田冀，孫虎，王彬，李強，陳盈赟，楊汝蘭，張志明

云南大學生態(tài)學與環(huán)境學院，生態(tài)學與地植物學研究所，云南 昆明 650091

無人機航空攝影技術(shù)在公路建設引起的滑坡監(jiān)測的應用

田冀，孫虎，王彬，李強，陳盈赟，楊汝蘭，張志明*

云南大學生態(tài)學與環(huán)境學院，生態(tài)學與地植物學研究所，云南 昆明 650091

我國眾多山區(qū)公路帶來的滑坡災害嚴重，如何采取有效措施應對滑坡的發(fā)生以及對已產(chǎn)生滑坡的治理一直是學者和工程師們關(guān)心的問題，而滑坡監(jiān)測作為防治滑坡最主要和最有效的手段，已得到廣泛認可，對減少公路滑坡災害的損失及制定滑坡防治方案具有非常重要的現(xiàn)實意義。如今各種監(jiān)測技術(shù)廣泛應用，其中無人機遙感技術(shù)作為近年來興起的新興技術(shù)手段，具有時效性高、數(shù)據(jù)精度高、操作方便快捷的特點。本文通過總結(jié)滑坡監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展狀況并比較現(xiàn)有方法和傳統(tǒng)方法的優(yōu)缺點，得出無人機遙感技術(shù)在未來的滑坡監(jiān)測方面的應用及現(xiàn)實意義。

無人機遙感；公路滑坡；監(jiān)測

引言

公路建設在我國經(jīng)濟發(fā)展中占有很重要的比重，2005年1月13日, 我國交通部部長張春賢在北京舉行的中外記者招待會上介紹，未來三十年內(nèi)中國將耗資兩萬億元，建設 8.5 萬公里的高速公路；2013年6月20日國家交通部發(fā)布了《國家公路網(wǎng)規(guī)劃 2013-2015年》，規(guī)劃了到 2015年為止我國在建公路總規(guī)模約為 40 萬公里，總投資大約 4.7 萬億元[1]。我國80% 以上的國土面積為山地，地形地質(zhì)條件復雜多變，修公路時會對沿線坡體進行挖方與填方，導致大量滑坡發(fā)生。

滑坡災害是人類面臨的最廣泛、受害最重和時間最長的地質(zhì)災害之一，出現(xiàn)的頻度和廣度遠大于地震[2]?；率侵笀龅赜捎诘刭|(zhì)結(jié)構(gòu)、水流沖刷、人工切坡等多因素的影響，部分或全部土體或巖體在重力作用下，沿著地層軟弱面整體滑動的不良地質(zhì)現(xiàn)象[3]。公路滑坡指的是在氣候、水文、地質(zhì)以及人類活動等因素的綜合作用下，公路沿線所發(fā)生的對公路建設和運行產(chǎn)生影響的滑坡，在山區(qū)和丘陵地區(qū)修公路極容易導致公路滑坡的發(fā)生[4]。

滑坡是山區(qū)公路建設中最常見的一種地質(zhì)災害，帶來的經(jīng)濟損失也是巨大的。據(jù)統(tǒng)計，1981年至 1985年云南省干線公路地質(zhì)災害造成的損失為7301.87 萬元；1986年至 1990年，損失為 17453.72萬元；1991年至 1995年，損失為 53521.78 萬元；其中公路滑坡造成的損失占 70% 以上[5]。因此采用適當?shù)拇胧┖陀行У姆椒▽逻M行準確、快速識別并提取很重要，滑坡監(jiān)測作為防治滑坡最主要和最有效的手段，對減少損失及制定滑坡防治方案具有非常重要的現(xiàn)實意義。

滑坡監(jiān)測是為了及時發(fā)現(xiàn)和跟蹤滑坡體的形變信息，為防災減災提供第一手基礎信息資料。其主要內(nèi)容包括滑坡形變監(jiān)測、滑坡變形破壞的相關(guān)因素監(jiān)測及滑坡誘發(fā)因素監(jiān)測這 3 方面的內(nèi)容[6]。通過這些工作所獲得的數(shù)據(jù)和資料，可以了解和掌握滑坡體的演變過程，及時捕捉崩滑災害的特征信息，為正確分析、評價滑坡以及滑坡預測、預報等提供可靠資料；為國家或地方政府決策部門制定滑坡高災害區(qū)的土地使用法規(guī)和防治規(guī)則提供科學依據(jù)；為具體建筑物和建設場地選擇不易形成滑坡的安全地帶；可以及時預報滑坡所可能產(chǎn)生的災害性運動以及工程或建筑物所不允許的危險位移量；當滑坡要產(chǎn)生不可避免的大位移時，預告災害事故的可靠時間，防止或減少人員傷亡及經(jīng)濟損失[7]。

