李倩文，李勇，王艷清，林靜

（四川九洲北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)有限公司，四川 綿陽 621000）

中國地質(zhì)災(zāi)害點多面廣，滑坡、崩塌、泥石流等致災(zāi)因素眾多，大多地處高位且被植被覆蓋。2022 年中國降水“南北多，中間少”，區(qū)域性、階段性旱澇災(zāi)害明顯，根據(jù)預(yù)測，中國地質(zhì)災(zāi)害防治形勢依然嚴(yán)峻，且呈現(xiàn)出隱蔽性強(qiáng)、突發(fā)性高、破壞力大、災(zāi)害鏈長等特點。地災(zāi)詳查技術(shù)是能有效減少危害的手段之一，也是事前監(jiān)測預(yù)警、精準(zhǔn)防治的基礎(chǔ)。采用傳統(tǒng)的人工排查和群測群防方式效率低下，易危及調(diào)查人員人身安全，且不易早期發(fā)現(xiàn)問題和有效排查。通過遙感衛(wèi)星影像進(jìn)行調(diào)查，又受時間分辨率、天氣環(huán)境及成本等因素的制約。近些年發(fā)展起來的無人機(jī)低空遙感具有機(jī)動性強(qiáng)、自動化程度高、數(shù)據(jù)精度高、時效性高、可搭載多種類型傳感器等技術(shù)優(yōu)勢，可有效降低人員實地調(diào)查的危險度，在復(fù)雜地形地貌中也可獲取到優(yōu)秀的數(shù)據(jù)反饋，極大減輕人員工作量。為地質(zhì)災(zāi)害的提前排查與圈定提供科學(xué)依據(jù)，可在高位、隱蔽性地質(zhì)災(zāi)害早期識別工作中發(fā)揮重要作用。

1 無人機(jī)低空遙感技術(shù)介紹

近年來隨著傳感、遙感、飛控、云臺、計算式視覺、圖像傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)的快速進(jìn)步與完善，無人機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用也進(jìn)入了快車道。按照外形結(jié)構(gòu)劃分，無人機(jī)主要包括固定翼、多旋翼、無人直升機(jī)3 大類，此外還有飛艇等。其中，多旋翼無人機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低，且能垂直起降活動方便，因而在民用領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

無人機(jī)遙感（UAV Remote Sensing，UAVRS）是利用先進(jìn)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)、通信技術(shù)、POS（Position and Orientation System）定位定姿技術(shù)、GPS 差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，具有自動化、智能化、專業(yè)化快速獲取國土、資源、環(huán)境、事件等空間遙感信息，并進(jìn)行實時處理、建模和分析的先進(jìn)新興航空遙感技術(shù)解決方案。無人機(jī)遙感系統(tǒng)（UAV Remote Sensing System，UAVRSS）是一種以UAV 為平臺，以各種成像與非成像傳感器為主要載荷，飛行高度一般在幾千米內(nèi)，能夠獲取遙感影像、視頻、點云等多種類型數(shù)據(jù)的無人航空遙感測量系統(tǒng)。目前，成熟完備的民用UAVRSS 主要由飛行平臺系統(tǒng)、輕小型多功能對地觀測傳感系統(tǒng)、遙感空基交互控制系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)快速處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、綜合保障系統(tǒng)與裝置、地面后勤人員等組成[1]。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)不同的任務(wù)需求，選擇合適的無人機(jī)平臺及搭載任務(wù)設(shè)備，如SAR（Synthetic Aperture Radar）以及其擴(kuò)展技術(shù)設(shè)備、機(jī)載LiDAR（Light Detection and Ranging）、傾斜航拍、正射航拍等設(shè)備。

