无人机航空摄影技术在公路建设引起的滑坡监测的应用

田冀，孙虎，王彬，李强，陈盈赟，杨汝兰，张志明

云南大学生态学与环境学院，生态学与地植物学研究所，云南 昆明 650091

无人机航空摄影技术在公路建设引起的滑坡监测的应用

田冀，孙虎，王彬，李强，陈盈赟，杨汝兰，张志明*

云南大学生态学与环境学院，生态学与地植物学研究所，云南 昆明 650091

我国众多山区公路带来的滑坡灾害严重，如何采取有效措施应对滑坡的发生以及对已产生滑坡的治理一直是学者和工程师们关心的问题，而滑坡监测作为防治滑坡最主要和最有效的手段，已得到广泛认可，对减少公路滑坡灾害的损失及制定滑坡防治方案具有非常重要的现实意义。如今各种监测技术广泛应用，其中无人机遥感技术作为近年来兴起的新兴技术手段，具有时效性高、数据精度高、操作方便快捷的特点。本文通过总结滑坡监测技术在国内外的发展状况并比较现有方法和传统方法的优缺点，得出无人机遥感技术在未来的滑坡监测方面的应用及现实意义。

无人机遥感；公路滑坡；监测

引言

公路建设在我国经济发展中占有很重要的比重，2005年1月13日, 我国交通部部长张春贤在北京举行的中外记者招待会上介绍，未来三十年内中国将耗资两万亿元，建设 8.5 万公里的高速公路；2013年6月20日国家交通部发布了《国家公路网规划 2013-2015年》，规划了到 2015年为止我国在建公路总规模约为 40 万公里，总投资大约 4.7 万亿元[1]。我国80% 以上的国土面积为山地，地形地质条件复杂多变，修公路时会对沿线坡体进行挖方与填方，导致大量滑坡发生。

滑坡灾害是人类面临的最广泛、受害最重和时间最长的地质灾害之一，出现的频度和广度远大于地震[2]。滑坡是指场地由于地质结构、水流冲刷、人工切坡等多因素的影响，部分或全部土体或岩体在重力作用下，沿着地层软弱面整体滑动的不良地质现象[3]。公路滑坡指的是在气候、水文、地质以及人类活动等因素的综合作用下，公路沿线所发生的对公路建设和运行产生影响的滑坡，在山区和丘陵地区修公路极容易导致公路滑坡的发生[4]。

滑坡是山区公路建设中最常见的一种地质灾害，带来的经济损失也是巨大的。据统计，1981年至 1985年云南省干线公路地质灾害造成的损失为7301.87 万元；1986年至 1990年，损失为 17453.72万元；1991年至 1995年，损失为 53521.78 万元；其中公路滑坡造成的损失占 70% 以上[5]。因此采用适当的措施和有效的方法对滑坡进行准确、快速识别并提取很重要，滑坡监测作为防治滑坡最主要和最有效的手段，对减少损失及制定滑坡防治方案具有非常重要的现实意义。

滑坡监测是为了及时发现和跟踪滑坡体的形变信息，为防灾减灾提供第一手基础信息资料。其主要内容包括滑坡形变监测、滑坡变形破坏的相关因素监测及滑坡诱发因素监测这 3 方面的内容[6]。通过这些工作所获得的数据和资料，可以了解和掌握滑坡体的演变过程，及时捕捉崩滑灾害的特征信息，为正确分析、评价滑坡以及滑坡预测、预报等提供可靠资料；为国家或地方政府决策部门制定滑坡高灾害区的土地使用法规和防治规则提供科学依据；为具体建筑物和建设场地选择不易形成滑坡的安全地带；可以及时预报滑坡所可能产生的灾害性运动以及工程或建筑物所不允许的危险位移量；当滑坡要产生不可避免的大位移时，预告灾害事故的可靠时间，防止或减少人员伤亡及经济损失[7]。

1 滑坡提取的相关技术

随着近年来对滑坡灾害的研究深入，科学技术的发展，滑坡提取、监测技术也得到了迅速发展。传统方法滑坡提取及监测通常是将室外现场观测、实验室试验和理论分析相结合[8]。随着现代传感技术的进步，各种新方法和新型装置已广泛应用于工程实际，滑坡监测和提取的精度和范围显著提高。

(1) 目视解译法：陈述彭、蹼静娟等人解释了目视进行滑坡遥感图像目标提取的原理、基本方法、注意事项[9]。目视方法主要是通过遥感技术人员利用专业知识对遥感图像进行综合分析，例如滑坡的形状、纹理、光谱等特征，并结合非遥感资料进行提取[10]。

