編者按：我國西南地區是地質災害多發區域，為了更好地了解西南地區地質災害分布規律及危害特征，探索無人機航測技術在地質災害中的應用，有效進行防災減災工作，本文使用V500傾斜版無人機系統，搭載五鏡頭多目攝影相機，探測獲取了涼山州龍門溝泥石流形態、溝道、物源及分區等相關參數，為泥石流災害防治提供了數據支持及研究案例，以下為具體內容。
基于多目攝影精細化重構的無人機泥石流災害探測技術研究
鄒楊1,2，董秀軍1，張廣澤2，李建強2，李向東2，李天雨2
(1.成都理工大學，成都 610059；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)
摘要：近年來西南地區地質災害頻發，無人機航測技術在地質災害探測中具有明顯優勢。本文采用垂起固定翼無人機作為平臺，搭載五鏡頭多目攝影相機，探測獲取了涼山州龍門溝泥石流形態、溝道、物源及分區等相關參數。闡述并討論了五鏡頭多目攝影相機的優勢和無人機航測技術在泥石流災害探測中的具體應用方法和應用效果，主要得到以下幾點認識：(1)五鏡頭多目攝影相機與傳統單目相機相比具有能夠從垂直、傾斜多個不同角度采集數據的優勢，獲取的高清影像數據經過精細化重構后生成的正射影像、三維模型紋理更加全面、分辨率更高；(2)利用精細化重構生產的正射影像和三維模型，解譯出泥石流災害區滑坡、崩塌、巖堆、危巖落石物源總計21處，并根據平均厚度和面積估算出各物源物質的凈儲量和動儲量，為防治設計提供了數據基礎；(3)無人機航測技術具有機動靈活、應急性強、勘察范圍大、可溯化強、飛行成本低等優勢，在災害探測中具有較高的推廣價值和意義。
關鍵詞：多目攝影；垂起固定翼；精細化重構；泥石流
Research on UAV debris flow disaster detection technology based on fine reconstruction of multi-camera
ZOU Yang1,2，DONG Xiu Jun1，ZHANG Guang Ze2，LI Jian Qiang2，LI Xiang Dong2，ZHANG Ying Xu2
（1. Chengdu University of Technology, Sichuan Chengdu 610059,China; 2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd, Sichuan Chengdu 610031,China）
Abstract: In recent years, geological disasters have occurred frequently in the southwest region, and unmanned aerial vehicle aerial survey technology has obvious advantages in geological disaster detection. This article uses a suspended fixed wing unmanned aerial vehicle as a platform, equipped with a five lens multi camera camera, to detect and obtain relevant parameters such as debris flow morphology, channels, sources, and zoning in Longmen Gully, Liangshan Prefecture. The advantages of five lens multi camera photography and the specific application methods and effects of drone aerial survey technology in debris flow disaster detection were elaborated and discussed. The main understanding was as follows: (1) Compared with traditional monocular cameras, five lens multi camera photography has the advantage of being able to collect data from multiple different angles of vertical and tilt, and the obtained high-definition image data is finely reconstructed to generate orthophoto images The texture of the 3D model is more comprehensive and has higher resolution；(2) By using refined reconstruction of orthophoto images and three-dimensional models, a total of 21 sources of landslides, collapses, rock heaps, and dangerous rocks in the debris flow disaster area were interpreted. The net and dynamic reserves of each source material were estimated based on the average thickness and area, providing a data basis for prevention and control design；(3) The unmanned aerial vehicle aerial survey technology has advantages such as flexibility, strong emergency response, large survey range, strong traceability, and low flight cost, and has high promotion value and significance in disaster detection.
