林海玉 黃海峰，3 龍晶晶 李夢園 胡乃利 李劍南 張 磊

(1. 三峽大學 湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002； 3.三峽大學 湖北省水電工程智能視覺監(jiān)測重點實驗室， 湖北 宜昌 443002)

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適于滑坡監(jiān)測的小型無人機遙感系統(tǒng)構(gòu)建及其應(yīng)用

林海玉1，2黃海峰1，2，3龍晶晶1，3李夢園1，2胡乃利1李劍南1張 磊1

(1. 三峽大學 湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002； 3.三峽大學 湖北省水電工程智能視覺監(jiān)測重點實驗室， 湖北 宜昌 443002)

構(gòu)建小型無人機遙感系統(tǒng)，實現(xiàn)對滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的常態(tài)化監(jiān)測，對于防災(zāi)減災(zāi)具有重要現(xiàn)實意義．本文以近年來利用小型無人機遙感針對三峽庫區(qū)滑坡開展的多次監(jiān)測實踐為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一套適于開展滑坡監(jiān)測的包括無人機機體及飛控、拍攝系統(tǒng)、地面監(jiān)控等在內(nèi)的小型無人機遙感系統(tǒng)，并詳細闡述了包括航線規(guī)劃、相機拍照設(shè)定、飛行前檢查、飛行作業(yè)、飛行后檢查等在內(nèi)的滑坡監(jiān)測流程，最后介紹了具體實例．結(jié)果表明，利用小型無人機遙感系統(tǒng)可以獲取滑坡正射影像、數(shù)字高程模型等遙感成果，進而快速圈定變形區(qū)，解決地面調(diào)查難以發(fā)現(xiàn)或準確確定變形范圍的問題．

滑坡； 監(jiān)測； 小型無人機； 遙感系統(tǒng)

滑坡作為主要地質(zhì)災(zāi)害類型，每年均造成大量人員傷亡或財產(chǎn)損失[1]．監(jiān)測預(yù)警[2]作為防治滑坡最主要和最有效的手段，已得到廣泛認可，各種監(jiān)測技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用．這其中，基于GPS或北斗等導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)實施的地表位移監(jiān)測[3]，因其高精度、低成本、適應(yīng)性強等特點，已成為滑坡監(jiān)測[4]中必不可少的核心監(jiān)測手段．

然而，這種地表位移監(jiān)測方法都只能獲得事先部署在滑坡體上有限的幾個離散點的位移變形數(shù)據(jù)，而無法獲知整個滑坡體表面空間的連續(xù)變形特征[5]．為了彌補這種不足，遙感方法尤其是高分辨率光學[6]或雷達遙感[7]開始被較為廣泛地應(yīng)用到了滑坡監(jiān)測和分析方面．然而大型的航天、航空甚至地面遙感卻又面臨著成本昂貴、技術(shù)復(fù)雜等現(xiàn)實問題，尤其是受制于時間、氣象條件等的影響，無法實現(xiàn)對滑坡災(zāi)害的常態(tài)化監(jiān)測．

近年來，隨著小型無人機技術(shù)的飛速發(fā)展，以及數(shù)字攝影測量[8]等影像處理方法的成熟，小型無人機遙感開始被廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害、環(huán)境保護、資源勘查、林業(yè)普查等諸多領(lǐng)域[9-11]．小型無人機遙感系統(tǒng)(micro unmanned aerial vehicle remote sensing system， Micro-UAVR)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、風險小、機動靈活、快速響應(yīng)等特點，既能克服載人航空遙感受制于航時長、大機動、惡劣氣象條件等問題，又能彌補航天衛(wèi)星遙感因天氣和時間原因無法及時獲得目標區(qū)域影像問題，同時又避免地面遙感工作范圍小、視野窄、工作量大的缺陷[12]．