1 滑坡提取的相關(guān)技術(shù)

隨著近年來對滑坡災害的研究深入，科學技術(shù)的發(fā)展，滑坡提取、監(jiān)測技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。傳統(tǒng)方法滑坡提取及監(jiān)測通常是將室外現(xiàn)場觀測、實驗室試驗和理論分析相結(jié)合[8]。隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)的進步，各種新方法和新型裝置已廣泛應用于工程實際，滑坡監(jiān)測和提取的精度和范圍顯著提高。

(1) 目視解譯法：陳述彭、蹼靜娟等人解釋了目視進行滑坡遙感圖像目標提取的原理、基本方法、注意事項[9]。目視方法主要是通過遙感技術(shù)人員利用專業(yè)知識對遙感圖像進行綜合分析，例如滑坡的形狀、紋理、光譜等特征，并結(jié)合非遙感資料進行提取[10]。

目視解譯具有靈活性較強的特點，缺點是主觀作用較強、勞動強度較大、操作過于專業(yè)，需要根據(jù)遙感專業(yè)人員的經(jīng)驗才能獲得滿意的滑坡提取。

(2) 人機交互解譯法：20 世紀 70年代開始，隨著數(shù)字遙感圖像的發(fā)展，人們開始用計算機來實現(xiàn)對滑坡遙感圖像目標提取。在人機交互階段，主要是利用用戶的先驗操作再結(jié)合計算機建模、識別，進行提取[11]。王濤等人在 VC++6.0 平臺下建立了遙感圖像人機交互判讀系統(tǒng)，將用戶交互與計算機提取無縫地結(jié)合起來[12]。通過對遙感圖像中滑坡的各種特征進行自動分析，分割出不同區(qū)域，然后用智能計算方法提取出不同區(qū)域。

人機交互解譯法實現(xiàn)了半自動滑坡提取，可以降低人工勞動強度，根據(jù)需求利用計算機按照預期的想法對滑坡進行提取，通過計算機圖像增強技術(shù)可以改善圖像的清晰度，提取的準確度增高，也可以隨時對滑坡提取進行局部修改以及提高效率等優(yōu)點。缺點是主觀性較強、自動識別和提取目標準確率不高。

2 滑坡監(jiān)測的相關(guān)方法

(1) GPS 法：GPS 監(jiān)測法是目前應用較多的滑坡監(jiān)測方法。通過跟蹤 GPS 衛(wèi)星的連續(xù)信號可以獲取經(jīng)度、緯度及三維坐標。以坐標、距離和角度為基礎，用新值與初始坐標之差反映目標的運動，實現(xiàn)監(jiān)測變形的目的[13]。GPS 滑坡監(jiān)測內(nèi)容包括：滑坡體與地表水平位移和垂直位移的監(jiān)測。該法適用于進行連續(xù)監(jiān)測，不受氣候條件的限制，具有操作簡單等優(yōu)點。但滑坡所在區(qū)域地形較為復雜的衛(wèi)星信號易被阻擋，多路徑效應較為嚴重，影響精度。嚴忠權(quán)等在對重慶萬州區(qū)傅家?guī)r滑坡的監(jiān)測中，根據(jù) GPS 法得到監(jiān)測點位移量，計算出位移速度，然后根據(jù)位移速度，比較了該滑坡不同階段的特征性，得到滑坡體現(xiàn)今所處位置，為滑坡預報提供了依據(jù)[14]。

(2) 遙感監(jiān)測法：衛(wèi)星遙感解譯技術(shù)已成為滑坡遙感調(diào)查的快捷方法。國外通常采用航空攝影與彩色紅外攝影及熱紅外掃描來調(diào)查滑坡，利用不同時相的航空遙感圖像監(jiān)測其動態(tài)變化[15]。根據(jù)不同的監(jiān)測內(nèi)容，選擇相應的遙感資料和監(jiān)測方法這一環(huán)節(jié)很重要。其特點是可以不直接接觸有關(guān)目標物來收集信息并對其進行識別分類、判讀和分析[16]。如三峽庫區(qū)湖北省秭歸縣沙溪鎮(zhèn)千將坪村發(fā)生特大型滑坡災害，研究人員利用先進的數(shù)字遙感技術(shù)，結(jié)合滑坡前后的高分辨率遙感數(shù)據(jù)、地形圖資料和野外所測的 GPS 控制點，制作出研究區(qū)滑坡前后的數(shù)字高程模型、滑坡前后正射影像圖。利用三維可視化技術(shù)，采用人機交互解譯滑坡，分別對滑體的滑動方向、距離和堆積體面積進行了定量計算。通過綜合分析得出滑坡是古滑坡的大規(guī)模復活，三峽庫區(qū)蓄水和降雨綜合作用是促使滑坡復活的主要誘發(fā)因素[17]。