Key words：Multi camera; Hang up the fixed wing; Refined reconstruction; Debris flow
引言
西南山區特別是甘孜、阿壩、涼山地區海拔高，地質運動活躍，自然環境復雜多變，河水深切，地質災害頻發，傳統的“上山到頂、下溝到底”的地質調查法和光學遙感衛星能實現對災害點的勘察，但是存在以下主要問題：①衛星分辨率較低，對某一單一特定區域的泥石流溝災害無法進行精確的定量化勘察；②衛星受天氣、云層等自然環境因素影像較大；③衛星拍攝周期長，無法獲取泥石流發生前后短時間內的周期數據；④傳統人工地質調查法雖然勘察精度較高，但無法矢量化、全局化和可溯化，費時費力。在這種情況下，必須在地方和區域兩級持續監測泥石流，快速、準確、高效地獲取災害區多級數據，才能對泥石流災害特征進行定性、定量的評價分析。
隨著無人機硬件和軟件技術的快速發展和帶有導航模塊的傳感器的技術進步使得利用無人機作為遙感平臺成為了可能[1]。這種可能催生了獲取基于無人機的遙感數據的新方向。這種方向擁有獲取超高分辨率影像數據、綜合光譜和幾何數據的能力、同時還可將多傳感器數據進行融合[2]。曾濤等[3]利用無人機技術快速獲取地質的高清遙感數據，并得到了地震區滑坡、泥石流等次生地質災害的空間位置信息；朱嬋蓮等[4]、葉偉林等[5]、郭晨等[6]將無人機傾斜攝影測量技術應用于突發性地質災害的應急搶險工作之中，取得了很好的效果；董秀軍等[7]、吳振宇等[8]通過無人機平臺降低了地質災害勘察的人力物力成本、大大提高了地質災害的數據獲取處理效率，對突發性地質災害加快了處置速度。
本文以垂起固定翼無人機作為平臺,搭載五鏡頭多目攝影相機，在平飛的狀態下從多個角度大范圍地快速獲取了龍門溝泥石流災害區地高清影像數據，并利用精細化重構技術生產出高清度的正射影像和實景三維模型產品，產品滿足測繪規范要求，進一步通過二三維聯合遙感解譯，解譯出泥石流災害區滑坡、崩塌、巖堆、危巖落石物源總計21處，并根據平均厚度和面積估算出各物源物質的凈儲量和動儲量，為防治設計提供了數據基礎，彌補了傳統人工調查法的不足，為泥石流災害區探測研究、特征解譯、應急處置提供了一種新的思路和技術參考。[9-17]
1、研究綜述
1.1研究區概況
龍門溝泥石流災害研究區位于涼山州甘洛縣境內蘇雄鄉附近，為中低山溝谷地貌，匯水面積較大。溝谷狹窄，從溝口至山上約3km處呈 “U”字型，從3km處向上到山頂主要為“V”字型。上游有一條支溝呈“Y”字型發育。中上部山坡地表植被較發育，溝槽等低洼地帶覆土較厚。自然坡度10°～50°，局部較陡，危巖落石、崩塌、滑坡等不良地質發育。雨季水量豐富，是典型的暴雨泥石流區，具體研究位置見圖1。
圖1 研究區地理位置和高清遙感圖
Fig.1 Geographic location and high-resolution remote sensing map of the study area
1.2研究總技術路線
針對所選取的涼山州成昆擴能鐵路龍門溝泥石流災害區山高谷深，地勢起伏極大等特點，選擇新型垂直起降固定翼無人機V500實現對泥石流溝谷區的高清影像數據的快速獲取，研究中采用的總技術路線圖見圖2。
圖2 研究總技術路線圖
Fig.2 Research general technical roadmap
2、多目攝影無人機數據采集及空間定向數據處理流程
多目攝影技術是通過無人機作為載荷平臺，在平臺上搭載五鏡頭高精度光學鏡頭或多光譜等非接觸式傳感器獲取研究區內地表高清遙感影像數據，五鏡頭多目攝相原理如圖3。
圖3五鏡頭多目相機與單鏡頭相機原理對比圖