目前，無人機遙感系統(tǒng)主要集中應(yīng)用到重大自然災(zāi)害(如汶川地震、玉樹泥石流等)突發(fā)后的應(yīng)急地質(zhì)災(zāi)害評估方面[13]，對于常規(guī)單體滑坡的持續(xù)性監(jiān)測還較少．而如果在充分考慮滑坡監(jiān)測特點基礎(chǔ)上，構(gòu)建出經(jīng)濟、實用、高效的適于滑坡監(jiān)測的小型無人機遙感系統(tǒng)，實現(xiàn)對滑坡災(zāi)害的常態(tài)化監(jiān)測以及表面變形分析，對于防災(zāi)減災(zāi)將具有重要的現(xiàn)實意義．

本文以近年來利用小型無人機遙感針對三峽庫區(qū)滑坡開展的多次監(jiān)測實踐為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一套適于庫區(qū)滑坡監(jiān)測的小型無人機遙感系統(tǒng)，并得到了成功應(yīng)用，以下具體闡述．

1 滑坡監(jiān)測目的及需求

滑坡監(jiān)測的目的是及時發(fā)現(xiàn)和跟蹤災(zāi)害體變形信息，從而為防災(zāi)減災(zāi)提供第一手基礎(chǔ)信息資料．因此，滑坡監(jiān)測首先應(yīng)具有長期連續(xù)性，即現(xiàn)場監(jiān)測須實現(xiàn)定期常態(tài)化(如每月一次)．同時，大多數(shù)滑坡災(zāi)害常位于山區(qū)或河谷兩岸斜坡，人眼可視范圍有限，而且很多災(zāi)害體上要么植被覆蓋茂密、要么地形陡峭等造成人類無法涉足，加上所處局地氣象條件易變(如風力風向不定等)．此外，需要監(jiān)測的滑坡常臨近村鎮(zhèn)、交通要道分布，坡體周邊或上方常有通訊、電力設(shè)施等．

考慮到以上條件，用于開展滑坡監(jiān)測的小型無人機遙感系統(tǒng)應(yīng)滿足以下一些基本需求：體積小、重量輕；安全可靠；現(xiàn)場設(shè)置及操控簡單方便；起降場地要求低；穩(wěn)定性好，照片拍攝清晰．

2 小型無人機遙感系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)滑坡監(jiān)測目的及需求分析，定制以下適于滑坡監(jiān)測的小型無人機遙感系統(tǒng)(如圖1所示)．其核心構(gòu)成包括：

圖1 適于滑坡監(jiān)測的小型無人機遙感系統(tǒng)

1)小型無人機：考慮到滑坡范圍有限，對續(xù)航能力要求不高，因此采用更為輕巧、緊湊、穩(wěn)定性更好的多旋翼碳纖維機身，保證整機(包括相機及云臺)重量在5 kg以下．飛行控制系統(tǒng)采用成熟的開源軟硬件，便于調(diào)試維護；同時配備高性能GPS、數(shù)據(jù)傳輸及圖像傳輸模塊，可以完整支持包括航線規(guī)劃、飛行定位、實時數(shù)據(jù)及圖像傳輸?shù)群诵墓δ埽?/p>

2)拍攝系統(tǒng)：相機采用1 800萬像素以上的普通數(shù)碼相機即可，為保證照片拍攝清晰，加裝相機穩(wěn)定云臺．相機拍照可通過飛行控制系統(tǒng)進行自動控制，同時也可以通過遙控器進行手動控制．

3)地面控制系統(tǒng)：包括地面控制站、遙控器及終端監(jiān)視器．其中地面控制站利用便攜式筆記本電腦安裝地面站軟件，再通過數(shù)據(jù)傳輸模塊與無人機上的飛行控制系統(tǒng)進行連接，以實現(xiàn)對無人機遙感系統(tǒng)的配置測試、航線規(guī)劃[14-16]、操控維護等功能；遙控器主要是實現(xiàn)對無人機系統(tǒng)的手動操控；終端監(jiān)視器能實時接收并顯示無人機的飛行畫面以及各狀態(tài)參數(shù)，以便地面操作人員根據(jù)這些信息對飛行過程進行有效控制．

