小型无人机遥感系统更为适宜。然而目前基于小型无人机遥感系统开展单体地质灾害应急调查，还未建立起一套行之有效的方法体系，从而大大限制了相关应用。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明推出一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，其目的在于，基于边坡特征开展快速有效的像控点布设和测量，同时利用小型无人机遥感系统自动采集边坡像片，通过在数字摄影测量处理过程中引入像控点，生成边坡的高精度及高分辨率遥感成果，再对通过精度检验以及高精度配准的前后两期遥感成果开展边坡变形检测及量算，从而快速、高效、准确地获取边坡的整体变形特征。

针对上述存在的问题，本发明推出一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，其目的在于，在定制适于单体地质灾害应急调查的小型无人机遥感系统基础上，全面、系统地建立包括室内准备→现场作业→快速处理→全面处理的基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，从而保障快速、高效、准确地获取单体地质灾害特征信息，为地质灾害应急处置方案制定提供支撑，进而大大提升地质灾害应急处置效率。

本发明涉及的一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，技术步骤包括： S1：小型无人机遥感系统定制；S2：室内准备；S3：现场作业；S4：快速处理；S5：全面处理。

所述步骤S1 中适于单体地质灾害应急调查的小型无人机遥感系统，其主要技术特征包括：系统由多旋翼小型无人机、航摄、地面控制、地面监测等四个子系统构成；多旋翼小型无人机子系统采用多旋翼碳纤维机身，配备稳定的飞行控制系统以及高性能GPS、数据传输模块；航摄子系统采用2000万像素以上的普通数码相机或单反相机，加装可以实时稳定并调节镜头方向的相机云台，同时配备图像叠加模块及图像发送模块；地面控制子系统包括地面控制站及遥控器，其中地面控制站采用便携式笔记本电脑安装与飞行控制系统相匹配的控制站软件，支持航线规划、飞行控制及参数设置功能，遥控器支持随时切换飞行器自动或手动飞行模式、随时调节相机云台角度以及控制拍摄，同时地面控制子系统还配备数据传输模块，以便与飞行控制系统进行交互通信；地面监视子系统通过图像接收模块，能将飞行器上通过图像叠加及发送模块传送的实时影像与飞行参数信息实时显示在地面监视器上。

所述步骤S2 中的电池充电，应在开展地质灾害应急调查现场作业前的室内准备工作中完成，即在未确认现场作业时间之前不使用无人机的情况下，系统配备的各类锂电池均不应满电或空电放置，而应一般保持电压在3.8V左右，以延长电池使用寿命。

所述步骤S2 中的系统初检，主要是室内检查无人机核心部件，包括飞行控制系统、地面控制站、云台相机、数传及图传系统等功能是否正常，以避免现场作业时遭遇无法及时解决的核心部件故障，进而导致应急调查失败。

所述步骤S2 中的初步航线规划，方法是根据事先获知的灾害体位置信息，基于卫星地图（如谷歌地球、必应地图等）大致圈定灾害体可能致灾范围，并针对该范围进行航线规划，主要内容包括起降点的初选以及平面航线模式规划。如果事先未获知灾害体具体位置信息，此步骤可省略。

所述步骤S3 中的环境考察评估，内容分为灾害体周边环境考察，包括地形地貌、局地气象条件、高空及地面设施分布、可视范围及通视情况、起降地点选择、飞行范围确定等；灾害体特征考察，包括灾害体及影响范围的地形地貌、平面分布特征、高程变化特征、规模特征（长、宽、面积等）；实施条件考察，包括GPS信号强度及稳定性、地面像控点的布设方案等。其主要目的是根据现场灾害体及周边环境特征，确定适宜的小型无人机遥感应急调查实施方案。

所述步骤S3 中的确定调查方案，分为自动调查和手动调查两种方案。绝大多数情况下应采用自动调查方案，该方案是利用无人机自带GPS信息，使系统按照详细规划航线进行自主飞行和自动拍摄像片。但以下情况宜采用手动调查方案，一是在深山峡谷等无GPS信号或信号不稳定区域，二是灾害体范围极小、通视情况良好的区域，手动调查完全依靠手动控制飞行器的飞行及像片拍摄，该方案的飞行安全性及像片拍摄质量一般相对自动方式较低，更加快速、机动、灵活。

所述步骤S3 中的自动调查方案，实施步骤为像控点布设及测量、系统组装、系统全检、详细航线规划、参数设置及自主飞行拍摄。

所述步骤S3 中的手动调查方案，实施步骤为像控点布设及测量、系统组装、系统全检及自主飞行拍摄。

所述步骤S3 中的像控点布设，方法为：在飞行范围内直接选择和标识在无人机拍摄像片上可以清晰可辨的特征点，如房屋、公路、出露基岩等作为像控点；而在无直接可辨特征点的位置，可在地面放置像片上可以清晰可辨的辅助标志，如白色背景中的黑色十字标识牌，以标识像控点位置；根据飞行范围大小，一般布设3-5处像控点即可，且像控点分布应尽量均匀，构成等边三角网或四边形网为宜。另外，像控点布设应在无人机采集像片之前完成，以保证像片上可以清楚分辨所有像控点标识。