Fig. Comparison diagram of principles between five lens multi camera and single lens camera
2.1多目攝影數據獲取流程
龍門溝泥石流溝谷區地勢復雜，溝谷深切，溝道最低點海拔約830m，兩側物源區高山最高點海拔約2193m，高差達到1363m，飛行難度極大，為了確保飛行安全，避免無人機撞山引發飛行事故，將固定翼無人機飛行相對高度設置為1339m~1549m，在山腰處起飛，地面分辨率10cm/px，航向和旁向重疊度均設置為70%。
此外利用飛馬無人機管家實現對泥石流溝谷區的航線規劃，采用五鏡頭在一個曝光點以不同角度獲取5張地面影像數據，以固定翼平飛的模式實現傾斜攝影，共計獲取溝谷區精細化重構影像1775張，作業面積8.857平方公里，共計6條航線。具體航線布設見圖4。
圖4 無人機航線規劃圖
Fig.4 UAV route planning diagram
2.2多角度影像精準匹配定向處理
經過空三解算后，從多目相機采集的高清影像中選取一定間隔距離分布于溝谷地區的明顯的地物特征點進行相片刺點，刺點以GCD+點號命名（圖5），并作為精準匹配定向的地面控制點，由施工隊測量人員通過引取CPⅢ控制點以導線測量測量的方式獲取其精確坐標，實現影像的絕對定向和點精度校正。
圖5 相片刺點、地面控制點布設圖
Fig.5 Photo prick point and ground control point layout
2.3精度分析
本次泥石流災害溝谷區三維實景模型采用smart3D軟件生成，正射影像DOM和數字表面模型DSM利用PIX4D軟件生產，根據PIX4D質量報告顯示本次處理航測地面分辨率GSD為11.7cm/pixel，明顯高于1549m飛行高度固定翼單鏡頭飛行的地面分辨率，生產正射影像耗時30分16秒，生產數字表面模型DSM耗時52分55秒，數據處理時間和質量均為最佳。研究區平面較差絕對值的最大值為0.3m，平面中誤差為±0.18m，高程較差絕對值的最大值為0.9m， 高程中誤差為±0.23m，符合《低空數字航空攝影測量 內業規范》（GH/Z3003—2010）規范相關要求。
3、龍門溝泥石流災害特征提取分析
3.1泥石流地形特征提取與分析
龍門溝流域內老成昆鐵路既有線鐵路橋位于溝口，新建成昆擴能工程依布雙線大橋位于既有線上方靠山側，根據泥石流物源區遙感解譯和地形特征提取分析的需求，獲取泥石流后方物源區及溝谷區無人機航測成果數據（圖6）。
(a)溝谷區數字正射影像(DOM)、(b)溝谷區數字地表模型(DSM)
(c)溝谷區三維重構實景模型、(d)溝谷區三維數字地表模型
圖6 五鏡頭高清影像精細化重構成果數據
Fig.6 Five-lens high-definition image fine reconstruction result data
根據精細化重構后生產的DOM正射影像圖和實景三維模型量測得到龍門溝平面圖(圖7)，龍門溝流域呈狹長形，主溝槽長約15.747km，主要的支溝總長4km，流域面積51.466km2，溝谷區內海拔最高點2800m，最低點740m，相對高差約2060m。
圖7龍門溝泥石流溝谷平面圖
Fig.7 Plan of Debris Flow Gully in Longmen Valley
由生產出的溝谷區三維DSM數字表面模型解譯可知溝谷區總體上呈上陡下緩趨勢，總體坡度平均約8.6°（縱橫比0.151）；1號主支溝長度800m，總體坡度為42°；2號主支溝長度3200m，總體坡度為30°，其中后側靠山處最陡，坡度約60°。
4、物源及分區
4.1物源分區遙感解譯