(3) TDR 監(jiān)測法：時間域反射測試技術(shù) (Time Domain Reflectoretry，簡稱 TDR) 是一種電子測量技術(shù)。TDR 滑坡監(jiān)測法的基本思想是向埋入監(jiān)測孔內(nèi)的電纜發(fā)射脈沖信號，當電纜在孔中產(chǎn)生變形時，就會產(chǎn)生反射波信號。經(jīng)過對反射信號的分析，即可確定電纜發(fā)生形變的程度和位置[18]。其特點是價格低廉、監(jiān)測時間短、可遙測、安全性高?？梢怨?jié)省監(jiān)測時間但不能監(jiān)測傾斜的實際情況，如果電纜產(chǎn)生變形破壞，就很難監(jiān)測滑坡的位移狀況。如史彥新[19]等在對四川省雅安市隴西河左岸的滑坡進行監(jiān)測時使用了 TDR 監(jiān)測系統(tǒng)。發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以監(jiān)測滑坡變形，且監(jiān)測的變形位置與鉆探揭示的滑帶位置以及鉆孔傾斜儀的監(jiān)測結(jié)果相吻合。

綜上所述，傳統(tǒng)地面觀測手段和衛(wèi)星遙感技術(shù)對能夠?qū)聻暮M行大尺度的長期的監(jiān)測，但是很難滿足全部覆蓋的快速應急監(jiān)測。此外，由于滑坡地質(zhì)災害具有突發(fā)性，往往需要不定期的進行強化觀測，傳統(tǒng)影像獲取方法成本高、效率低，不具有適用性[20]。近幾年興起的無人機遙感系統(tǒng)操作方便、作業(yè)方式靈活、投入低、效率高，將其自身靈活的特點與航空攝影測量結(jié)合，對大型滑坡區(qū)域進行低空飛行拍攝，能及時獲得高分辨率影像數(shù)據(jù)[21]；利用高效、可靠的無人機數(shù)據(jù)處理手段，可以減少險要地形和氣候等外界因素的影響，制作出高精度的 DEM、DOM，為滑坡地質(zhì)災害分析提供基礎數(shù)據(jù)。

3 無人機航空攝影技術(shù)應用于滑坡提取監(jiān)測

3.1 無人機遙感系統(tǒng)及其特點

無人機遙感技術(shù)是利用先進的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS 差分定位技術(shù)和遙感應用技術(shù)，通過自動化、專用化、智能化快速獲取國土、環(huán)境和資源等空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應用分析的一門應用技術(shù)[22]。具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、風險小、機動靈活、快速響應等特點，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)域影像的問題，同時又避免地面遙感工作范圍小、視野窄、工作量大的缺陷。因此，將無人機遙感技術(shù)應用于滑坡災害的提取和監(jiān)測方面的工作越來越有必要。尤其在地形條件惡劣，人工難以到達的區(qū)域，無人機航拍可以提供最準確的第一手影像。經(jīng)過像控點測量滑坡的正射影像 (DOM) 和數(shù)字高程模型 (DEM)，數(shù)字高程模型 (DEM) 是大比例的影像成果，更適合滑坡細節(jié)的判讀；還可將無人機技術(shù)應用于提取滑坡有效地形因子，如坡度，坡度是滑坡崩塌發(fā)生的主要控制因素；坡向，可以反映滑坡的發(fā)育狀況以及坡向性等地貌特性；利用無人機遙感系統(tǒng)對大型滑坡體進行多次連續(xù)觀測，獲得長序列的滑坡連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，為分析大型滑坡體的動態(tài)變化提供數(shù)據(jù)保障，為實現(xiàn)滑坡災害的預測提供技術(shù)支持。

無人機遙感系統(tǒng)組成可以分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分，硬件系統(tǒng)由機載系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)組成，其中機載系統(tǒng)包括動力系統(tǒng)、攝影系統(tǒng)、導航與飛行控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)包括通信系統(tǒng)與任務系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)有航線規(guī)劃設計、飛行控制、遠程監(jiān)控、航攝質(zhì)量檢查和數(shù)據(jù)預處理[23]。