3 小型無人機遙感監(jiān)測滑坡流程

3.1 室內(nèi)航線初步規(guī)劃

室內(nèi)打開地面站軟件，進入航線規(guī)劃模塊，加載谷歌地球、必應(yīng)地圖等衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，找到需要監(jiān)測的滑坡位置，在影像圖上圈定滑坡大致范圍并進行航線規(guī)劃．注意規(guī)劃的航線范圍必須稍大于滑坡體的實際范圍，同時保證照片的航向重疊率不得小于80%和影像旁向重疊率不得小于60%[16]．

另外，規(guī)劃航線還應(yīng)考慮小型無人機飛行時間(由電池容量決定)．如果一次飛行無法完成，則規(guī)劃航線可以分為幾部分，但要保證相鄰部分之間具有足夠的重疊率．圖2為航線規(guī)劃界面．

3.2 現(xiàn)場航線調(diào)整優(yōu)化

由于室內(nèi)航線初步規(guī)劃是根據(jù)已有衛(wèi)星影像地圖數(shù)據(jù)進行的，一般與實際位置存在誤差，因此在現(xiàn)場作業(yè)之前，必須先根據(jù)小型無人機上自帶的GPS進行定位，可以根據(jù)軟件參數(shù)中的衛(wèi)星數(shù)目來確定，衛(wèi)星數(shù)目越多，地理定位越是準確；并且還要參照軟件參數(shù)中的HDOP(horizontal dilution of precision，水平分量精度因子)[17]數(shù)據(jù)，HDOP數(shù)值越小，表示定位的精度越高，對研究山體滑坡的價值也就越大．除此之外，GPS定位能夠?qū)崿F(xiàn)初步規(guī)劃航線的平面范圍調(diào)整，以保證無人機飛行路線能完整覆蓋滑坡．

此外，還應(yīng)根據(jù)滑坡周邊及上空環(huán)境進行適當高度優(yōu)化調(diào)整，例如，如果滑坡體上存在高大樹木、通訊電力鐵塔和線路等，必須調(diào)整好飛行高度，以避免無人機飛行過程中發(fā)生碰撞．當確定規(guī)劃航線準確無誤后，必須通過地面站軟件將其導(dǎo)入到飛行控制系統(tǒng)中去，才能實現(xiàn)小型無人機遙感系統(tǒng)的自主飛行．

3.3 相機拍照設(shè)定

為配合自主飛行過程中有規(guī)律地自動拍攝滑坡照片，在航線規(guī)劃完成后，還應(yīng)在相機上安裝控制快門的舵機裝置，再將舵機連接到飛行控制系統(tǒng)，然后通過在地面站軟件中設(shè)置舵量并導(dǎo)入到飛行控制系統(tǒng)，這樣無人機在飛行過程中就能夠由飛控系統(tǒng)控制相機的自動拍照了．

3.4 飛行前檢查

飛行前檢查是保證飛行安全的重要前提，主要包括各種線路及設(shè)備接觸端的檢查局，具體包括：①圖傳檢查：通過終端監(jiān)視器，查看圖像傳輸是否正常、圖像是否清晰、狀態(tài)數(shù)據(jù)是否疊加顯示；②電池電壓檢測：不同容量電池電壓是否正常，低電壓報警器是否正常；③飛行控制指令檢查：在手持飛行狀態(tài)下，測試無人機是否精準反映了遙控器的各輸出指令；④GPS信號檢查：確保至少搜索到7顆GPS衛(wèi)星且信號穩(wěn)定，這是保障按規(guī)劃航線自動飛行的重要前提．⑤相機檢查：包括相機是否是否開啟、相機參數(shù)是否準確、舵機是否工作正常．

3.5 飛行作業(yè)

