一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法。技術(shù)步驟包括：小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)定制；室內(nèi)準(zhǔn)備；現(xiàn)場作業(yè)；快速處理；全面處理。其目的在于，基于邊坡特征開展快速有效的像控點(diǎn)布設(shè)和測量，同時利用小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)自動采集邊坡像片，通過在數(shù)字?jǐn)z影測量處理過程中引入像控點(diǎn)，生成邊坡的高精度及高分辨率遙感成果，再對通過精度檢驗(yàn)以及高精度配準(zhǔn)的前后兩期遙感成果開展邊坡變形檢測及量算，從而快速、高效、準(zhǔn)確地獲取邊坡的整體變形特征。
【專利說明】
一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，具體的是一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法。
【背景技術(shù)】
[0002]應(yīng)急調(diào)查是地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置的首要和基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其通過快速查明地質(zhì)災(zāi)害體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件為地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置提供科學(xué)依據(jù)，因此必須突出“快”且“高效”，即在盡量短的時間內(nèi)為科學(xué)確定減災(zāi)方案提供盡量準(zhǔn)確、完整、詳細(xì)的相關(guān)信息。
[0003]無人機(jī)遙感技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查，但目前仍主要集中在對重大自然災(zāi)害(如地震)突發(fā)后進(jìn)行大面積地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急調(diào)查和災(zāi)情損失評估，采用的是相對大型、復(fù)雜和專業(yè)的無人機(jī)遙感系統(tǒng)，并且需要經(jīng)過非常專業(yè)且時間相對較長的后期成果處理。事實(shí)上，絕大多數(shù)需要進(jìn)行應(yīng)急處理的都是中小型單體地質(zhì)災(zāi)害，對這些災(zāi)害的應(yīng)急處置通常要求在數(shù)天甚至數(shù)小時內(nèi)完成，這種情況下采用更為簡單靈活的小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)更為適宜。然而目前基于小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)開展單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查，還未建立起一套行之有效的方法體系，從而大大限制了相關(guān)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述存在的問題，本發(fā)明推出一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，其目的在于，基于邊坡特征開展快速有效的像控點(diǎn)布設(shè)和測量，同時利用小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)自動采集邊坡像片，通過在數(shù)字?jǐn)z影測量處理過程中引入像控點(diǎn)，生成邊坡的高精度及高分辨率遙感成果，再對通過精度檢驗(yàn)以及高精度配準(zhǔn)的前后兩期遙感成果開展邊坡變形檢測及量算，從而快速、高效、準(zhǔn)確地獲取邊坡的整體變形特征。