目视解译具有灵活性较强的特点，缺点是主观作用较强、劳动强度较大、操作过于专业，需要根据遥感专业人员的经验才能获得满意的滑坡提取。

(2) 人机交互解译法：20 世纪 70年代开始，随着数字遥感图像的发展，人们开始用计算机来实现对滑坡遥感图像目标提取。在人机交互阶段，主要是利用用户的先验操作再结合计算机建模、识别，进行提取[11]。王涛等人在 VC++6.0 平台下建立了遥感图像人机交互判读系统，将用户交互与计算机提取无缝地结合起来[12]。通过对遥感图像中滑坡的各种特征进行自动分析，分割出不同区域，然后用智能计算方法提取出不同区域。

人机交互解译法实现了半自动滑坡提取，可以降低人工劳动强度，根据需求利用计算机按照预期的想法对滑坡进行提取，通过计算机图像增强技术可以改善图像的清晰度，提取的准确度增高，也可以随时对滑坡提取进行局部修改以及提高效率等优点。缺点是主观性较强、自动识别和提取目标准确率不高。

2 滑坡监测的相关方法

(1) GPS 法：GPS 监测法是目前应用较多的滑坡监测方法。通过跟踪 GPS 卫星的连续信号可以获取经度、纬度及三维坐标。以坐标、距离和角度为基础，用新值与初始坐标之差反映目标的运动，实现监测变形的目的[13]。GPS 滑坡监测内容包括：滑坡体与地表水平位移和垂直位移的监测。该法适用于进行连续监测，不受气候条件的限制，具有操作简单等优点。但滑坡所在区域地形较为复杂的卫星信号易被阻挡，多路径效应较为严重，影响精度。严忠权等在对重庆万州区傅家岩滑坡的监测中，根据 GPS 法得到监测点位移量，计算出位移速度，然后根据位移速度，比较了该滑坡不同阶段的特征性，得到滑坡体现今所处位置，为滑坡预报提供了依据[14]。

(2) 遥感监测法：卫星遥感解译技术已成为滑坡遥感调查的快捷方法。国外通常采用航空摄影与彩色红外摄影及热红外扫描来调查滑坡，利用不同时相的航空遥感图像监测其动态变化[15]。根据不同的监测内容，选择相应的遥感资料和监测方法这一环节很重要。其特点是可以不直接接触有关目标物来收集信息并对其进行识别分类、判读和分析[16]。如三峡库区湖北省秭归县沙溪镇千将坪村发生特大型滑坡灾害，研究人员利用先进的数字遥感技术，结合滑坡前后的高分辨率遥感数据、地形图资料和野外所测的 GPS 控制点，制作出研究区滑坡前后的数字高程模型、滑坡前后正射影像图。利用三维可视化技术，采用人机交互解译滑坡，分别对滑体的滑动方向、距离和堆积体面积进行了定量计算。通过综合分析得出滑坡是古滑坡的大规模复活，三峡库区蓄水和降雨综合作用是促使滑坡复活的主要诱发因素[17]。

(3) TDR 监测法：时间域反射测试技术 (Time Domain Reflectoretry，简称 TDR) 是一种电子测量技术。TDR 滑坡监测法的基本思想是向埋入监测孔内的电缆发射脉冲信号，当电缆在孔中产生变形时，就会产生反射波信号。经过对反射信号的分析，即可确定电缆发生形变的程度和位置[18]。其特点是价格低廉、监测时间短、可遥测、安全性高。可以节省监测时间但不能监测倾斜的实际情况，如果电缆产生变形破坏，就很难监测滑坡的位移状况。如史彦新[19]等在对四川省雅安市陇西河左岸的滑坡进行监测时使用了 TDR 监测系统。发现该系统可以监测滑坡变形，且监测的变形位置与钻探揭示的滑带位置以及钻孔倾斜仪的监测结果相吻合。

综上所述，传统地面观测手段和卫星遥感技术对能够对滑坡灾害进行大尺度的长期的监测，但是很难满足全部覆盖的快速应急监测。此外，由于滑坡地质灾害具有突发性，往往需要不定期的进行强化观测，传统影像获取方法成本高、效率低，不具有适用性[20]。近几年兴起的无人机遥感系统操作方便、作业方式灵活、投入低、效率高，将其自身灵活的特点与航空摄影测量结合，对大型滑坡区域进行低空飞行拍摄，能及时获得高分辨率影像数据[21]；利用高效、可靠的无人机数据处理手段，可以减少险要地形和气候等外界因素的影响，制作出高精度的 DEM、DOM，为滑坡地质灾害分析提供基础数据。