所述步骤S3 中的像控点的测量，方法为：绝大多数情况下应优先选择GPS RTK测量技术；在无GPS信号或信号不稳定区域，宜选择全站仪测量技术。像控点的测量目的是获得高精度三维坐标。像控点测量时间不受无人机采集像片时间限制，可在任意时刻进行，如在采集同时进行，则应保证像控点标识不被遮挡，仍能在像片上清晰可见。

所述步骤S3 中的系统组装，其方法是对定制的小型无人机遥感系统采用模块化设计，在赴应急调查现场途中拆卸后既节省空间又更好地保护各模块，避免因交通工具运输可能带来的损坏，而在到达现场后，通过快速组装形成完整系统。系统组装可在像控点布设及测量工作开展同时进行。

所述步骤S3 中的系统全检，方法是在接通电源情况下对各子系统部件进行全面检查，包括所有电池电量、飞控系统、GPS、电子罗盘、云台、相机、数传系统、图传系统、遥控器及地面监视器等是否正常，其主要目的是确保正式起飞作业前排除所有可能故障隐患，保障飞行安全及拍摄像片质量，不可省略。

所述步骤S3中的详细航线规划，应根据灾害体分布范围及其周边地形选择不同的航线类型，主要分为三类：针对缓倾斜坡地形的平面网格型、针对悬崖陡壁地形的垂直网格型、针对陡缓结合地形的组合网格型。

在针对坡度较缓（﹤40°）地形上分布范围较大的灾害体，如缓倾滑坡，航线类型应采用覆盖灾害体表面范围的平面网格型，并保持相机镜头始终垂直向下（镜头方向0°）。航线高度则应动态调整以适应灾害体及斜坡高程变化，原则上始终保持无人机距离地表高度相对固定（50 m ~ 100 m之间）为宜。

在针对坡度极陡地形（﹥60°）上发育的灾害体，如悬崖陡壁上的危岩体，航线类型应采用平行直立面覆盖灾害体外侧范围的垂直网格型，并保持相机镜头始终水平指向灾害体（镜头方向90°）。所有水平航线的平面位置可以重叠，只是高度存在变化。同时，保持无人机距灾害体直立面的距离相对固定（40 m ~ 80 m）为宜。

在针对坡度陡缓结合地形上分布的灾害体，如陡崖残留危岩体与斜坡崩塌堆积体构成的灾害体，航线类型应采用组合网格型，即先用平面网格覆盖缓坡灾害体范围，接着用垂直网格覆盖陡坡灾害体范围。镜头方向在平面网格部分保持垂直向下指向地面（镜头方向0°），在垂直网格部分则由低航线到高航线逐渐抬起镜头，即根据实际情况将镜头方向从0°逐渐增加到90°（可以按照15°或30°的间隔沿水平航线逐条增加）。距地面高度及距陡立面距离按照平面网格型和垂直网格型设定。

详细航线规划应以平面网格型、垂直网格型及组合网格型为基础，再根据灾害体具体特征进行灵活优化实施，但无论采用何种航线类型，都应始终保证像片航向重叠率75%以上，旁向重叠率60%以上。

所述步骤S3中的详细航线规划，现场实施时还应注意：无论是否进行过室内初步航线规划，在现场都必须根据无人机自带GPS获取的实际位置对航线及飞行范围进行准确校正；航线覆盖范围要大于灾害体实际分布范围，以保证灾害体范围内的像片有足够的重叠率；应在灾害体坡脚附近位置设置起始航线，逐渐向上飞行拍摄直到灾害体坡顶附近位置设置结束航线，即始终保持无人机在调查过程中由低往高飞行，以充分利用无人机在上升飞行过程中更加稳定的特点；对规划航线进行仔细检查确认无误后必须导入飞行控制系统生效。

所述步骤S3中的参数设置，包括设置飞行速率、拍摄速率以及各控制参数，其中飞行速率建议设为10米/秒~20米/秒之间，相机拍摄速率不低于1秒/张。

所述步骤S3中的自主飞行拍摄，应选择相对开阔平整的起降地点开始正式飞行，正常情况下，无人机应按规划航线进行自主飞行并自动拍摄像片。飞行过程应密切监视飞行状态以保证飞行安全，三人参与实施最为合适：主操作员负责通过地面控制站监视飞行过程是否与航线吻合，而当发现非正常情况时则负责通过遥控器切换手动操控无人机；主监控员通过地面监视器实时观察飞行影像、相机拍照及参数变化，并将相关信息及时通知主操作员；副监控员通过目视或望远镜实时跟踪观察飞行器的飞行姿态变化以及周边环境，并尽量提前发现飞行隐患，及时告知主操作员进行应急处理。飞行完成后，应及时检查像片质量及无人机各模块状态是否正常。

所述步骤S3中的手动飞行拍摄，其方法是手动控制飞行及像片拍摄，即整个过程完全依靠操作人员通过遥感器进行手动操控。参与实施人员分工为：主操作员始终负责操控无人机的飞行过程；主监控操作员除了通过监视器监控飞行过程和状态外，还需负责通过另一遥控器操控相机镜头方向及像片拍摄；副监控员通过目视或望远镜实时跟踪观察飞行器的飞行姿态变化以及周边环境，提前发现异常并及时告知主操作员进行应急处理。同样，飞行完成后更应及时检查像片质量及无人机各模块状态是否正常，尤其注意像片拍摄是否清晰、灾害体覆盖范围是否完整以及像片重叠率是否满足要求。