2 在地質(zhì)災(zāi)害詳查中的應(yīng)用

地質(zhì)災(zāi)害主要包括滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉降6 大類型。四川是全國地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的省份之一，截至2021 年底，四川省已排查發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡、泥石流等各類地質(zhì)災(zāi)害隱患點30 861 處，分布在全省21 個市（州）、176 個縣（市、區(qū)），對123 萬余名群眾生命和近800 億元財產(chǎn)安全構(gòu)成不同程度的威脅。搞清楚“隱患在哪里”是中國地質(zhì)災(zāi)害防治工作的核心問題之一，只有在有效識別的基礎(chǔ)上才能通過地表地物的異?，F(xiàn)象來實現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)警，有效防治。

為保證人民生命和財產(chǎn)安全，相關(guān)單位必須定期開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作。傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方法大多采用工作人員地表踏勘巡查方式，基于點觀測進(jìn)行致災(zāi)地質(zhì)因素排查工作，在廣域范圍內(nèi)識別費(fèi)時費(fèi)力、效率低下、周期長、不能全區(qū)覆蓋，排查區(qū)域受地形影響，可能給巡邏人員帶來人身安全隱患等問題，使排查結(jié)果不能及時有效地指導(dǎo)人民安全生產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)。根據(jù)Roosevelt 在土耳其西部的區(qū)域地形測量實踐表明，無人機(jī)低空遙感測量效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出傳統(tǒng)人工測量的1 個數(shù)量級，數(shù)據(jù)密度至少高出2 個數(shù)量級。因此將無人機(jī)低空遙感技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害詳查，能夠極大程度確保野外人員安全性的同時減輕人員工作量、提升工作效率與監(jiān)測質(zhì)量。

隨著小型化、輕型化傳感器及遙感設(shè)備的研制，無人機(jī)遙感的數(shù)據(jù)獲取范圍越來越廣。依靠無人機(jī)遙感技術(shù)，通過變更無人機(jī)上搭載的任務(wù)設(shè)備，可獲取多時相、多光譜、多分辨率的不同類型遙感數(shù)據(jù)。如搭載高精度合成孔徑雷達(dá)干涉測量設(shè)備，可以發(fā)現(xiàn)正在“活動”的隱患，特別是一些微小緩慢、人不易察覺的地表變形；搭載高分光學(xué)遙感影像設(shè)備，可直觀反映地表覆蓋、地物類型等要素，揭示與隱患相關(guān)的地表特征，如裂縫、鼓丘、滑塌等現(xiàn)象；搭載激光雷達(dá)設(shè)備，可穿透植被，清晰看到斜坡結(jié)構(gòu)、斷層裂縫等地表信息；對獲取到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以構(gòu)建目標(biāo)區(qū)域的三維模型。將不同種類的原數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合使用，可有助于識別災(zāi)害體的位置、范圍、朝向、坡向等形態(tài)信息[2]，從而為專業(yè)人員結(jié)合孕災(zāi)規(guī)律和地質(zhì)條件靶向核查提供充分的信息和依據(jù)，完成傳統(tǒng)航空遙感與衛(wèi)星遙感無法完成的工作。

快速高效獲取高精度、高分辨率的影像，提高監(jiān)測效率、監(jiān)測范圍、監(jiān)測能力，實現(xiàn)了對“人不易至”的隱蔽、高位遠(yuǎn)程地質(zhì)災(zāi)害點的識別與監(jiān)測。既能較好地應(yīng)用于面域較廣的災(zāi)后調(diào)查及災(zāi)情評估，又能滿足各監(jiān)管部門對災(zāi)情的動態(tài)需求，為各級應(yīng)急管理部門決策需求、災(zāi)害現(xiàn)場作業(yè)等提供了及時、高效、精準(zhǔn)的無人機(jī)救援力量保障和信息支撐。

