论文分享丨飞马V500无人机在泥石流灾害探测技术中的应用研究

编者按：我国西南地区是地质灾害多发区域，为了更好地了解西南地区地质灾害分布规律及危害特征，探索无人机航测技术在地质灾害中的应用，有效进行防灾减灾工作，本文使用V500倾斜版无人机系统，搭载五镜头多目摄影相机，探测获取了凉山州龙门沟泥石流形态、沟道、物源及分区等相关参数，为泥石流灾害防治提供了数据支持及研究案例，以下为具体内容。

基于多目摄影精细化重构的无人机泥石流灾害探测技术研究

邹杨1,2，董秀军1，张广泽2，李建强2，

李向东2，李天雨2

(1.成都理工大学，成都 610059；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

摘要：近年来西南地区地质灾害频发，无人机航测技术在地质灾害探测中具有明显优势。本文采用垂起固定翼无人机作为平台，搭载五镜头多目摄影相机，探测获取了凉山州龙门沟泥石流形态、沟道、物源及分区等相关参数。阐述并讨论了五镜头多目摄影相机的优势和无人机航测技术在泥石流灾害探测中的具体应用方法和应用效果，主要得到以下几点认识：(1)五镜头多目摄影相机与传统单目相机相比具有能够从垂直、倾斜多个不同角度采集数据的优势，获取的高清影像数据经过精细化重构后生成的正射影像、三维模型纹理更加全面、分辨率更高；(2)利用精细化重构生产的正射影像和三维模型，解译出泥石流灾害区滑坡、崩塌、岩堆、危岩落石物源总计21处，并根据平均厚度和面积估算出各物源物质的净储量和动储量，为防治设计提供了数据基础；(3)无人机航测技术具有机动灵活、应急性强、勘察范围大、可溯化强、飞行成本低等优势，在灾害探测中具有较高的推广价值和意义。

关键词：多目摄影；垂起固定翼；精细化重构；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.

Keywords：Multi camera; Hang up the fixed wing; Refined reconstruction; Debris flow

00

引言

西南山区特别是甘孜、阿坝、凉山地区海拔高，地质运动活跃，自然环境复杂多变，河水深切，地质灾害频发，传统的“上山到顶、下沟到底”的地质调查法和光学遥感卫星能实现对灾害点的勘察，但是存在以下主要问题：①卫星分辨率较低，对某一单一特定区域的泥石流沟灾害无法进行精确的定量化勘察；②卫星受天气、云层等自然环境因素影像较大；③卫星拍摄周期长，无法获取泥石流发生前后短时间内的周期数据；④传统人工地质调查法虽然勘察精度较高，但无法矢量化、全局化和可溯化，费时费力。在这种情况下，必须在地方和区域两级持续监测泥石流，快速、准确、高效地获取灾害区多级数据，才能对泥石流灾害特征进行定性、定量的评价分析。

随着无人机硬件和软件技术的快速发展和带有导航模块的传感器的技术进步使得利用无人机作为遥感平台成为了可能[1]。这种可能催生了获取基于无人机的遥感数据的新方向。这种方向拥有获取超高分辨率影像数据、综合光谱和几何数据的能力、同时还可将多传感器数据进行融合[2]。曾涛等[3]利用无人机技术快速获取地质的高清遥感数据，并得到了地震区滑坡、泥石流等次生地质灾害的空间位置信息；朱婵莲等[4]、叶伟林等[5]、郭晨等[6]将无人机倾斜摄影测量技术应用于突发性地质灾害的应急抢险工作之中，取得了很好的效果；董秀军等[7]、吴振宇等[8]通过无人机平台降低了地质灾害勘察的人力物力成本、大大提高了地质灾害的数据获取处理效率，对突发性地质灾害加快了处置速度。

本文以垂起固定翼无人机作为平台,搭载五镜头多目摄影相机，在平飞的状态下从多个角度大范围地快速获取了龙门沟泥石流灾害区地高清影像数据，并利用精细化重构技术生产出高清度的正射影像和实景三维模型产品，产品满足测绘规范要求，进一步通过二三维联合遥感解译，解译出泥石流灾害区滑坡、崩塌、岩堆、危岩落石物源总计21处，并根据平均厚度和面积估算出各物源物质的净储量和动储量，为防治设计提供了数据基础，弥补了传统人工调查法的不足，为泥石流灾害区探测研究、特征解译、应急处置提供了一种新的思路和技术参考。[9-17]