所述步骤S4中的快速处理，是在现场飞行拍摄结束后立即采用笔记本电脑，对小型无人机遥感系统拍摄到的单体地质灾害像片，进行十几到几十分钟的快速处理，以获得灾害体的粗精度成果，从而为现场应急处置方案的快速决策提供支持。其步骤包括像片预处理、SfM快速处理、生成粗精度成果及应用。

所述步骤S4中的像片预处理，包括导出飞行日志，根据时间将GPS信息写入对应像片，再去除少量存在质量问题（例如模糊）像片。

所述步骤S4中的SfM快速处理，其过程包括降低写入GPS信息的原始像片分辨率，然后进行自动空三测量与区域网平差处理，以生成地质灾害体的三维点云。

所述步骤S4中的生成粗精度成果，方法是首先加密三维点云，再以此为基础生成数字表面模型、数字正射影像、三维模型等遥感成果。

所述步骤S4中的粗精度成果应用，包括快速量算以获得地质灾害体的基本特征数据，如长、宽、高、面积等，以及定性评估灾害体及周边环境的三维地形地貌特征，可为以定性为主的现场应急处置方案快速决策提供支持。

所述步骤S5中的全面处理，是利用高性能台式机、图像工作站等，对原始像片进行SfM处理，并通过加入像控点将成果精度提升到厘米甚至毫米级的处理和应用过程，常需一到几个小时，主要用于支持后期对地质灾害体的详细处置方案设计。其步骤包括SfM全面处理、生成高精度成果以及高精度成果应用。

所述步骤S5中的SfM全面处理，方法是采用写入GPS信息的原始像片，经自动空三测量与区域网平差处理，生成三维点云，再通过引入像控点的高精度三维坐标，生成精度在厘米级甚至毫米级的高精度三维点云。

所述步骤S5中的生成高精度成果，方法是首先加密三维点云，再以此为基础生成数字表面模型、数字正射影像、三维模型等遥感成果。

所述步骤S5中的高精度成果应用，主要是根据高精度数字地形模型，再结合数字正射影像及三维可视化模型，制作大比例尺高精度地形图及各类平面图、设计图等，并准确量化灾害体特征等，以支持后期对地质灾害体的详细处置方案设计。

本发明有如下有益效果：

本发明是一套全面、系统的基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，涵盖了从适宜单体地质灾害应急调查的小型无人机遥感系统定制，到包括室内准备、现场作业、快速处理及全面处理在内的完整技术方法体系和实施流程，据此开展基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查，不仅可以大大降低现场工作时间、强度以及风险，而且可以实现在数小时内提供整体与细节兼顾、全方位、多角度、可视化的高精度遥感成果及信息，真正满足地质灾害应急调查既“快”且“高效”的客观需求，并进而为地质灾害应急处置方案制定提供支撑，以大大提升应急处置效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明所述的基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法的流程图。

图2为本发明所涉及的小型无人机遥感系统。

图3为本发明所涉及的基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法中室内准备工作的流程图。

图4为本发明所涉及的基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法中现场作业工作的流程图。

图5为本发明所涉及的基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法中针对缓倾斜坡地形规划的平面网格型航线示意图。

图6为本发明所涉及的基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法中针对悬崖陡壁地形规划的垂直网格型航线示意图。

图7为本发明所涉及的基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法中针对坡度陡缓结合地形规划的组合网格型航线示意图。

图8为本发明所涉及的基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法中快速处理工作的流程图。

图9为本发明所涉及的基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法中全面处理工作的流程图。

具体实施方式

结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。如图1所示，本发明所述的一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，技术步骤包括：小型无人机遥感系统定制S1；室内准备S2；现场作业S3；快速处理S4；全面处理S5。

S1、小型无人机遥感系统定制

考虑到绝大多数单体地质灾害规模较小，但要么常位于地形高差较大的山谷斜坡，人眼可视范围有限，局部气象条件变化迅速（如风力风向不定），要么位于交通要道或人群密集场所（如旅游景区），其周边或上方常存在通讯、电力等高空设施。因此，为满足单体地质灾害应急调查需求，定制小型无人机遥感系统见图2，其主要技术特征包括：系统由多旋翼小型无人机、航摄、地面控制、地面监测等四个子系统构成；多旋翼小型无人机子系统采用多旋翼碳纤维机身，配备稳定的飞行控制系统以及高性能GPS、数据传输模块；航摄子系统采用2000万像素以上的普通数码相机或单反相机，加装可以实时稳定并调节镜头方向的相机云台，同时配备图像叠加模块及图像发送模块；地面控制子系统包括地面控制站及遥控器，其中地面控制站采用便携式笔记本电脑安装与飞行控制系统相匹配的控制站软件，支持航线规划、飞行控制及参数设置功能，遥控器支持随时切换飞行器自动或手动飞行模式、随时调节相机云台角度以及控制拍摄，同时地面控制子系统还配备数据传输模块，以便与飞行控制系统进行交互通信；地面监视子系统通过图像接收模块，将飞行器上通过图像叠加及发送模块传送的实时影像与飞行参数（如飞行速度、飞行高度、GPS信号强度、电池电量等）信息，实时显示在地面监视器上，以便操作人员对飞行过程进行有效决策和控制。