選擇相對平坦開闊場地，先由遙控器控制無人機起飛；升空之后，撥動遙控器自動模式開關(guān)，小型無人機遙感系統(tǒng)進入自動航線飛行模式，將按照規(guī)劃航線進行飛行以及像片拍攝作業(yè)，飛行過程中應(yīng)實時注意終端監(jiān)視器上顯示的飛行畫面以及各飛行參數(shù)(如電池電壓、水平飛行距離，豎直高度、衛(wèi)星數(shù)目、電流輸出量、飛行速度、飛行時間、飛行方向等)，一旦發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時通過遙控器將飛行模式切換到手動進行操控；飛行作業(yè)結(jié)束后，無人機會自動返航，也可以通過撥動遙控器返航模式開關(guān)使無人機自動返回到起飛地點．

3.6 飛行后檢查

飛行結(jié)束后，將飛行控制系統(tǒng)中的飛行日志以及相機存儲卡上的像片導(dǎo)出到電腦當中，通過地面站軟件將飛行日志中的GPS地理位置信息一一對應(yīng)的寫入照片中，地理位置信息導(dǎo)入結(jié)束后，檢查照片中的地理位置信息，照片屬性當中會顯示照片的高程以及地理坐標(經(jīng)緯度坐標)，這樣通過軟件處理的時候能夠提高遙感圖片的地理位置的精確度，確認無誤后對所有照片導(dǎo)入到遙感軟件中進行快速數(shù)字攝影測量處理，得到低分辨率的滑坡正射影像DOM[18]、數(shù)字高程模型DEM[18]和三維模型[19]等，先肉眼觀察遙感影像中的滑坡范圍大小是否滿足要求，是否有無缺失情況，如果有缺失情況則重新進行航線規(guī)劃重復(fù)操作；如果沒有缺失情況將滑坡正射影像圖和數(shù)字高程模型圖等導(dǎo)出軟件后保存，然后將其導(dǎo)入到ENVI軟件當中，主要通過ENVI軟件中的幾何校正方法[20](如圖3所示)進行處理，以及輔助圖像融合[21]、圖像裁剪、正射校正方法[22]對遙感影像圖進行后期處理等增加遙感影像的準確性．將根據(jù)影像范圍及質(zhì)量判斷飛行任務(wù)是否合格．如果最終的遙感影像圖范圍存在缺陷、圖像失真或者達不到精度時，則必須重新調(diào)整、規(guī)劃航線，設(shè)置相機拍照功能等各種參數(shù)調(diào)試、調(diào)整問題；如影像存在質(zhì)量問題，則須檢查云臺設(shè)置情況，需要對云臺進行調(diào)試以及飛控系統(tǒng)部分參數(shù)修改等．解決各種問題之后，進行新一次的飛行作業(yè)．

圖3 幾何校正操作流程

4 應(yīng)用實例

三峽庫區(qū)某邊坡原為一山梁，夾于兩溝之間．由于三峽水庫蓄水，該山梁被選為附近城鎮(zhèn)回填的取土場地，經(jīng)過長期取土后，發(fā)生一次整體下座滑移，形成了不穩(wěn)定斜坡．近年來，坡體上也不斷發(fā)生零星塊石滾落以及松散土體下滑現(xiàn)象，嚴重威脅斜坡下方省級公路運輸以及長江支流航運安全(如圖4所示)．

圖4 三峽庫區(qū)某不穩(wěn)定斜坡全貌

該不穩(wěn)定斜坡呈不規(guī)則長舌狀，長450 m，最寬200 m，面積5.3×104m2，高程分布190～435 m，因此高差達到245 m，平均坡度33°．斜坡存在兩級平臺，其中一級位于高程約195 m，二級則位于高程245 m，這導(dǎo)致斜坡后部地形更加陡峭，平均坡度達到43°，最陡坡度甚至超過了70°，則意味著人已經(jīng)無法在坡體上站立甚至行走．除此之外，不穩(wěn)定斜坡范圍以外植被覆蓋茂密，也導(dǎo)致人很難通過地面穿行．