3 結(jié)果與討論

3.1 應(yīng)用無人機(jī)低空遙感在地災(zāi)詳查方面的優(yōu)勢

相比于常規(guī)環(huán)境下的遙感應(yīng)用，地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境下的遙感有更高的要求，基于某種特定災(zāi)害的地學(xué)原理、形態(tài)特征來對災(zāi)害體實施有效識別，而無法直接以色彩、紋理或色調(diào)等，對災(zāi)害體進(jìn)行明確的標(biāo)注；還需要在一定程度上熟悉次生地質(zhì)災(zāi)害，只有這樣才能夠很好滿足災(zāi)害防治的相關(guān)要求。相較于傳統(tǒng)航天遙感技術(shù)、航空遙感技術(shù)等，無人機(jī)低空遙感技術(shù)具備以下優(yōu)勢：無人機(jī)航行高度為云層高度以下，規(guī)避了云層針對數(shù)據(jù)采集可能造成的干擾效果，從而使獲取遙感數(shù)據(jù)更加可靠易用，具有更加優(yōu)秀的空間數(shù)據(jù)質(zhì)量；無人機(jī)體積小，輕便易攜帶，且對起飛和降落場地要求低，具備在任何時間開展監(jiān)測和及時傳輸?shù)膬?yōu)勢；無人機(jī)可以針對興趣區(qū)域進(jìn)行高頻次監(jiān)測，補(bǔ)充了航空航天遙感技術(shù)只能周期性采集遙感數(shù)據(jù)的缺陷，可以實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測。

相較于傳統(tǒng)人工排查和群測群防，利用無人機(jī)低空遙感技術(shù)可顯著減少人員工作量、擴(kuò)大工作范圍、減少實地調(diào)查的危險性、降低工作成本。在災(zāi)害預(yù)報、監(jiān)測與評估中，災(zāi)害勘查與救援人員往往受制于災(zāi)區(qū)環(huán)境風(fēng)險，導(dǎo)致一時無法安全抵近，而遙感無疑是一種快速部署、零傷亡的災(zāi)情獲取技術(shù)手段。UAV 災(zāi)害遙感監(jiān)測作為遙感監(jiān)測的一部分，很好地彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感、航空遙感等對地觀測精度、時效和頻度上的不足，完善了對地觀測技術(shù)在災(zāi)害中的應(yīng)用。

現(xiàn)在擁有的眾多地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測儀器，如裂縫報警器、滑坡伸縮儀、高精度GPS 等，在地災(zāi)預(yù)警中具有重要價值和地位，可以實現(xiàn)無人值守長期自動監(jiān)測報警。但專業(yè)監(jiān)測儀器的高費(fèi)用也限制了其大范圍推廣利用，而且由于地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)性與難以預(yù)知性、分布呈小規(guī)模、數(shù)量多等特點，導(dǎo)致儀器監(jiān)測缺乏目的性。但無人機(jī)可根據(jù)需求搭載不同類型的探測儀，從而獲取不同類型的數(shù)據(jù)。獲得的成果地面分辨率高、數(shù)據(jù)質(zhì)量好，具備垂直和傾斜成像的技術(shù)能力，可直觀清晰定位滑坡和裂縫，為地災(zāi)防治提供依據(jù)。

此外，在地質(zhì)災(zāi)害詳查的各個階段，如提前調(diào)查評價、事前監(jiān)測預(yù)警、事中應(yīng)急指揮決策、事后災(zāi)害評估中，均可使用無人機(jī)低空遙感技術(shù)參與數(shù)據(jù)獲取。

總之，傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感和人工排查在復(fù)雜氣候條件和地形條件下難以發(fā)揮作用。而無人機(jī)因為具有較強(qiáng)的靈活性，并且對氣候條件有較強(qiáng)的適應(yīng)性，所以在這方面有顯著應(yīng)用優(yōu)勢；再加上無人機(jī)可以無懼污染、輻射，所以在高風(fēng)險地形條件下，同樣可以發(fā)揮應(yīng)有的監(jiān)測和評估功能。