该适于开展单体地质灾害应急调查的小型无人机遥感系统，具备以下特征：体积小、重量轻、强度大、便于携带；起降场地要求低、飞行过程稳定性好、支持定点悬停；支持按规划航线自主飞行拍摄与手动控制自由飞行拍摄两种模式；设置、起降、飞行、拍摄等过程控制简单、灵活方便；飞行控制系统稳定、故障率低；抗风能力强，拍摄装置稳定，相机镜头方向随时可调，像片拍摄清晰；地面能实时掌握系统状态和飞行画面，便于提前采取应急措施；单次飞行时间20分钟左右，绝大多数情况下一次飞行可覆盖单体地质灾害范围，如遇较大面积灾害体，也可通过快速更换备用电池进行分次飞行加以弥补。

S2、室内准备

在开展地质灾害应急调查现场工作之前，进行室内准备是必要的，且有利于提升现场工作效率。室内准备工作如图3所示，包括电池充电、系统初检和初步航线规划。

S2-1、电池充电

由于多旋翼小型无人机系统目前配备的各种电池（包括无人机机载电池、相机电池、地面监控站电池、遥控器电池及监视器电池等）均为锂电池，为延长这类电池使用寿命，在不使用时不能满电或空电，而是一般保持电压在3.8V左右。因此，将系统各类电池充满电是室内准备的重要工作。

S2-2、系统初检

初步检测无人机核心部件，主要包括飞行控制系统、地面控制站、云台相机、数传及图传系统等功能是否正常，以避免现场作业时遭遇无法及时解决的核心部件故障，进而导致应急调查失败。

S2-3、初步航线规划

根据事先获知的灾害体位置信息，基于卫星地图（如谷歌地球、必应地图等）大致圈定灾害体可能致灾范围，并针对该范围进行初步航线规划，主要内容包括起降点的初选以及平面航线模式规划。进行室内初步航线规划可以节省现场详细规划时间，从而进一步提升现场应急调查效率。但如果事先无法获知灾害体的具体位置信息，则此步骤可以省略，而改为直接在现场进行详细航线规划。

S3、现场作业

现场作业是利用小型无人机遥感开展地质灾害应急调查工作的关键核心，首先应进行灾害体环境考察评估以确定应急调查方案，再根据不同方案开展相应现场工作，具体步骤如图4所示。

S3-1、环境考察评估

环境考察评估的目的是根据现场灾害体及周边环境特征，确定适宜的小型无人机遥感应急调查实施方案，具体分为：灾害体周边环境考察，包括地形地貌、局地气象条件、高空及地面设施分布、可视范围及通视情况、起降地点选择、飞行范围确定等；灾害体特征考察，包括灾害体及影响范围的地形地貌、平面分布特征、高程变化特征、规模特征（长、宽、面积等）；实施条件考察，包括GPS信号强度及稳定性、地面像控点的布设方案等。

S3-2、调查方案确定

综合环境考察结果，评估并确定小型无人机应急调查方案，分为自动调查和手动调查两种方案。绝大多数情况下推荐采用自动调查方案，该方案能充分利用无人机自带的GPS信息，使系统按照详细规划航线进行自主飞行和自动拍摄像片，不仅安全可靠，而且拍摄质量可以自动满足后期成果处理要求（如像片航向和旁向重叠率）。但以下情况推荐采用手动调查方案，一是在深山峡谷等无GPS信号或信号不稳定区域，二是灾害体范围极小、通视情况良好的区域，手动调查完全依靠手动控制飞行器的飞行及像片的拍摄，这种方案的飞行安全性及像片拍摄质量一般相对自动方式较低，但却省去了详细航线规划等步骤，因此更加快速、机动、灵活。如果确定自动调查方案，则依次实施下述S3-3 ~ S3-8；如确定手动调查方案，则依次实施下述S3-3 ~ S3-5、S3-9。

S3-3、像控点布设及测量

像控点可以提供高精度三维坐标，其主要目的是为大大提升后期处理成果精度。故建议无论是自动还是手动调查方案，都在地面进行像控点的布设及测量。

像控点布设方法为：在飞行范围内，直接选择和标识在无人机拍摄像片上可以清晰可辨的特征点，如房屋、公路、出露基岩等作为像控点；而在无直接可辨特征点的位置，可在地面放置像片上可以清晰可辨的辅助标志，如白色背景中的黑色十字标识牌，以标识像控点位置；根据飞行范围大小，一般布设3-5处像控点即可，且像控点分布应尽量均匀，构成等边三角网或四边形网为宜。另外，像控点布设应在无人机采集像片之前完成，以保证像片上可以清楚分辨所有像控点标识。

像控点测量方法包括：绝大多数情况下，优先选择GPS RTK测量技术；在无GPS信号或信号不稳定区域，宜选择全站仪测量技术。然后按照相应控制测量方法，获得像控点的高精度三维坐标。此外，像控点测量时间不受无人机采集像片时间限制，可在任意时刻进行，如在采集同时进行测量，则应保证像控点标识不被遮挡，仍能在像片上清晰可见。

S3-4、系统组装

此步骤可在像控点布设及测量工作开展的同时进行。定制的小型无人机遥感系统采用模块化设计，拆卸后既能节省空间又能更好地保护各模块，以适应赴应急调查现场途中因交通工具运输可能带来的损坏；到达现场后，各模块又可快速组装形成完整系统。