3 无人机航空摄影技术应用于滑坡提取监测

3.1 无人机遥感系统及其特点

无人机遥感技术是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS 差分定位技术和遥感应用技术，通过自动化、专用化、智能化快速获取国土、环境和资源等空间遥感信息，完成遥感数据处理、建模和应用分析的一门应用技术[22]。具有结构简单、成本低、风险小、机动灵活、快速响应等特点，既能克服载人航空遥感受制于航时长、大机动、恶劣气象条件等问题，又能弥补航天卫星遥感因天气和时间原因无法及时获得目标区域影像的问题，同时又避免地面遥感工作范围小、视野窄、工作量大的缺陷。因此，将无人机遥感技术应用于滑坡灾害的提取和监测方面的工作越来越有必要。尤其在地形条件恶劣，人工难以到达的区域，无人机航拍可以提供最准确的第一手影像。经过像控点测量滑坡的正射影像 (DOM) 和数字高程模型 (DEM)，数字高程模型 (DEM) 是大比例的影像成果，更适合滑坡细节的判读；还可将无人机技术应用于提取滑坡有效地形因子，如坡度，坡度是滑坡崩塌发生的主要控制因素；坡向，可以反映滑坡的发育状况以及坡向性等地貌特性；利用无人机遥感系统对大型滑坡体进行多次连续观测，获得长序列的滑坡连续监测数据，为分析大型滑坡体的动态变化提供数据保障，为实现滑坡灾害的预测提供技术支持。

无人机遥感系统组成可以分为硬件系统和软件系统两大部分，硬件系统由机载系统和监控系统两个子系统组成，其中机载系统包括动力系统、摄影系统、导航与飞行控制系统和通信系统；监控系统包括通信系统与任务系统；软件系统有航线规划设计、飞行控制、远程监控、航摄质量检查和数据预处理[23]。

3.2 无人机航拍技术的应用

无人机航拍技术的发展已有十余年，在地质灾害方面的应用中起到了无可替代的作用。在 2008年的汶川大地震中，无人机遥感发挥了重要的作用，快速获取到了滑坡、崩塌以及堰塞湖等地震次生灾害的分布状况与动态变化等，为紧急救援、灾情评估、地震次生灾害防治和灾后重建工作等提供了第一手信息，以及较科学的决策依据[24]。梁京涛[25]获取了六期文家沟震后滑坡泥石流灾害的无人机遥感影像数据，阐述并讨论了无人机遥感技术在高位泥石流动态变化监测方面的具体应用方法及应用效果；尹鹏飞[26]等利用无人机航空遥感系统，对地震形成的山体滑坡、崩塌等地貌变化造成的堰塞湖和其他次生地质灾害，进行了高空间、高时间分辨率的低空遥感探测；曾涛、杨武年等[27]在对比分析了低空遥感影像的特点的基础上，对无人机航拍影像处理方法做了深入探讨，快速确定汶川震区泥石流等次生地质灾害的分布位置，实现了灾后地质灾害信息快速勘测中的信息提取；U.Niethammer[28]等人用无人机航拍对法国东南部的一处大型滑坡进行为期三年的监测，根据无人机航拍数据得到滑坡的动态变化趋势。

图1 无人机航拍系统组成图Fig.1 UVA aerial system composition

3.3 无人机遥感数据的获取

在无人机遥感滑坡监测应用的整个过程中，航拍过程的顺利进行直接关系到数据的成功获取，航拍过程的技术控制直接影响数据的质量[29]。数据获取主要分为航拍前准备、组织飞行作业和航拍后数据整理三个步骤，航拍流程图如图2 所示。

图2 无人机航拍流程图Fig.2 Flow chart of aerial drones

3.4 无人机遥感影像数据处理

(1) 影像校正：在 Photoscan 软件工具箱中打开photoscan preference，进行语言设置和其他参数的设置；然后添加照片、导入相片位置；执行 align photo和 built mesh，生成稀疏点云模型和三维网格模型。

