基于无人机遥感技术的滑坡地质灾害监测探究

摘要：运用传统方法监测与调查滑坡地质灾害是一个高成本、高代价的工作，而基于无人机遥感技术开展滑坡地质灾害监测可以提升工作效率和减少成本。应用无人机遥感技术能够迅速获得质量高、分辨率高的遥感影像，尤其是在地形与气候较为复杂的区域。文章选取浙江台州仙居某村作为研究对象，应用无人机遥感技术对滑坡地质灾害开展现场扫描工作，通过收集滑坡后的地表三维点云数据，再进行处理获得DEM与DOM，最后定量计算出滑坡土方量，以期为相关研究提供借鉴与参考。

关键词：无人机遥感;滑坡地质灾害;监测;数字高程模型

中图法分类号：P694文献标识码：A

Research on landslide geological disaster monitoring based onUAV remote sensing technology

ZHU Jiguang

（Zhejiang Engineering Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Hangzhou 315012，China）

Abstract：Using traditional methods to monitor and investigate landslide geological disaster is a high cost and high cost work， so the landslide geological disaster monitoring based on UAV remote sensing can improve the work efficiency and reduce the cost. Uav remote sensing technology can quickly obtain high quality and high resolution remote sensing images， especially in small areas， terrain and climate complex areas. This article selects the xianju， a village in Taizhou，Zhejiang， as the research object，uses the uav remote sensing technology to carry out field scanning， collects the surface of three-dimensional point cloud data after land slide， and then processes to obtain DEM and DOM. Finally the quantitative landslide earthwork quantity is calculated， in order to provide certain reference to related research.

Key words： UAV remote sensing， landslide geological disaster， monitoring， digital elevation model

1  概述

近年来，我国诸多区域多发各种各样的地质灾害。作为一种有着较强破坏性以及突发性的地质性灾害，滑坡在我国很多地区都广泛分布。在以往的地质灾害监测中，一般要安排相关调查人员深入地质灾害出现的重点地区进行仔细勘察，这就对其生命安全有着较大的威胁。此工作不仅有着极高的成本，也会耗费较长的时间、降低工作效率。因而，如何应用新型科技来提升工作效率与减少支出，是当前滑坡地质灾害监测面临的挑战[1]。

随着遥感技术的不断发展，很多科研人员已经把卫星遥感影像普遍且深入地应用在滑坡地质灾害监测工作之中。受到我国一些区域气候因素的影响，大雾天气和云层阻挡较为普遍，这就在一定程度上限制了卫星遥感影像的分辨率，最终降低了影像的品质。获取不到较好的卫星遥感影像就无法满足滑坡地质灾害不断提升的精度要求。

无人机遥感装置可以在云层之下进行低空飛行，能够弥补卫星遥感影像与航空摄影无法获得理想影像的不足。利用无人机遥感系统可以迅速地获得高质量、高分辨率的遥感影像，尤其是在地形、地质与气候状况较为复杂的区域，充分发挥了无人机遥感的灵便机动、速度快、效率高等优势。

近年来，相当一部分科研工作人员应用无人机遥感技术开展滑坡地质灾害监测工作。例如，有学者应用无人机遥感技术开展重庆市某地滑坡地质灾害应急监测，深入研究了无人机遥感在滑坡地质灾害评价与灾害损毁评估中的应用;有学者应用无人机拍摄的高分辨率影像解译所研究区域内部各种具有代表性的地质灾害，开展解译工作的主要依据是影像中各种地质灾害所展现出的形状、颜色、阴影以及纹理等;有学者以某水电站库区地质灾害为研究对象，在剖析与治理水电站地质灾害点时应用了以无人机为载体的垂直与倾斜摄影;有学者以四川某地滑坡为研究区域，阐述了如何获得无人机遥感影像以及制作数字高程模型、DOM 与3D 模型的方法，详细介绍了如何应用 3D 数字模型定性与定量分析、精准描述地质灾害，并处理无人机影像且制作精度较高的正射影像、3D 数字模型。

2  无人机遥感技术在地质灾害监测中的应用

对于地质灾害监测而言，在实际工作中根据其需求以及无人机遥感技术特性合理应用无人机遥感技术，可以全面保障地质灾害监测工作质量[2]。为了将无人机遥感技术的优势充分发挥出来，相关工作人员应当对其应用优势进行充分了解以及深入研究，进而为后续的工作打下坚实的基础。在实际应用无人机遥感技术中，往往是通过无线电监控设备来对无人机进行合理操控。以无人机作为主要平台，通过各类遥感器来获得某个区域的遥感信息，进而使实际工作需求得到全面满足。