為有效防止該不穩(wěn)定斜坡發(fā)生變形而引發(fā)災(zāi)害，決定對其實施監(jiān)測預(yù)警．考慮到該斜坡規(guī)模大、地形陡峭、人類無法涉足等因素，決定采用小型無人機遙感方法進行監(jiān)測．圖5顯示了該斜坡的規(guī)劃航線示意，根據(jù)該航線首次飛行自動拍攝了93張像片，通過數(shù)字攝影測量處理最后生成了空間分辨率為5cm的數(shù)字正射影像DOM和數(shù)字高程模型DEM等遙感成果(如圖5所示)．

圖5 不穩(wěn)定斜坡的航線規(guī)劃示意圖

借助上述遙感影像成果，可以迅速圈定出該不穩(wěn)定斜坡內(nèi)部及周邊的四處局部變形(如圖6所示)：其中，A、B兩處變形位于斜坡中下部平臺附近位置，通過地面調(diào)查就能輕易發(fā)現(xiàn)；但C、D兩處變形位于斜坡頂部外側(cè)沖溝，周圍植被茂密，通過地面調(diào)查是很難發(fā)現(xiàn)并準確確定變形范圍的，但無人機遙感監(jiān)測輕易解決了該問題．

圖6 基于不穩(wěn)定斜坡正射影像及數(shù)字地形成果確定的變形區(qū)

后期，對該不穩(wěn)定斜坡實現(xiàn)了常態(tài)化的小型無人機遙感監(jiān)測．而且基于首次成功的規(guī)劃航線，后期的監(jiān)測只需將航線直接導(dǎo)入到飛行控制系統(tǒng)，就可以在現(xiàn)場直接進行飛行采集工作，時間可以壓縮到30 min以內(nèi)，這是其他監(jiān)測方式不具備的．更重要的是，通過每期監(jiān)測獲得的遙感影像成果，與前期進行對比分析，可以逐漸了解該不穩(wěn)定斜坡的變形過程，進而分析其變形特征并掌握其變形規(guī)律，從而真正實現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)．此外，小型無人機遙感系統(tǒng)還被應(yīng)用到多項滑坡、危巖體及邊坡恢復(fù)治理等工程以輔助勘察設(shè)計，以下簡明列舉幾例興山金樂滑坡(如圖7所示)，于2014年8月底9月初強降雨后，發(fā)生過一次整體下座滑移破壞，當時位于滑體滑動了1.7 m．2014年9月份，首次使用無人機遙感對其進行了應(yīng)急調(diào)查，此后逐步實現(xiàn)了常態(tài)化，一直監(jiān)測至今．

圖7 興山金樂滑坡三維模型圖

興山彭家灣不穩(wěn)定邊坡(如圖8所示)，受降雨后產(chǎn)生了整體變形，雖然位移較小，但對房屋產(chǎn)生了嚴重威脅．因此，通過無人機遙感系統(tǒng)對其進行了監(jiān)測，并且得到正射影像圖等成果，以輔助應(yīng)急勘查設(shè)計．

圖8 興山彭家灣不穩(wěn)定邊坡正射影像圖

興山彭家灣滑坡(如圖9所示)，因為強降雨后導(dǎo)致前緣土體松軟產(chǎn)生滑動，嚴重威脅居民房屋及生命財產(chǎn)安全，因此通過無人機遙感系統(tǒng)得到影像及地形成果，以輔助治理設(shè)計．

圖9 興山彭家灣滑坡

夷陵區(qū)S334省道天柱山隧道出口公路上方近100 m的垂直陡壁上，存在一危巖體(如圖10所示)，嚴重影響著道路安全．為進行應(yīng)急治理，獲得準確的基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)及為重要，但人工地面手段均無法進行準確測量，最后采用無人機遙感手段輕松解決了該問題．