3.2 應(yīng)用無人機(jī)低空遙感在地災(zāi)方面的發(fā)展現(xiàn)狀

中國是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，災(zāi)害種類多、分布范圍廣、發(fā)生頻率高、造成的損失重，對人民生命財產(chǎn)安全造成了極大的威脅，是影響社會穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素[3]。根據(jù)習(xí)近平總書記關(guān)于應(yīng)急管理與防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)的重要論述和重要指示精神，應(yīng)急管理部國家減災(zāi)中心（以下簡稱“中心”）積極適應(yīng)新發(fā)展、新需求，業(yè)務(wù)重心由災(zāi)后救援和評估向災(zāi)前風(fēng)險防范和監(jiān)測轉(zhuǎn)變。為打造“空-天-地”一體化的應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)，著眼于提高航空應(yīng)急應(yīng)用能力，借助無人機(jī)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的技術(shù)、平臺、載荷等優(yōu)勢，全力建設(shè)全國無人機(jī)應(yīng)急監(jiān)測一張網(wǎng)，打造無人機(jī)應(yīng)急云平臺，構(gòu)建高性能數(shù)據(jù)處理集群以及線上協(xié)同研判服務(wù)平臺，研發(fā)智能信息分析提取算法，高效滿足災(zāi)害應(yīng)急對航空高精度監(jiān)測評估產(chǎn)品的需求[4]。

2010 年1 月，建立“重大災(zāi)害無人機(jī)應(yīng)急監(jiān)測合作機(jī)制”，增補(bǔ)機(jī)制合作單位，吸納專業(yè)社會無人機(jī)隊伍，結(jié)合政府購買服務(wù)等方式，逐漸形成了一定規(guī)樣的無人機(jī)資源池，初步緩解了技術(shù)裝備不足和人員隊伍短缺等問題，大大提升了災(zāi)害應(yīng)對快速響應(yīng)能力。目前，機(jī)制內(nèi)共有20 余家合作單位及130 余支無人機(jī)隊伍可供中心調(diào)度，可實現(xiàn)全國中東部地區(qū)2～12 h、西部偏遠(yuǎn)地區(qū)12～48 h 應(yīng)急響應(yīng)。

2020 年4 月，中心開始著手研發(fā)無人機(jī)應(yīng)急云平臺（以下簡稱“云平臺”）。通過GIS、互聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)手段，可以對全國無人機(jī)資源進(jìn)行實時“管理、調(diào)度、監(jiān)控”，實現(xiàn)對無人機(jī)隊伍和裝備的統(tǒng)一調(diào)度，實時監(jiān)控飛行任務(wù)，以及實時回傳視頻和監(jiān)測數(shù)據(jù)并迅速外理，通過云平臺，各級應(yīng)急管理部門可以及時獲得災(zāi)害監(jiān)測、通信保障、物資投放和應(yīng)急處置等社會專業(yè)化無人機(jī)隊伍和裝備的支持。

2021 年5 月，一期云平臺上線，先后參與云南漾濞6.4 級地震以及河南鄭州“7·20”特大暴雨等重大自然災(zāi)害，多次在全國范圍內(nèi)啟動應(yīng)急響應(yīng)。2022 年6 月，優(yōu)化升級后的二期云平臺正式上線。

同時，在地震地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)探測[5]、區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害識別[6]、滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警[7]、地災(zāi)測繪[8-9]等方面都有應(yīng)用和不俗的表現(xiàn)。結(jié)果表明，無人機(jī)獲取的低空遙感數(shù)據(jù)可以快速、有效實現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害的精細(xì)化探測，結(jié)果可信度高，能夠較為精確地獲取土地利用變化、礦山地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模、分布等災(zāi)情特征。獲取的多時相數(shù)據(jù)還可以用于監(jiān)測各類地質(zhì)災(zāi)害的變化。

3.3 應(yīng)用無人機(jī)低空遙感在地災(zāi)詳查方面存在的限制

當(dāng)下的無人機(jī)遙感技術(shù)還有很大的發(fā)展空間，依然存在以下問題：由于無人機(jī)本身在續(xù)航瓶頸、發(fā)動機(jī)瓶頸等方面的技術(shù)所限，采用無人機(jī)進(jìn)行實際工作，其作業(yè)面相較于衛(wèi)星遙感而言較小，因此更適合局部詳查而非廣域普查；為確保公共安全與數(shù)據(jù)財產(chǎn)安全，避障技術(shù)，即姿態(tài)控制技術(shù)對于無人機(jī)飛行顯得至關(guān)重要，目前市面上常見的無人機(jī)避障技術(shù)主要分為紅外線傳感器方案、超聲波傳感器方案、激光傳感器方案及視覺傳感器方案4 類解決方案，但現(xiàn)有的解決方案仍處于探索階段，仍需不斷改進(jìn)傳感器、傳感算法和無人機(jī)設(shè)計。