3.2 無人機航拍技術(shù)的應用

無人機航拍技術(shù)的發(fā)展已有十余年，在地質(zhì)災害方面的應用中起到了無可替代的作用。在 2008年的汶川大地震中，無人機遙感發(fā)揮了重要的作用，快速獲取到了滑坡、崩塌以及堰塞湖等地震次生災害的分布狀況與動態(tài)變化等，為緊急救援、災情評估、地震次生災害防治和災后重建工作等提供了第一手信息，以及較科學的決策依據(jù)[24]。梁京濤[25]獲取了六期文家溝震后滑坡泥石流災害的無人機遙感影像數(shù)據(jù)，闡述并討論了無人機遙感技術(shù)在高位泥石流動態(tài)變化監(jiān)測方面的具體應用方法及應用效果；尹鵬飛[26]等利用無人機航空遙感系統(tǒng)，對地震形成的山體滑坡、崩塌等地貌變化造成的堰塞湖和其他次生地質(zhì)災害，進行了高空間、高時間分辨率的低空遙感探測；曾濤、楊武年等[27]在對比分析了低空遙感影像的特點的基礎上，對無人機航拍影像處理方法做了深入探討，快速確定汶川震區(qū)泥石流等次生地質(zhì)災害的分布位置，實現(xiàn)了災后地質(zhì)災害信息快速勘測中的信息提??；U.Niethammer[28]等人用無人機航拍對法國東南部的一處大型滑坡進行為期三年的監(jiān)測，根據(jù)無人機航拍數(shù)據(jù)得到滑坡的動態(tài)變化趨勢。

圖1 無人機航拍系統(tǒng)組成圖Fig.1 UVA aerial system composition

3.3 無人機遙感數(shù)據(jù)的獲取

在無人機遙感滑坡監(jiān)測應用的整個過程中，航拍過程的順利進行直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的成功獲取，航拍過程的技術(shù)控制直接影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量[29]。數(shù)據(jù)獲取主要分為航拍前準備、組織飛行作業(yè)和航拍后數(shù)據(jù)整理三個步驟，航拍流程圖如圖2 所示。

圖2 無人機航拍流程圖Fig.2 Flow chart of aerial drones

3.4 無人機遙感影像數(shù)據(jù)處理

(1) 影像校正：在 Photoscan 軟件工具箱中打開photoscan preference，進行語言設置和其他參數(shù)的設置；然后添加照片、導入相片位置；執(zhí)行 align photo和 built mesh，生成稀疏點云模型和三維網(wǎng)格模型。

創(chuàng)建 maker 時應創(chuàng)建與野外 GPS 相同的位置(從照片中選擇)。位置標記能優(yōu)化相機位置和數(shù)據(jù)定向，獲得更好的重建結(jié)果。生成精確的正射影像，要利用感興趣區(qū)域的 10-15 個地面控制點。為了能夠遵循引導標記位置的方法首先需要重建幾何，選擇 build mesh 命令，設置參數(shù)。

(2) 構(gòu)建密集點云：基于估測的相機位置和稀疏點云數(shù)據(jù)構(gòu)建密集點云數(shù)據(jù)，選擇 build dense point cloud 按鈕，設置參數(shù)，在 quality 選項中，如果選擇higher，則需要很長的執(zhí)行時間，要求更多的計算資源，選擇 low 可以快速處理。在 depth filtering 選項中，如果重建的幾何場景相對復雜，有更多的細節(jié)，例如屋頂，推薦使用 mild?？梢岳霉ぞ呦渲?delete/ crop 工具對密集點云中不需要的點進行刪除。點擊view 工具中的 point cloud、dense cloud、dense cloud工具將顯示生成的密集點云，最終得到正射影像、DOM 和 DSM。

(3) 滑坡監(jiān)測設置：利用 Arc GIS10.1 軟件，基于DEM 和 DSM 定量計算出滑坡位移量，滑坡體積和面積，結(jié)合位移方向計算出位移速度。根據(jù)無人機搭載的數(shù)碼相機的配置參數(shù)不同，監(jiān)測到的結(jié)果達到的精度不同。后期的監(jiān)測只需將航線直接導入到飛行控制系統(tǒng)，就可以在現(xiàn)場直接進行飛行采集工作，大大縮短工作時間。