01

研究综述

1.1研究区概况

龙门沟泥石流灾害研究区位于凉山州甘洛县境内苏雄乡附近，为中低山沟谷地貌，汇水面积较大。沟谷狭窄，从沟口至山上约3km处呈 “U”字型，从3km处向上到山顶主要为“V”字型。上游有一条支沟呈“Y”字型发育。中上部山坡地表植被较发育，沟槽等低洼地带覆土较厚。自然坡度10°～50°，局部较陡，危岩落石、崩塌、滑坡等不良地质发育。雨季水量丰富，是典型的暴雨泥石流区，具体研究位置见图1。

图1 研究区地理位置和高清遥感图

Fig.1 Geographic location and high-resolution remote sensing map of the study area

1.2研究总技术路线

针对所选取的凉山州成昆扩能铁路龙门沟泥石流灾害区山高谷深，地势起伏极大等特点，选择新型垂直起降固定翼无人机V500实现对泥石流沟谷区的高清影像数据的快速获取，研究中采用的总技术路线图见图2。

图2 研究总技术路线图

Fig.2 Research general technical roadmap

02

多目摄影无人机数据采集及空间定向数据处理流程

多目摄影技术是通过无人机作为载荷平台，在平台上搭载五镜头高精度光学镜头或多光谱等非接触式传感器获取研究区内地表高清遥感影像数据，五镜头多目摄相原理如图3。

图3五镜头多目相机与单镜头相机原理对比图

Fig. Comparison diagram of principles between five lens multi camera and single lens camera

2.1多目摄影数据获取流程

龙门沟泥石流沟谷区地势复杂，沟谷深切，沟道最低点海拔约830m，两侧物源区高山最高点海拔约2193m，高差达到1363m，飞行难度极大，为了确保飞行安全，避免无人机撞山引发飞行事故，将固定翼无人机飞行相对高度设置为1339m~1549m，在山腰处起飞，地面分辨率10cm/px，航向和旁向重叠度均设置为70%。

此外利用飞马无人机管家实现对泥石流沟谷区的航线规划，采用五镜头在一个曝光点以不同角度获取5张地面影像数据，以固定翼平飞的模式实现倾斜摄影，共计获取沟谷区精细化重构影像1775张，作业面积8.857平方公里，共计6条航线。具体航线布设见图4。

图4 无人机航线规划图

Fig.4 UAV route planning diagram

2.2多角度影像精准匹配定向处理

经过空三解算后，从多目相机采集的高清影像中选取一定间隔距离分布于沟谷地区的明显的地物特征点进行相片刺点，刺点以GCD+点号命名（图5），并作为精准匹配定向的地面控制点，由施工队测量人员通过引取CPⅢ控制点以导线测量测量的方式获取其精确坐标，实现影像的绝对定向和点精度校正。

图5 相片刺点、地面控制点布设图

Fig.5 Photo prick point and ground control point layout

2.3精度分析

本次泥石流灾害沟谷区三维实景模型采用smart3D软件生成，正射影像DOM和数字表面模型DSM利用PIX4D软件生产，根据PIX4D质量报告显示本次处理航测地面分辨率GSD为11.7cm/pixel，明显高于1549m飞行高度固定翼单镜头飞行的地面分辨率，生产正射影像耗时30分16秒，生产数字表面模型DSM耗时52分55秒，数据处理时间和质量均为最佳。研究区平面较差绝对值的最大值为0.3m，平面中误差为±0.18m，高程较差绝对值的最大值为0.9m， 高程中误差为±0.23m，符合《低空数字航空摄影测量 内业规范》（GH/Z3003—2010）规范相关要求。

03

龙门沟泥石流灾害特征提取分析

3.1泥石流地形特征提取与分析

龙门沟流域内老成昆铁路既有线铁路桥位于沟口，新建成昆扩能工程依布双线大桥位于既有线上方靠山侧，根据泥石流物源区遥感解译和地形特征提取分析的需求，获取泥石流后方物源区及沟谷区无人机航测成果数据（图6）。

(a)沟谷区数字正射影像(DOM)、(b)沟谷区数字地表模型(DSM)

(c)沟谷区三维重构实景模型、(d)沟谷区三维数字地表模型

图6 五镜头高清影像精细化重构成果数据

Fig.6 Five-lens high-definition image fine reconstruction result data

根据精细化重构后生产的DOM正射影像图和实景三维模型量测得到龙门沟平面图(图7)，龙门沟流域呈狭长形，主沟槽长约15.747km，主要的支沟总长4km，流域面积51.466km²，沟谷区内海拔最高点2800m，最低点740m，相对高差约2060m。