在現(xiàn)有情況下，無人機(jī)對抗惡劣天氣環(huán)境的能力較差，飛行穩(wěn)定性仍會受到一定的考驗。如雷暴天氣仍會很大程度上影響無人機(jī)的飛行，導(dǎo)致信息獲取不準(zhǔn)確和損壞無人機(jī)。

3.4 應(yīng)用無人機(jī)低空遙感在地災(zāi)詳查方面的未來展望

各類實踐表明，通過應(yīng)用無人機(jī)航拍測繪技術(shù)，可以有效滿足相關(guān)人員對于地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測的需求，對于后續(xù)應(yīng)對工作的開展與落實具有積極的意義。同時，對無人機(jī)搜集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，相關(guān)人員可以進(jìn)一步建立災(zāi)區(qū)三維模型，從而提升應(yīng)對措施的科學(xué)性。以無人機(jī)作為遙感平臺獲取實時高分辨率各類所需數(shù)據(jù)，既能克服傳統(tǒng)依靠人工現(xiàn)場調(diào)查受制于惡劣氣象條件、危險環(huán)境、效率低等的影響，又能彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感因天氣和時間無法獲取感興趣區(qū)遙感信息的空缺，提供多角度、高分辨率的遙感成果，還能避免地面遙感工作范圍小、視野窄、工作量大等因素。在實際工作過程中，通過與其他技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建“空-天-地”一體化的應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)開展廣域普查，對普查出的可能疑似隱患點使用無人機(jī)低空遙感技術(shù)，開展更有針對性的局部詳查，專業(yè)人員根據(jù)局部詳查得到的數(shù)據(jù)反饋情況，再進(jìn)行有重點的調(diào)查復(fù)核及地面勘察和監(jiān)測，形成優(yōu)勢互補(bǔ)，為地災(zāi)詳查人員提供更加便捷、詳實與安全的數(shù)據(jù)來源。

利用無人機(jī)遙感技術(shù)可以多次拍攝不同角度不同層面的同一個地區(qū)，對這些拍攝照片進(jìn)行數(shù)據(jù)分析就可以得知完整準(zhǔn)確的現(xiàn)場現(xiàn)狀。在沒有發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域，使用無人機(jī)遙感技術(shù)，可及時監(jiān)測危險情況，分析出不穩(wěn)定的地殼運(yùn)動，從而可以及時對該地區(qū)進(jìn)行策略調(diào)整。如果實在無法避免災(zāi)害的發(fā)生，也可以及時疏散人群，努力將災(zāi)害的損失程度和傷害程度降到最低。

于此同時，無人機(jī)遙感技術(shù)還可以被應(yīng)用于災(zāi)后應(yīng)急指揮決策及事后災(zāi)害評估等方面?？梢詫σ寻l(fā)生災(zāi)害的地區(qū)地質(zhì)進(jìn)行二次分析，分析土壤情況，排查受傷人員，并對一些不穩(wěn)定、易發(fā)生次生災(zāi)害的區(qū)域進(jìn)行劃分，對下次災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測，這些都對后續(xù)救援工作的有序開展提供了很大的幫助。

4 結(jié)束語

總之，無人機(jī)低空遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害詳查的提前調(diào)查評價、事前監(jiān)測預(yù)警、事中應(yīng)急指揮決策、事后災(zāi)害評估等多方面均可提供可靠的數(shù)據(jù)支持與協(xié)助。在全域綜合整治、隱患風(fēng)險排查、綜合監(jiān)測預(yù)警、避讓管控、應(yīng)急處置及聯(lián)防聯(lián)控協(xié)同方面，都可以擁有不錯的表現(xiàn)與應(yīng)用。