如圖8所示，利用精細化重構生產的數字正射影像和三維實景模型開展二三維綜合遙感解譯工作，依照滑坡、崩塌典型解譯標志對溝谷兩側岸坡進行遙感解譯，結果表明溝內物源主要來自于四種不良地質：主要滑坡物源3處、主要崩塌物源14處、主要巖堆物源2處、主要危巖落石2處，為潛在崩塌。主要滑坡物源分布在主溝中下游，崩塌物源在主溝上中下游均有分布，主要分布在主溝中上游，巖堆物源主要分布于主溝中下游，危巖落石物源分布于主溝中下游。
圖8 龍門溝全域物源及分區遙感解譯圖
Fig.8 Remote Sensing Interpretation Map of the Whole Area Source and Division in Longmen Valley
唐川[18]等提出了震區崩、滑坡面積與其厚度關系，利用該關系可推導出崩、滑區域平均厚度：
t=1.431n(SL)-4.985 (1)
式中：t為崩、滑坡平均厚度(m)；SL為崩、滑坡面積(㎡ )[19]。結合喬建平[20]和張友誼[21]的震區泥石流物源儲量評價方法，利用式(1)所計算得到的平均厚度值和GIS技術對龍門溝DSM模型所統計得到的崩滑坡面積，可估算預測出龍門溝下一次泥石流發生時松散物源凈儲量為20.57×106m3，最大動儲量為96.3×104m3。滑坡物源凈儲量為83.48×105m3，動儲量為29.48×104m3，總凈儲量占比約40%；崩塌物源凈儲量為49.59×105m3，動儲量為36.25×104m3，總凈儲量占比約24%；巖堆物源凈儲量為36.64×105m3，動儲量為30.59×104m3，總凈儲量占比約36%。
4.2泥石流防治建議
（1）修建泥石流導流槽，并設計一定縱坡，使泥石流能順暢通過，及時排入尼日河。
（2）泥石流導流槽高度要考慮泥石流超高。
（3）泥石流爆發時可能在溝內局部形成堵塞、形成暫時性堰塞湖，造成更大的破壞力。
（4）對溝口布置的施工營地和場地，汛期應安排專人值班、巡視溝道；同時監測山洪和泥石流發生前的征兆，提前判斷、超前預報，一旦發生山洪泥石流，應及時組織搶險救災。
5、結論
本文利用垂起固定翼無人機搭載五鏡頭多目攝影相機在涼山州龍門溝泥石流災害探測工作中，快速獲取了泥石流溝谷區多角度大范圍高清低空遙感數據，對物源物質進行了遙感解譯分區和估算，同時快速的獲取了災害區幾何特征參數，為災害的防治設計提供了基礎數據，能夠有效保障下游人民群眾和鐵路大橋等基礎設施的安全，同時得出如下結論：
（1）五鏡頭多目攝影和精細化重構技術能夠大大地提高固定翼無人機勘察的精度，同時又遠比旋翼機勘察范圍更大，在精度方面，平面較差、中誤差和高程較差、中誤差均滿足《低空數字航空攝影測量 內業規范》（GH/Z3003—2010）規范相關要求。
（2）龍門溝泥石流流域呈狹長形，主溝槽長約15.747km，主要的支溝2條，總長4km，流域面積51.466km2，溝谷區內海拔最高點2800m，最低點740m，相對高差約2060m，主溝總體坡度平均約8.6°（縱橫比0.151）。
（3）利用精細化重構生產的正射高清影像(DOM)和三維實景模型進行二三維綜合遙感解譯，共判識出主要滑坡物源3處、主要崩塌物源14處、主要巖堆物源2處、主要危巖落石2處，并根據平均厚度和面積估算出各物源物質的凈儲量和動儲量，為防治設計提供了數據基礎。
（4）五鏡頭多目攝影設備和精細化重構技術能快速獲取低空高清遙感數據。大大的節約了災害處置的人力成本，提高了災害處置在數據獲取和內業處理的效率，有效的保障了地質災害應急處置的時效性，具有極大的推廣價值和意義。
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注：本文獲作者授權轉載，版權歸作者所有。