S3-5、系统全检

系统组装完成后，在接通电源情况下对各子系统部件进行全面检查，包括所有电池电量、飞控系统、GPS、电子罗盘、云台、相机、数传系统、图传系统、遥控器及地面监视器等是否正常。系统全检的主要目的是确保正式起飞作业前排除所有可能故障隐患，以保障飞行安全及拍摄像片质量，不可省略。

S3-6、详细航线规划

自动调查方案必须进行详细航线规划，其既能保障飞行过程安全可靠，也能保证拍摄到满足灾害体遥感成果处理要求的高质量像片组。如果在室内准备过程中已进行了初步航线规划S2-3，则详细航线规划应以初步规划航线为基础，否则在现场直接进行详细航线规划。

为提高应急调查实施效率，应根据灾害体分布范围及其周边地形选择不同的规划航线类型，主要分为三类：

（1）针对缓倾斜坡地形的平面网格型。如图5，该类型主要针对坡度较缓（﹤40°）地形上分布范围较大的灾害体，如缓倾滑坡。对这类灾害体进行应急调查的主要目的是获得平面地形和垂直向下的正射影像，故规划航线应采用覆盖灾害体表面范围的平面网格模式，并保持相机镜头始终垂直向下（镜头方向0°）。航线高度则应动态调整以适应灾害体及斜坡高程变化，原则上始终保持无人机距离地表高度相对固定（50 m ~ 100 m之间）为宜。

（2）针对悬崖陡壁地形的垂直网格型。如图6，该类型主要针对坡度极陡地形（﹥60°）上发育的灾害体，如悬崖陡壁上的危岩体。常规的平面地形和垂直向下的正射影像无法反映这类灾害体特征，应急调查应以获取其三维模型及直立面影像为目的，故规划航线应采用平行直立面覆盖灾害体外侧范围的垂直网格模式，并保持相机镜头始终水平指向灾害体（镜头方向90°）。所有水平航线的平面位置可以重叠，只是高度存在变化。同时，保持无人机距灾害体直立面的距离相对固定（40 m ~ 80 m）为宜。

（3）针对陡缓结合地形的组合网格型：如图7，该类型主要针对坡度陡缓结合地形上分布的灾害体，如陡崖残留危岩体与斜坡崩塌堆积体构成的灾害体。应急调查既需要获得平面地形和垂直向下的正射影像，同时还需获得三维模型及直立面影像来展示其陡立部分，故规划航线应采用组合网格型，即先用平面网格覆盖缓坡灾害体范围，接着用垂直网格覆盖陡坡灾害体范围。镜头方向在平面网格部分保持垂直向下指向地面（镜头方向0°），在垂直网格部分则由低航线到高航线逐渐抬起镜头，即根据实际情况将镜头方向从0°逐渐增加到90°（可以按照15°或30°的间隔沿水平航线逐条增加）。距地面高度及距陡立面距离按照平面网格型和垂直网格型设定。

详细规划航线以上述三种类型为基础，但应根据灾害体的具体特征进行灵活优化实施。无论如何，规划航线应保证像片的航向重叠率75%以上，旁向重叠率60%以上，否则会严重影响后期成果处理范围及精度。此外，在现场进行详细航线规划时，还应注意：①无论是否进行过室内初步航线规划，在现场都必须根据无人机自带GPS获取的实际位置对航线及飞行范围进行准确校正；②航线覆盖范围要大于灾害体的实际分布范围，以保证灾害体范围内的像片有足够的重叠率；③应在灾害体坡脚附近位置设置起始航线，逐渐向上飞行拍摄直到灾害体坡顶附近位置设置结束航线，即始终保持无人机在调查过程中由低往高飞行，以充分利用无人机在上升飞行过程中更加稳定的特点；④ 对规划航线进行仔细检查确认无误后必须导入飞行控制系统生效。

S3-7、参数设置

设置飞行速率、拍摄速率以及各控制参数，其中飞行速率建议设为10米/秒~20米/秒之间，相机拍摄速率不低于1秒/张。

S3-8、自主飞行拍摄

选择相对开阔平整的起降地点开始正式飞行，正常情况下，无人机应按规划航线进行自主飞行并自动拍摄像片。飞行过程应密切监视飞行状态以保证飞行安全，三人参与实施最为合适：主操作员负责通过地面控制站监视飞行过程是否与航线吻合，而当发现非正常情况时则负责通过遥控器切换手动操控无人机；主监控员通过地面监视器实时观察飞行影像、相机拍照及参数变化，并将相关信息及时通知主操作员；副监控员通过目视或望远镜实时跟踪观察飞行器的飞行姿态变化以及周边环境，并尽量提前发现飞行隐患，及时告知主操作员进行应急处理。飞行完成后，应及时检查像片质量及无人机各模块状态是否正常。

S3-9、手动飞行拍摄

手动控制飞行及像片拍摄，整个过程完全依靠操作人员通过遥感器进行手动操控，其飞行安全及像片拍摄质量易受影响，故飞行过程更应加强飞行状态监控。与自主飞行拍摄过程中人员分工不同的是，主操作员始终负责操控无人机的飞行过程，主监控操作员除了通过监视器监控飞行过程和状态外，还需负责通过另一遥控器操控相机镜头方向及像片拍摄，副监控员仍然通过目视或望远镜实时跟踪观察飞行器的飞行姿态变化以及周边环境，提前发现异常并及时告知主操作员进行应急处理。同样，飞行完成后更应及时检查像片质量及无人机各模块状态是否正常，尤其注意像片拍摄是否清晰、灾害体覆盖范围是否完整以及像片重叠率是否满足要求。