[0005]針對上述存在的問題，本發(fā)明推出一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，其目的在于，在定制適于單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查的小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)基礎(chǔ)上，全面、系統(tǒng)地建立包括室內(nèi)準(zhǔn)備—現(xiàn)場作業(yè)—快速處理—全面處理的基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，從而保障快速、高效、準(zhǔn)確地獲取單體地質(zhì)災(zāi)害特征信息，為地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置方案制定提供支撐，進(jìn)而大大提升地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置效率。
[0006]本發(fā)明涉及的一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，技術(shù)步驟包括:S1:小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)定制；S2:室內(nèi)準(zhǔn)備;S3:現(xiàn)場作業(yè);S4:快速處理;S5:全面處理。
[0007]所述步驟SI中適于單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查的小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)，其主要技術(shù)特征包括:系統(tǒng)由多旋翼小型無人機(jī)、航攝、地面控制、地面監(jiān)測等四個子系統(tǒng)構(gòu)成;多旋翼小型無人機(jī)子系統(tǒng)采用多旋翼碳纖維機(jī)身，配備穩(wěn)定的飛行控制系統(tǒng)以及高性能GPS、數(shù)據(jù)傳輸模塊;航攝子系統(tǒng)采用2000萬像素以上的普通數(shù)碼相機(jī)或單反相機(jī)，加裝可以實(shí)時穩(wěn)定并調(diào)節(jié)鏡頭方向的相機(jī)云臺，同時配備圖像疊加模塊及圖像發(fā)送模塊;地面控制子系統(tǒng)包括地面控制站及遙控器，其中地面控制站采用便攜式筆記本電腦安裝與飛行控制系統(tǒng)相匹配的控制站軟件，支持航線規(guī)劃、飛行控制及參數(shù)設(shè)置功能，遙控器支持隨時切換飛行器自動或手動飛行模式、隨時調(diào)節(jié)相機(jī)云臺角度以及控制拍攝，同時地面控制子系統(tǒng)還配備數(shù)據(jù)傳輸模塊，以便與飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行交互通信;地面監(jiān)視子系統(tǒng)通過圖像接收模塊，能將飛行器上通過圖像疊加及發(fā)送模塊傳送的實(shí)時影像與飛行參數(shù)信息實(shí)時顯示在地面監(jiān)視器上。
[0008]所述步驟S2中的電池充電，應(yīng)在開展地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查現(xiàn)場作業(yè)前的室內(nèi)準(zhǔn)備工作中完成，即在未確認(rèn)現(xiàn)場作業(yè)時間之前不使用無人機(jī)的情況下，系統(tǒng)配備的各類鋰電池均不應(yīng)滿電或空電放置，而應(yīng)一般保持電壓在3.8V左右，以延長電池使用壽命。
[0009]所述步驟S2中的系統(tǒng)初檢，主要是室內(nèi)檢查無人機(jī)核心部件，包括飛行控制系統(tǒng)、地面控制站、云臺相機(jī)、數(shù)傳及圖傳系統(tǒng)等功能是否正常，以避免現(xiàn)場作業(yè)時遭遇無法及時解決的核心部件故障，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)急調(diào)查失敗。
[0010]所述步驟S2中的初步航線規(guī)劃，方法是根據(jù)事先獲知的災(zāi)害體位置信息，基于衛(wèi)星地圖(如谷歌地球、必應(yīng)地圖等)大致圈定災(zāi)害體可能致災(zāi)范圍，并針對該范圍進(jìn)行航線規(guī)劃，主要內(nèi)容包括起降點(diǎn)的初選以及平面航線模式規(guī)劃。如果事先未獲知災(zāi)害體具體位置信息，此步驟可省略。
[0011]所述步驟S3中的環(huán)境考察評估，內(nèi)容分為災(zāi)害體周邊環(huán)境考察，包括地形地貌、局地氣象條件、高空及地面設(shè)施分布、可視范圍及通視情況、起降地點(diǎn)選擇、飛行范圍確定等;災(zāi)害體特征考察，包括災(zāi)害體及影響范圍的地形地貌、平面分布特征、高程變化特征、規(guī)模特征(長、寬、面積等)；實(shí)施條件考察，包括GPS信號強(qiáng)度及穩(wěn)定性、地面像控點(diǎn)的布設(shè)方案等。其主要目的是根據(jù)現(xiàn)場災(zāi)害體及周邊環(huán)境特征，確定適宜的小型無人機(jī)遙感應(yīng)急調(diào)查實(shí)施方案。