无人机遥感技术是一种新型遥感技术，和其他遥感技术相比，其在实际应用中有着非常明显的优势：首先，无人机遥感技术的响应速度极快。使用无人机系统时，可以在较短的时间内使飞行器上升到指定高度，并且在短期内获得较好的监测效果。合理应用该技术，不仅可以提高监测工作效率，也能够提高监测精度。在后续的工作中，可以结合监测工作的需求，合理改变无人机的飞行高度，从而提高数据获取效率。其次，利用无人机遥感技术所获得的图像分辨率极高，可以根据不同需求获得更为精准的监测信息，并且通过图像的方式对区域内各项数据进行完整反馈。无人机遥感技术具有大面积覆盖以及垂直成像等特点，是一种极为先进的技术。在实际应用无人机遥感技术中，无人机可以根据技术人员提前设定的路线进行自主飞行，无须人工操作，飞行速度极快、覆盖范围很广。同时，无人机可以根据周边环境的变化进行自适应飞行，从而有效提高平稳性。最后，在实际应用无人机遥感技术中，成本要求较低。随着我国科技不断发展，在制作无人机时，碳纤维复合材料被广泛应用，其具有质量轻、强度高的特点。同时，在后续无人机的维修及保养过程中，无须投入太多的技术和成本投入即可有效保养。此外，应用无人机遥感技术时，硬件配置要求较低，极具性价比。

当前，在地质灾害监测工作中，合理利用无人机遥感技术不仅可以提高监测工作效率，而且能够全面精简监测工作流程，以减少不必要的资金投入，有效满足地质灾害监测工作的实际需求，使得地质灾害监测行业实现转型升级。

3  研究区域简介

在浙江发生的地质灾害中，以滑坡灾害为主，浙江台州区域尤甚。近年来，部分学者把遥感影像与目视解译相结合，将其应用到滑坡地质灾害勘查工作中。其主要缺点是过分依赖解译工作人员的专业知识能力以及丰富的经验，大多使用的是分辨率较低的遥感图像。其仅可以判断解译以及定性分析大型滑坡地质灾害，无法定量分析滑坡的规模与地质危害等级，难以满足建设工程与治理地质灾害的要求。

无人机低空摄影测量在不断发展，其拥有灵活机动、携带便捷、分辨率高等特征，可以获得精度较高的 DEM 和 DOM 等相关数据信息，其在监测地质灾害、提取信息以及遥感解译、灾情评价等方面有着显著优势 [3]。应用无人机遥感技术不仅能够提高解译精度，也能够缩短工作时间、降低成本，并且能够实现滑坡地质灾害体的定量测量。近年来，人类的活动变得更加频繁，滑坡地质灾害严重威胁着交通工程以及水利工程的安全。在一个工程项目进行施工之前，监测滑坡是一项非常重要的工作。

本文选择浙江台州仙居某村作为研究对象，基于无人机遥感技术对滑坡地质灾害进行监测，以获得精度较高的数据。基于此，监测和分析滑坡点，从而为该区域的防灾减灾以及编制地区相关规划提供一定依据。浙江台州仙居某村所处区域属于侵蚀低山地貌，自然斜坡坡度为15°～ 45°，海拔高程为470m ～175m ，最大相对高差为295m ，监测面积为0.6km2。

本次研究使用的是中国科学院 QC⁃1 型无人机。因在设计飞行航线时，考虑到地形变化较大，并且成像的要求是0.1 m 分辨率正射影像，航拍时采用变高航线的方式。此次无人机航拍基于“CGCS2000”坐标系，高程系统则采用“1985国家高程基准”。因监测滑坡地质灾害需要清晰且丰富的纹理信息，无人机航拍原片的地面分辨率应当达到1 ∶1000的要求，地面分辨率高于10cm ，无人机航拍原片的地面分辨率为8cm。

4  滑坡地质灾害监测

4.1  点云数据提取与分类

在本次研究中，无人机获得的点云数据为不超过5°的重叠点云，对其开展过滤工作，仅保留精度较高的点云数据。利用控制数据对拼接完成的点云数据进行校正，测得的20个像控点数据均用来进行平差，经过校正的点云和控制的中误差都小于0.1 m。