图7龙门沟泥石流沟谷平面图

Fig.7 Plan of Debris Flow Gully in Longmen Valley

由生产出的沟谷区三维DSM数字表面模型解译可知沟谷区总体上呈上陡下缓趋势，总体坡度平均约8.6°（纵横比0.151）；1号主支沟长度800m，总体坡度为42°；2号主支沟长度3200m，总体坡度为30°，其中后侧靠山处最陡，坡度约60°。

04

物源及分区

4.1物源分区遥感解译

如图8所示，利用精细化重构生产的数字正射影像和三维实景模型开展二三维综合遥感解译工作，依照滑坡、崩塌典型解译标志对沟谷两侧岸坡进行遥感解译，结果表明沟内物源主要来自于四种不良地质：主要滑坡物源3处、主要崩塌物源14处、主要岩堆物源2处、主要危岩落石2处，为潜在崩塌。主要滑坡物源分布在主沟中下游，崩塌物源在主沟上中下游均有分布，主要分布在主沟中上游，岩堆物源主要分布于主沟中下游，危岩落石物源分布于主沟中下游。

图8 龙门沟全域物源及分区遥感解译图

Fig.8 Remote Sensing Interpretation Map of the Whole Area Source and Division in Longmen Valley

唐川[18]等提出了震区崩、滑坡面积与其厚度关系，利用该关系可推导出崩、滑区域平均厚度：

t=1.431n(SL)-4.985 (1)

式中：t为崩、滑坡平均厚度(m)；SL为崩、滑坡面积(㎡ )[19]。结合乔建平[20]和张友谊[21]的震区泥石流物源储量评价方法，利用式(1)所计算得到的平均厚度值和GIS技术对龙门沟DSM模型所统计得到的崩滑坡面积，可估算预测出龙门沟下一次泥石流发生时松散物源净储量为20.57×106m³，最大动储量为96.3×104m³。滑坡物源净储量为83.48×105m³，动储量为29.48×104m³，总净储量占比约40%；崩塌物源净储量为49.59×105m³，动储量为36.25×104m³，总净储量占比约24%；岩堆物源净储量为36.64×105m³，动储量为30.59×104m³，总净储量占比约36%。

4.2泥石流防治建议

（1）修建泥石流导流槽，并设计一定纵坡，使泥石流能顺畅通过，及时排入尼日河。

（2）泥石流导流槽高度要考虑泥石流超高。

（3）泥石流爆发时可能在沟内局部形成堵塞、形成暂时性堰塞湖，造成更大的破坏力。

（4）对沟口布置的施工营地和场地，汛期应安排专人值班、巡视沟道；同时监测山洪和泥石流发生前的征兆，提前判断、超前预报，一旦发生山洪泥石流，应及时组织抢险救灾。

05

结论

本文利用垂起固定翼无人机搭载五镜头多目摄影相机在凉山州龙门沟泥石流灾害探测工作中，快速获取了泥石流沟谷区多角度大范围高清低空遥感数据，对物源物质进行了遥感解译分区和估算，同时快速的获取了灾害区几何特征参数，为灾害的防治设计提供了基础数据，能够有效保障下游人民群众和铁路大桥等基础设施的安全，同时得出如下结论：

（1）五镜头多目摄影和精细化重构技术能够大大地提高固定翼无人机勘察的精度，同时又远比旋翼机勘察范围更大，在精度方面，平面较差、中误差和高程较差、中误差均满足《低空数字航空摄影测量 内业规范》（GH/Z3003—2010）规范相关要求。

（2）龙门沟泥石流流域呈狭长形，主沟槽长约15.747km，主要的支沟2条，总长4km，流域面积51.466km²，沟谷区内海拔最高点2800m，最低点740m，相对高差约2060m，主沟总体坡度平均约8.6°（纵横比0.151）。

（3）利用精细化重构生产的正射高清影像(DOM)和三维实景模型进行二三维综合遥感解译，共判识出主要滑坡物源3处、主要崩塌物源14处、主要岩堆物源2处、主要危岩落石2处，并根据平均厚度和面积估算出各物源物质的净储量和动储量，为防治设计提供了数据基础。

（4）五镜头多目摄影设备和精细化重构技术能快速获取低空高清遥感数据。大大的节约了灾害处置的人力成本，提高了灾害处置在数据获取和内业处理的效率，有效的保障了地质灾害应急处置的时效性，具有极大的推广价值和意义。

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