S4、快速处理

在现场飞行拍摄结束后，立即采用笔记本电脑对降低分辨率的像片进行数字摄影测量快速处理，一般仅需十几到几十分钟即能获得地质灾害体的粗精度成果，从而为现场应急处置方案的快速决策提供支持。具体步骤见图8。

S4-1、像片预处理

导出飞行日志，根据时间将GPS信息写入对应像片，再去除少量存在质量问题（例如模糊）像片。

S4-2、SfM快速处理

相比较于传统的数字摄影测量方法，现场快速处理采用SfM（Structure from Motion，基于运动视觉的三维结构重建）方法更为简单高效，其仅需一组目标物体的重叠像片就可快速生成三维遥感影像成果，而对相机拍摄位置、图像尺度及拍摄焦距等均没有要求。其快速处理过程包括降低写入GPS信息的原始像片分辨率，再经过自动空三测量与区域网平差处理，以生成地质灾害体的三维点云。

S4-3、生成粗精度成果

加密三维点云，并以此为基础生成数字表面模型、数字正射影像、三维模型等遥感成果。由于快速处理仅利用了像片的GPS信息，因此生成的成果精度完全依赖于GPS精度，故绝对定位误差可能达到米级。

S4-4、粗精度成果应用

根据粗精度遥感成果，快速量算以获得地质灾害体的基本特征数据，如长、宽、高、面积等，同时定性评估灾害体及周边环境的三维地形地貌特征。虽然存在米级误差，但可为以定性为主的现场应急处置方案快速决策提供重要支持。

S5、全面处理

利用高性能台式机、图像工作站等，对原始像片进行SfM全面处理，并通过加入像控点将成果精度提升到厘米甚至毫米级。全面处理常需一到几个小时，故主要用于支持后期对地质灾害体的详细处置方案设计。具体步骤见图9。

S5-1、SfM全面处理

采用写入GPS信息的原始像片，经自动空三测量与区域网平差处理，生成三维点云，再通过引入像控点的高精度三维坐标，即可生成精度在厘米级甚至毫米级的高精度三维点云。

S5-2、生成高精度成果

加密三维点云，并以此为基础生成数字表面模型、数字正射影像、三维模型等遥感成果。源于三维点云精度，生成的各种遥感成果也具备厘米级甚至毫米级的高精度特征。

S5-3、高精度成果应用

根据高精度数字地形模型，再结合数字正射影像及三维可视化模型，可以进一步制作大比例尺高精度地形图以及各类平面图、设计图等，同时可准确量化灾害体特征等，从而支持后期对地质灾害体的详细处置方案设计。

本发明实施的基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，涵盖了从适宜的小型无人机遥感系统定制，到包括室内准备、现场作业、快速处理及全面处理在内的完整技术方法体系和实施流程，据此开展基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查，不仅可以大大降低现场工作时间、强度以及风险，而且可以实现在数小时内提供整体与细节兼顾、全方位、多角度、可视化的高精度遥感成果及信息，真正满足地质灾害应急调查既“快”且“高效”的客观需求，并进而为地质灾害应急处置方案制定提供支撑，以大大提升应急处置效率。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，其特征在于，技术步骤包括：S1：小型无人机遥感系统定制；S2：室内准备；S3：现场作业；S4：快速处理；5：全面处理；

所述步骤S1 中适于单体地质灾害应急调查的小型无人机遥感系统，其主要技术特征包括：系统由多旋翼小型无人机、航摄、地面控制、地面监测四个子系统构成；多旋翼小型无人机子系统采用多旋翼碳纤维机身，配备稳定的飞行控制系统以及高性能GPS、数据传输模块；航摄子系统采用2000万像素以上的普通数码相机或单反相机，加装可以实时稳定并调节镜头方向的相机云台，同时配备图像叠加模块及图像发送模块；地面控制子系统包括地面控制站及遥控器，其中地面控制站采用便携式笔记本电脑安装与飞行控制系统相匹配的控制站软件，支持航线规划、飞行控制及参数设置功能，遥控器支持随时切换飞行器自动或手动飞行模式、随时调节相机云台角度以及控制拍摄，同时地面控制子系统还配备数据传输模块，以便与飞行控制系统进行交互通信；地面监视子系统通过图像接收模块，能将飞行器上通过图像叠加及发送模块传送的实时影像与飞行参数信息实时显示在地面监视器上；

所述步骤S2中室内准备包括电池充电、系统初检和初步航线规划；

所述步骤S2 中的电池充电，应在开展地质灾害应急调查现场作业前的室内准备工作中完成，即在未确认现场作业时间之前不使用无人机的情况下，系统配备的各类锂电池均不应满电或空电放置，而应一般保持电压在3.8V左右，以延长电池使用寿命；

所述步骤S2 中的系统初检，主要是室内检查无人机核心部件，包括飞行控制系统、地面控制站、云台相机、数传及图传系统功能是否正常，以避免现场作业时遭遇无法及时解决的核心部件故障，进而导致应急调查失败；