创建 maker 时应创建与野外 GPS 相同的位置(从照片中选择)。位置标记能优化相机位置和数据定向，获得更好的重建结果。生成精确的正射影像，要利用感兴趣区域的 10-15 个地面控制点。为了能够遵循引导标记位置的方法首先需要重建几何，选择 build mesh 命令，设置参数。

(2) 构建密集点云：基于估测的相机位置和稀疏点云数据构建密集点云数据，选择 build dense point cloud 按钮，设置参数，在 quality 选项中，如果选择higher，则需要很长的执行时间，要求更多的计算资源，选择 low 可以快速处理。在 depth filtering 选项中，如果重建的几何场景相对复杂，有更多的细节，例如屋顶，推荐使用 mild。可以利用工具箱中 delete/ crop 工具对密集点云中不需要的点进行删除。点击view 工具中的 point cloud、dense cloud、dense cloud工具将显示生成的密集点云，最终得到正射影像、DOM 和 DSM。

(3) 滑坡监测设置：利用 Arc GIS10.1 软件，基于DEM 和 DSM 定量计算出滑坡位移量，滑坡体积和面积，结合位移方向计算出位移速度。根据无人机搭载的数码相机的配置参数不同，监测到的结果达到的精度不同。后期的监测只需将航线直接导入到飞行控制系统，就可以在现场直接进行飞行采集工作，大大缩短工作时间。

林海玉[30]等人对三峡库区的一山梁进行研究，因三峡水库蓄水，该山梁被选为附近城镇回填的取土场地，经过长期取土后发生一次整体下座滑移，形成了不稳定斜坡，严重威胁斜坡下方省级公路运输以及长江支流航运安全。为有效防止该不稳定斜坡发生变形而引发灾害，决定对其实施监测预警。考虑到该斜坡规模大、地形陡峭、人类无法涉足等因素，决定采用小型无人机遥感方法进行监测，通过数字摄影测量处理最后生成了空间分辨率为 5 cm 的数字正射影像DOM 和数字高程模型 DEM 等遥感成果。借助上述遥感影像成果，迅速圈定出该不稳定斜坡内部及周边的四处局部变形，这是通过地面调查很难实现的。后期对该不稳定滑坡实现了常态化的小型无人机遥感监测，再次工作时可以通过航线导入将时间压缩到 30 min以内，这是其他监测方式不具备的。更重要的是可以通过每期监测获得的遥感影像成果与前期进行对比分析，从而真正实现防灾减灾。

4 结论与展望

目前，无人机航拍技术还存在一些技术方法方面的不足需要改进。首先，突发地质灾害多在山区等地理条件恶劣的地方，对大型无人机起降的技术要求极大，小型轻型无人机可以采用弹射起飞或者撞网降落的方式，但是由于其质量比较轻，抗风性很差，所以航摄过程中的稳定性就显得尤为重要；其次，无人机机载的多为小型的数字相机，存在影像像幅小，数量多的缺点。不能满足快速处理和拼接航拍影像数据，从而实现地质灾害监测的实时性和快应急性的要求。总而言之，滑坡提取和监测不能仅局限于某一种方法，而应结合各种方法取长补短，对滑坡的孕育过程进行综合预测和评价，为滑坡的治理作出合理的预判，最大程度地避免滑坡地质灾害的产生。

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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

国家科技支撑计划“受威胁区域生物多样性恢复及示范”(2017YFC0505206)

张志明 (zhiming_zhang76@hotmail.com)

2016年12月20日

田 冀：云南大学生态无环境学院，硕士研究生，主要研究方向为无人机摄影技术的研究。

E-mail:601024403@qq.com

孙 虎：云南大学，硕士研究生，主要研究方向为遥感与地理信息系统、生态系统评估、无人机摄影技术等方面。

E-mail:1071872920@qq.com

王 彬：云南大学生态学与环境学院，硕士研究生，主要研究方向为景观生态学、近地面遥感。

E-mail:472917878@qq.com

李 强：云南大学，硕士研究生，主要研究方向为遥感与地理信息系统。

E-mail:473477633@qq.com

陈盈赟：云南大学，硕士研究生，主要研究方向为城市生态。

E-mail:543291986@qq.com

杨汝兰：云南大学，硕士研究生，主要研究方向为生态系统气候调节方法研究。

E-mail:2015109297@qq.com

张志明：云南大学生态与环境学院副院长，云南大学地植物研究所副所长，副教授，主要研究方向为遥感与地理信息系统、无人机摄影技术在生态监测、测绘方面的应用。

E-mail:zhiming_zhang76@hotmail.com