因基于无人机获得的点云数据是一些没有顺序规则的点，须对点云数据类别进行划分，从分散的点云中精准地提取地面及地面物质的信息，进而为分析滑坡地质灾害提供更加有用的信息数据[4]。本文采用监督分类的方法，将构建统计判别函数作为理论基础，根据具有代表性样本阈值选择训练方法完成分类工作，通过选取特征数值，计算出特征数值并且作为决策规则。构建识别函数，完成分类影像类别划分，进而开展对地面点以及非地面点的点云数据类别划分。

4.2  地形数据及分析

将地形栅格的分辨率设定为1m ，通过分析可以发现，一些地形数据中缺少的部分能够通过插值完成填充，进而建立实心的地形表面。监测区域地形西侧高东侧低，东侧和西侧均为高山，中间是低谷。在海拔比较低的山谷中居民点散布，最低点海拔高度大约为175m ，最高点海拔高度大约为470m ，最高点和最低点的高差大约为390m 。参考坡地分类，把监测区域划分为以下几个区间：0°～ 5°是缓坡区，5°～ 15°是缓斜坡区，15°～ 25°是陡坡区，25°～ 45°是极坡区。根据对研究区域以往地质灾害的分析，其中15°～ 25°和25°～35°是地质灾害易发的两个坡度区间，采用 ARCGIS 软件把空间坡度依照上述分类进行划分。由于坡度变化率是其二阶导数，也是一个无量纲数值，因此能够体现坡度变化速率。坡度比较大而且变化率比较大的区域，先判别为易发生地质灾害滑坡区域，在进行级别划分时，依照变化率数值10°为一个范围，将坡度较陡且坡度变化较快的区域进行高亮。

4.3  空间分析

在遥感影像上，将居民点的分布地区进行矢量化，依照100m 的距离对居民区向外部形成缓冲区域。与此同时，把坡度以及坡度率进行二值化处理。如果坡度超过30°，坡度变化率数值比30°大，并且处在居民区范围100m 的区域，容易发生地质滑坡灾害。

4.4  定量分析滑坡土方量

選择重要地区开展定量滑坡土方量分析。在易发生滑坡地质灾害区域内，选择重要的监测区域，其面积大约是81066m2，利用无人机航拍获得的 DEM ，把坡度超过25°的部分进行平滑，而后该研究区域的整体坡度不能超过25°。利用栅格空间分析，把平滑以前的数字高程模型和平滑以后的数字高程模型进行栅格运算，选取差值，最高的滑坡点是7.79 m ，数值越大代表滑坡的风险越高，负值代表会被填充平整的部分，滑坡土方量是13578.2m3。

5  结语

本文采用无人机收集滑坡地质灾害隐患数据，通过获得滑坡地质灾害区域以及周围区域的数字高程模型，预测可能会出现滑坡地质灾害的区域，并且定量模拟滑坡的土方量。利用该方法可以对受灾状况进行预测，极大地缩短决策部门明晰滑坡受灾区域现场状况的时间，为之后滑坡地质灾害应急工作领导小组快速做出决策、制定救灾方案提供一定的依据。

虽然无人机遥感影像的优点是分辨率高、精度高，但是因为当前无人机续航较短，使得其遥感影像覆盖面积并不大，短时间内无法实现大范围的滑坡地质灾害调查以及监测。未来，无人机的一个发展方向便是大幅提高续航能力。除此之外，应当提升无人机的飞行稳定性与不良气候状况的应对能力。基于此，无人机便能够对滑坡地质灾害展开大面积、全时段、持续性地调查以及监测。

参考文献：

[1] 张建新，钱罕林，何薇，等.无人机遥感的滑坡地质灾害监测[J].新疆地质，2021，39（3）：507⁃509.

[2] 林海玉，黄海峰，龙晶晶，等.适于滑坡监测的小型无人机遥感系统构建及其应用[ J].三峡大学学报（自然科学版），2016，38（5）：53⁃58.

[3] 金鼎坚，支晓栋，王建超，等.面向地质灾害调查的无人机遥感影像处理软件比较[ J].国土资源遥感，2016，28（1 ）：183⁃189.

[4] 田彦.无人机遥感技术在地质环境灾害监测中的应用探讨[J].环境与发展，2019，31（4）：102+104.

作者简介：

朱继光（1986—） ，硕士，工程师，研究方向：地质灾害。