[0012]所述步驟S3中的確定調(diào)查方案，分為自動調(diào)查和手動調(diào)查兩種方案。絕大多數(shù)情況下應(yīng)采用自動調(diào)查方案，該方案是利用無人機(jī)自帶GPS信息，使系統(tǒng)按照詳細(xì)規(guī)劃航線進(jìn)行自主飛行和自動拍攝像片。但以下情況宜采用手動調(diào)查方案，一是在深山峽谷等無GPS信號或信號不穩(wěn)定區(qū)域，二是災(zāi)害體范圍極小、通視情況良好的區(qū)域，手動調(diào)查完全依靠手動控制飛行器的飛行及像片拍攝，該方案的飛行安全性及像片拍攝質(zhì)量一般相對自動方式較低，更加快速、機(jī)動、靈活。
[0013]所述步驟S3中的自動調(diào)查方案，實(shí)施步驟為像控點(diǎn)布設(shè)及測量、系統(tǒng)組裝、系統(tǒng)全檢、詳細(xì)航線規(guī)劃、參數(shù)設(shè)置及自主飛行拍攝。
[0014]所述步驟S3中的手動調(diào)查方案，實(shí)施步驟為像控點(diǎn)布設(shè)及測量、系統(tǒng)組裝、系統(tǒng)全檢及自主飛行拍攝。
[0015]所述步驟S3中的像控點(diǎn)布設(shè)，方法為:在飛行范圍內(nèi)直接選擇和標(biāo)識在無人機(jī)拍攝像片上可以清晰可辨的特征點(diǎn)，如房屋、公路、出露基巖等作為像控點(diǎn)；而在無直接可辨特征點(diǎn)的位置，可在地面放置像片上可以清晰可辨的輔助標(biāo)志，如白色背景中的黑色十字標(biāo)識牌，以標(biāo)識像控點(diǎn)位置;根據(jù)飛行范圍大小，一般布設(shè)3-5處像控點(diǎn)即可，且像控點(diǎn)分布應(yīng)盡量均勻，構(gòu)成等邊三角網(wǎng)或四邊形網(wǎng)為宜。另外，像控點(diǎn)布設(shè)應(yīng)在無人機(jī)采集像片之前完成，以保證像片上可以清楚分辨所有像控點(diǎn)標(biāo)識。
[0016]所述步驟S3中的像控點(diǎn)的測量，方法為:絕大多數(shù)情況下應(yīng)優(yōu)先選擇GPSRTK測量技術(shù);在無GPS信號或信號不穩(wěn)定區(qū)域，宜選擇全站儀測量技術(shù)。像控點(diǎn)的測量目的是獲得高精度三維坐標(biāo)。像控點(diǎn)測量時間不受無人機(jī)采集像片時間限制，可在任意時刻進(jìn)行，如在采集同時進(jìn)行，則應(yīng)保證像控點(diǎn)標(biāo)識不被遮擋，仍能在像片上清晰可見。
[0017]所述步驟S3中的系統(tǒng)組裝，其方法是對定制的小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，在赴應(yīng)急調(diào)查現(xiàn)場途中拆卸后既節(jié)省空間又更好地保護(hù)各模塊，避免因交通工具運(yùn)輸可能帶來的損壞，而在到達(dá)現(xiàn)場后，通過快速組裝形成完整系統(tǒng)。系統(tǒng)組裝可在像控點(diǎn)布設(shè)及測量工作開展同時進(jìn)行。
[0018]所述步驟S3中的系統(tǒng)全檢，方法是在接通電源情況下對各子系統(tǒng)部件進(jìn)行全面檢查，包括所有電池電量、飛控系統(tǒng)、GPS、電子羅盤、云臺、相機(jī)、數(shù)傳系統(tǒng)、圖傳系統(tǒng)、遙控器及地面監(jiān)視器等是否正常，其主要目的是確保正式起飛作業(yè)前排除所有可能故障隱患，保障飛行安全及拍攝像片質(zhì)量，不可省略。
[0019]所述步驟S3中的詳細(xì)航線規(guī)劃，應(yīng)根據(jù)災(zāi)害體分布范圍及其周邊地形選擇不同的航線類型，主要分為三類:針對緩傾斜坡地形的平面網(wǎng)格型、針對懸崖陡壁地形的垂直網(wǎng)格型、針對陡緩結(jié)合地形的組合網(wǎng)格型。
[0020]在針對坡度較緩(<40°)地形上分布范圍較大的災(zāi)害體，如緩傾滑坡，航線類型應(yīng)采用覆蓋災(zāi)害體表面范圍的平面網(wǎng)格型，并保持相機(jī)鏡頭始終垂直向下(鏡頭方向0°)。航線高度則應(yīng)動態(tài)調(diào)整以適應(yīng)災(zāi)害體及斜坡高程變化，原則上始終保持無人機(jī)距離地表高度相對固定(50 m?100 m之間)為宜。