圖10 夷陵區(qū)天柱山隧道出口危巖模型

5 結(jié)論與展望

本文定制了適于滑坡監(jiān)測的小型無人機遙感系統(tǒng)，并得到成功應(yīng)用．通過相關(guān)實踐可以得出以下結(jié)論：

1)根據(jù)監(jiān)測目的及需求，適于滑坡監(jiān)測的小型無人機遙感系統(tǒng)，其機身采用多旋翼碳纖維材料，配備開源飛控系統(tǒng)并能實現(xiàn)航線規(guī)劃及自動拍照功能；拍攝系統(tǒng)采用1800萬像素以上的普通數(shù)碼相機即可，應(yīng)加裝穩(wěn)定云臺；地面控制站實現(xiàn)對無人機系統(tǒng)的航向規(guī)劃、操控維護等功能，監(jiān)視器實時顯示無人機飛行畫面及狀態(tài)參數(shù)．

2)基于小型無人機遙感的滑坡監(jiān)測可以分為六個步驟．其中航線規(guī)劃是保障飛行安全以及拍攝質(zhì)量的重要前提，分為室內(nèi)初步規(guī)劃和現(xiàn)場優(yōu)化；自動拍照則是通過飛控系統(tǒng)直接控制舵機，舵機直接控制快門的方式實現(xiàn)；飛行前檢查必不可少，具體包括圖傳系統(tǒng)、電池電壓、飛控指令、GPS信號以及相機檢查；飛行作業(yè)是滑坡監(jiān)測的核心，通常設(shè)定為自動飛行模式即可，但應(yīng)密切注意監(jiān)視器的飛行畫面以及狀態(tài)參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)切換至手動模式；飛行后檢查主要是判斷像片覆蓋范圍及質(zhì)量是否滿足要求．

3)利用小型無人機遙感系統(tǒng)可以獲取滑坡的正射影像以及數(shù)字高程模型等成果，從而快速圈定變形區(qū)，解決地面調(diào)查難以發(fā)現(xiàn)或準確確定變形范圍的問題．

總之，小型無人機遙感系統(tǒng)在滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大優(yōu)勢，但要真正實現(xiàn)對滑坡災(zāi)害長期連續(xù)的常態(tài)化監(jiān)測，其關(guān)鍵還在于后期根據(jù)遙感影像成果有效提取滑坡變形信息的技術(shù)方法研究．

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[責任編輯 周文凱]

Structuring and Applying Micro-UAV Remote Sensing System for Landslides Monitoring

Lin Haiyu1,2Huang Haifeng1,2,3Long Jingjing1,3Li Mengyuan1,2Hu Naili1Li Jiannan1Zhang Lei1

(1. National Field Observation & Research Station of Landslides in Three Gorges Reservoir Area of Yangtze River, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China；2. Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area of Hubei Province, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China；3. Hubei Key Laboratory of Intelligent Vision Based Monitoring for Hydroelectric Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

Structuring the Micro-UAV remote sensing system and realizing the normal monitoring of landslides and other geological disasters have practical significance for disaster prevention and mitigation. Based on many monitoring practices conducted in landslides of Three Gorges Reservoir, this paper describes a kind of Micro-UAV remote sensing system applied to the monitoring of landslides, including UAV air-frame, flight control, shooting system and ground recording and monitoring system. Meanwhile, this paper thoroughly illustrates the process of monitoring of landslides, flight routes planning, camera shot setting, pre-flight inspection, flight operations and post-flight inspection. The results show that the Micro-UAV remote sensing system can obtain the digital orthophoto map, digital elevation model and other remote sensing outcomes; and it can rapidly delineate deformation zone and resolve the problem that it is difficult for ground investigation to find or accurately determine deformation range.

landslides; monitoring; micro-UAV; remote sensing system

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.05.010

2016-03-28

國家自然科學基金項目(41302260)；湖北省水電工程智能視覺監(jiān)測重點實驗室開放基金(2014KLA11)；湖北省科技支撐計劃項目(2015BCE070)；湖北省自然科學基金創(chuàng)新群體項目(2015CFA025)資助．

黃海峰(1978-)，男，副教授，博士，主要從事滑坡災(zāi)害監(jiān)測、3S技術(shù)應(yīng)用等方面的研究．E-mail：hhf@ctgu.edu.cn

X924.2

A

1672-948X(2016)05-0053-06