所述步骤S2 中的初步航线规划，方法是根据事先获知的灾害体位置信息，基于卫星地图（如谷歌地球、必应地图等）大致圈定灾害体可能致灾范围，并针对该范围进行航线规划，主要内容包括起降点的初选以及平面航线模式规划，如果事先未获知灾害体具体位置信息，此步骤可省略；

所述步骤S3中现场作业包括环境考察评估、确定调查方案、自动调查方案和手动调查方案。

2.根据权利要求1所述的一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，其特征在于，所述步骤S3 中的环境考察评估，内容分为灾害体周边环境考察，包括地形地貌、局地气象条件、高空及地面设施分布、可视范围及通视情况、起降地点选择、飞行范围确定；灾害体特征考察，包括灾害体及影响范围的地形地貌、平面分布特征、高程变化特征、规模特征（长、宽、面积等）；实施条件考察，包括GPS信号强度及稳定性、地面像控点的布设方案等。

根据现场灾害体及周边环境特征，确定适宜的小型无人机遥感应急调查实施方案；

所述步骤S3 中的确定调查方案，分为自动调查和手动调查两种方案。

绝大多数情况下应采用自动调查方案，该方案是利用无人机自带GPS信息，使系统按照详细规划航线进行自主飞行和自动拍摄像片。

但以下情况宜采用手动调查方案，一是在深山峡谷等无GPS信号或信号不稳定区域，二是灾害体范围极小、通视情况良好的区域，手动调查完全依靠手动控制飞行器的飞行及像片拍摄，该方案的飞行安全性及像片拍摄质量一般相对自动方式较低，更加快速、机动、灵活；

所述步骤S3 中的自动调查方案，实施步骤为像控点布设及测量、系统组装、系统全检、详细航线规划、参数设置及自主飞行拍摄；

所述步骤S3 中的手动调查方案，实施步骤为像控点布设及测量、系统组装、系统全检及手动飞行拍摄。

3.根据权利要求2所述的一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，其特征在于，所述步骤S3 中的像控点布设方法为：在飞行范围内直接选择和标识在无人机拍摄像片上可以清晰可辨的特征点，如房屋、公路、出露基岩等作为像控点；而在无直接可辨特征点的位置，可在地面放置像片上可以清晰可辨的辅助标志，如白色背景中的黑色十字标识牌，以标识像控点位置；根据飞行范围大小，布设3-5处像控点，且像控点分布应尽量均匀，构成等边三角网或四边形网。

另外，像控点布设应在无人机采集像片之前完成，以保证像片上可以清楚分辨所有像控点标识。

所述步骤S3 中的像控点的测量，方法为：绝大多数情况下应优先选择GPS RTK测量技术；在无GPS信号或信号不稳定区域，宜选择全站仪测量技术。

像控点的测量目的是获得高精度三维坐标。

像控点测量时间不受无人机采集像片时间限制，可在任意时刻进行，如在采集同时进行，则应保证像控点标识不被遮挡，仍能在像片上清晰可见；

所述步骤S3 中的系统组装，其方法是对定制的小型无人机遥感系统采用模块化设计，在赴应急调查现场途中拆卸后既节省空间又更好地保护各模块，避免因交通工具运输可能带来的损坏，而在到达现场后，通过快速组装形成完整系统。

系统组装可在像控点布设及测量工作开展同时进行。

所述步骤S3 中的系统全检，方法是在接通电源情况下对各子系统部件进行全面检查，包括所有电池电量、飞控系统、GPS、电子罗盘、云台、相机、数传系统、图传系统、遥控器及地面监视器等是否正常，其主要目的是确保正式起飞作业前排除所有可能故障隐患，保障飞行安全及拍摄像片质量，不可省略。

4.根据权利要求2所述的一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，其特征在于，所述步骤S3中的详细航线规划，应根据灾害体分布范围及其周边地形选择不同的航线类型，主要分为三类：针对缓倾斜坡地形的平面网格型、针对悬崖陡壁地形的垂直网格型、针对陡缓结合地形的组合网格型。

在针对坡度较缓（﹤40°）地形上分布范围较大的灾害体，如缓倾滑坡，航线类型应采用覆盖灾害体表面范围的平面网格型，并保持相机镜头始终垂直向下（镜头方向0°）；航线高度则应动态调整以适应灾害体及斜坡高程变化，原则上始终保持无人机距离地表高度相对固定（50 m ~ 100 m之间）为宜。

在针对坡度极陡地形（﹥60°）上发育的灾害体，如悬崖陡壁上的危岩体，航线类型应采用平行直立面覆盖灾害体外侧范围的垂直网格型，并保持相机镜头始终水平指向灾害体（镜头方向90°）；所有水平航线的平面位置可以重叠，只是高度存在变化；同时，保持无人机距灾害体直立面的距离相对固定（40 m ~ 80 m）为宜。

在针对坡度陡缓结合地形上分布的灾害体，如陡崖残留危岩体与斜坡崩塌堆积体构成的灾害体，航线类型应采用组合网格型，即先用平面网格覆盖缓坡灾害体范围，接着用垂直网格覆盖陡坡灾害体范围；镜头方向在平面网格部分保持垂直向下指向地面（镜头方向0°），在垂直网格部分则由低航线到高航线逐渐抬起镜头，即根据实际情况将镜头方向从0°逐渐增加到90°（可以按照15°或30°的间隔沿水平航线逐条增加）；距地面高度及距陡立面距离按照平面网格型和垂直网格型设定。