林海玉[30]等人對三峽庫區(qū)的一山梁進行研究，因三峽水庫蓄水，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，嚴重威脅斜坡下方省級公路運輸以及長江支流航運安全。為有效防止該不穩(wěn)定斜坡發(fā)生變形而引發(fā)災害，決定對其實施監(jiān)測預警?？紤]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，通過數(shù)字攝影測量處理最后生成了空間分辨率為 5 cm 的數(shù)字正射影像DOM 和數(shù)字高程模型 DEM 等遙感成果。借助上述遙感影像成果，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，這是通過地面調(diào)查很難實現(xiàn)的。后期對該不穩(wěn)定滑坡實現(xiàn)了常態(tài)化的小型無人機遙感監(jiān)測，再次工作時可以通過航線導入將時間壓縮到 30 min以內(nèi)，這是其他監(jiān)測方式不具備的。更重要的是可以通過每期監(jiān)測獲得的遙感影像成果與前期進行對比分析，從而真正實現(xiàn)防災減災。

4 結(jié)論與展望

目前，無人機航拍技術(shù)還存在一些技術(shù)方法方面的不足需要改進。首先，突發(fā)地質(zhì)災害多在山區(qū)等地理條件惡劣的地方，對大型無人機起降的技術(shù)要求極大，小型輕型無人機可以采用彈射起飛或者撞網(wǎng)降落的方式，但是由于其質(zhì)量比較輕，抗風性很差，所以航攝過程中的穩(wěn)定性就顯得尤為重要；其次，無人機機載的多為小型的數(shù)字相機，存在影像像幅小，數(shù)量多的缺點。不能滿足快速處理和拼接航拍影像數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)地質(zhì)災害監(jiān)測的實時性和快應急性的要求。總而言之，滑坡提取和監(jiān)測不能僅局限于某一種方法，而應結(jié)合各種方法取長補短，對滑坡的孕育過程進行綜合預測和評價，為滑坡的治理作出合理的預判，最大程度地避免滑坡地質(zhì)災害的產(chǎn)生。

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The Application of Highway Landslide Monitoring Based on Unmanned Aerial Vehicle 3D Photography Technology

Tian Ji, Sun Hu, Wang Bin, Li Qiang, Chen Yingyun, Yang Rulan, ZhangZhiming
Institute of Ecology and Geobotany, School of Ecology and Environmetal Science YNU, Kunming, Yunnan 650091, China

So many mountainous highway brings the serious landslide disaster in our country, it has always been a problem for scholars and engineers how to take effective measures to cope with the occurrence of landslides.Landslide monitoring is the main and the most effective mean for landslide control and has been widely recognized.It has very important practical signi ficance to reduce highway landslide disaster and make prevention scheme.Now all kinds of monitoring techniques are widely used, including unmanned aerial vehicle (UVA),UVA as the rise of emerging technology in recent years, with high efficiency, high accuracy data, the characteristics of convenient and quick operation.In this paper, through summarizing the development condition of landslide monitoring technology around home and abroad, and compares the advantages and disadvantages of different methods, it is concluded that the UVA remote sensing technology application of landslide monitoring and realistic signi ficance in the future.

UAV remote sensing; roadlandslide; monitoring

10.11871/j.issn.1674-9480.2017.03.006

國家科技支撐計劃“受威脅區(qū)域生物多樣性恢復及示范”(2017YFC0505206)

張志明 (zhiming_zhang76@hotmail.com)

2016年12月20日

田 冀：云南大學生態(tài)無環(huán)境學院，碩士研究生，主要研究方向為無人機攝影技術(shù)的研究。

E-mail:601024403@qq.com

孫 虎：云南大學，碩士研究生，主要研究方向為遙感與地理信息系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)評估、無人機攝影技術(shù)等方面。

E-mail:1071872920@qq.com

王 彬：云南大學生態(tài)學與環(huán)境學院，碩士研究生，主要研究方向為景觀生態(tài)學、近地面遙感。

E-mail:472917878@qq.com

李 強：云南大學，碩士研究生，主要研究方向為遙感與地理信息系統(tǒng)。

E-mail:473477633@qq.com

陳盈赟：云南大學，碩士研究生，主要研究方向為城市生態(tài)。

E-mail:543291986@qq.com

楊汝蘭：云南大學，碩士研究生，主要研究方向為生態(tài)系統(tǒng)氣候調(diào)節(jié)方法研究。

E-mail:2015109297@qq.com

張志明：云南大學生態(tài)與環(huán)境學院副院長，云南大學地植物研究所副所長，副教授，主要研究方向為遙感與地理信息系統(tǒng)、無人機攝影技術(shù)在生態(tài)監(jiān)測、測繪方面的應用。

E-mail:zhiming_zhang76@hotmail.com