详细航线规划应以平面网格型、垂直网格型及组合网格型为基础，再根据灾害体具体特征进行灵活优化实施，但无论采用何种航线类型，都应始终保证像片航向重叠率75%以上，旁向重叠率60%以上；

所述步骤S3中的详细航线规划，现场实施时还应注意：无论是否进行过室内初步航线规划，在现场都必须根据无人机自带GPS获取的实际位置对航线及飞行范围进行准确校正；航线覆盖范围要大于灾害体实际分布范围，以保证灾害体范围内的像片有足够的重叠率；应在灾害体坡脚附近位置设置起始航线，逐渐向上飞行拍摄直到灾害体坡顶附近位置设置结束航线，即始终保持无人机在调查过程中由低往高飞行，以充分利用无人机在上升飞行过程中更加稳定的特点；对规划航线进行仔细检查确认无误后必须导入飞行控制系统生效。

5.根据权利要求2所述的一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，其特征在于，所述步骤S3中的参数设置，包括设置飞行速率、拍摄速率以及各控制参数，其中飞行速率建议设为10米/秒~20米/秒之间，相机拍摄速率不低于1秒/张。

6.根据权利要求2所述的一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，其特征在于，所述步骤S3中的自主飞行拍摄，应选择相对开阔平整的起降地点开始正式飞行，正常情况下，无人机应按规划航线进行自主飞行并自动拍摄像片。

飞行过程应密切监视飞行状态以保证飞行安全，三人参与实施最为合适：主操作员负责通过地面控制站监视飞行过程是否与航线吻合，而当发现非正常情况时则负责通过遥控器切换手动操控无人机；主监控员通过地面监视器实时观察飞行影像、相机拍照及参数变化，并将相关信息及时通知主操作员；副监控员通过目视或望远镜实时跟踪观察飞行器的飞行姿态变化以及周边环境，并尽量提前发现飞行隐患，及时告知主操作员进行应急处理。

飞行完成后，应及时检查像片质量及无人机各模块状态是否正常。

7.根据权利要求2所述的一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，其特征在于，所述步骤S3中的手动飞行拍摄，其方法是手动控制飞行及像片拍摄，即整个过程完全依靠操作人员通过遥感器进行手动操控。

参与实施人员分工为：主操作员始终负责操控无人机的飞行过程；主监控操作员除了通过监视器监控飞行过程和状态外，还需负责通过另一遥控器操控相机镜头方向及像片拍摄；副监控员通过目视或望远镜实时跟踪观察飞行器的飞行姿态变化以及周边环境，提前发现异常并及时告知主操作员进行应急处理。

飞行完成后应及时检查像片质量及无人机各模块状态是否正常，尤其注意像片拍摄是否清晰、灾害体覆盖范围是否完整以及像片重叠率是否满足要求。

8.根据权利要求1所述的一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，其特征在于，所述步骤S4中的快速处理，是在现场飞行拍摄结束后立即采用笔记本电脑，对小型无人机遥感系统拍摄到的单体地质灾害像片，进行十几到几十分钟的快速处理，以获得灾害体的粗精度成果，从而为现场应急处置方案的快速决策提供支持。

其步骤包括像片预处理、SfM快速处理、生成粗精度成果及应用。

9.根据权利要求7所述的一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，其特征在于，所述步骤S4中的像片预处理，包括导出飞行日志，根据时间将GPS信息写入对应像片，再去除少量存在质量问题（例如模糊）像片；

所述步骤S4中的SfM快速处理，其过程包括降低写入GPS信息的原始像片分辨率，然后进行自动空三测量与区域网平差处理，以生成地质灾害体的三维点云；

所述步骤S4中的生成粗精度成果，方法是首先加密三维点云，再以此为基础生成数字表面模型、数字正射影像、三维模型等遥感成果；

所述步骤S4中的粗精度成果应用，包括快速量算以获得地质灾害体的基本特征数据，如长、宽、高、面积等，以及定性评估灾害体及周边环境的三维地形地貌特征，可为以定性为主的现场应急处置方案快速决策提供支持。

10.根据权利要求1所述的一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，其特征在于，所述步骤S5中的全面处理，是利用高性能台式机、图像工作站等，对原始像片进行SfM处理，并通过加入像控点将成果精度提升到厘米甚至毫米级的处理和应用过程，常需一到几个小时，主要用于支持后期对地质灾害体的详细处置方案设计。

其步骤包括SfM全面处理、生成高精度成果以及高精度成果应用。

11.根据权利要求9所述的一种基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法，其特征在于，所述步骤S5中的SfM全面处理，方法是采用写入GPS信息的原始像片，经自动空三测量与区域网平差处理，生成三维点云，再通过引入像控点的高精度三维坐标，生成精度在厘米级甚至毫米级的高精度三维点云；

所述步骤S5中的生成高精度成果，方法是首先加密三维点云，再以此为基础生成数字表面模型、数字正射影像、三维模型等遥感成果；

所述步骤S5中的高精度成果应用，主要是根据高精度数字地形模型，再结合数字正射影像及三维可视化模型，制作大比例尺高精度地形图及各类平面图、设计图等，并准确量化灾害体特征等，以支持后期对地质灾害体的详细处置方案设计。