[0021]在針對坡度極陡地形(>60°)上發(fā)育的災(zāi)害體，如懸崖陡壁上的危巖體，航線類型應(yīng)采用平行直立面覆蓋災(zāi)害體外側(cè)范圍的垂直網(wǎng)格型，并保持相機(jī)鏡頭始終水平指向?yàn)?zāi)害體(鏡頭方向90°)。所有水平航線的平面位置可以重疊，只是高度存在變化。同時，保持無人機(jī)距災(zāi)害體直立面的距離相對固定(40 m ~ 80 m)為宜。
[0022]在針對坡度陡緩結(jié)合地形上分布的災(zāi)害體，如陡崖殘留危巖體與斜坡崩塌堆積體構(gòu)成的災(zāi)害體，航線類型應(yīng)采用組合網(wǎng)格型，即先用平面網(wǎng)格覆蓋緩坡災(zāi)害體范圍，接著用垂直網(wǎng)格覆蓋陡坡災(zāi)害體范圍。鏡頭方向在平面網(wǎng)格部分保持垂直向下指向地面(鏡頭方向0°)，在垂直網(wǎng)格部分則由低航線到高航線逐漸抬起鏡頭，即根據(jù)實(shí)際情況將鏡頭方向從0°逐漸增加到90° (可以按照15°或30°的間隔沿水平航線逐條增加)。距地面高度及距陡立面距離按照平面網(wǎng)格型和垂直網(wǎng)格型設(shè)定。
[0023]詳細(xì)航線規(guī)劃應(yīng)以平面網(wǎng)格型、垂直網(wǎng)格型及組合網(wǎng)格型為基礎(chǔ)，再根據(jù)災(zāi)害體具體特征進(jìn)行靈活優(yōu)化實(shí)施，但無論采用何種航線類型，都應(yīng)始終保證像片航向重疊率75%以上，旁向重疊率60%以上。
[0024]所述步驟S3中的詳細(xì)航線規(guī)劃，現(xiàn)場實(shí)施時還應(yīng)注意:無論是否進(jìn)行過室內(nèi)初步航線規(guī)劃，在現(xiàn)場都必須根據(jù)無人機(jī)自帶GPS獲取的實(shí)際位置對航線及飛行范圍進(jìn)行準(zhǔn)確校正;航線覆蓋范圍要大于災(zāi)害體實(shí)際分布范圍，以保證災(zāi)害體范圍內(nèi)的像片有足夠的重疊率;應(yīng)在災(zāi)害體坡腳附近位置設(shè)置起始航線，逐漸向上飛行拍攝直到災(zāi)害體坡頂附近位置設(shè)置結(jié)束航線，即始終保持無人機(jī)在調(diào)查過程中由低往高飛行，以充分利用無人機(jī)在上升飛行過程中更加穩(wěn)定的特點(diǎn);對規(guī)劃航線進(jìn)行仔細(xì)檢查確認(rèn)無誤后必須導(dǎo)入飛行控制系統(tǒng)生效。
[0025]所述步驟S3中的參數(shù)設(shè)置，包括設(shè)置飛行速率、拍攝速率以及各控制參數(shù)，其中飛行速率建議設(shè)為10米/秒?20米/秒之間，相機(jī)拍攝速率不低于I秒/張。
[0026]所述步驟S3中的自主飛行拍攝，應(yīng)選擇相對開闊平整的起降地點(diǎn)開始正式飛行，正常情況下，無人機(jī)應(yīng)按規(guī)劃航線進(jìn)行自主飛行并自動拍攝像片。飛行過程應(yīng)密切監(jiān)視飛行狀態(tài)以保證飛行安全，三人參與實(shí)施最為合適:主操作員負(fù)責(zé)通過地面控制站監(jiān)視飛行過程是否與航線吻合，而當(dāng)發(fā)現(xiàn)非正常情況時則負(fù)責(zé)通過遙控器切換手動操控?zé)o人機(jī);主監(jiān)控員通過地面監(jiān)視器實(shí)時觀察飛行影像、相機(jī)拍照及參數(shù)變化，并將相關(guān)信息及時通知主操作員；副監(jiān)控員通過目視或望遠(yuǎn)鏡實(shí)時跟蹤觀察飛行器的飛行姿態(tài)變化以及周邊環(huán)境，并盡量提前發(fā)現(xiàn)飛行隱患，及時告知主操作員進(jìn)行應(yīng)急處理。飛行完成后，應(yīng)及時檢查像片質(zhì)量及無人機(jī)各模塊狀態(tài)是否正常。
[0027]所述步驟S3中的手動飛行拍攝，其方法是手動控制飛行及像片拍攝，即整個過程完全依靠操作人員通過遙感器進(jìn)行手動操控。參與實(shí)施人員分工為:主操作員始終負(fù)責(zé)操控?zé)o人機(jī)的飛行過程；主監(jiān)控操作員除了通過監(jiān)視器監(jiān)控飛行過程和狀態(tài)外，還需負(fù)責(zé)通過另一遙控器操控相機(jī)鏡頭方向及像片拍攝;副監(jiān)控員通過目視或望遠(yuǎn)鏡實(shí)時跟蹤觀察飛行器的飛行姿態(tài)變化以及周邊環(huán)境，提前發(fā)現(xiàn)異常并及時告知主操作員進(jìn)行應(yīng)急處理。同樣，飛行完成后更應(yīng)及時檢查像片質(zhì)量及無人機(jī)各模塊狀態(tài)是否正常，尤其注意像片拍攝是否清晰、災(zāi)害體覆蓋范圍是否完整以及像片重疊率是否滿足要求。
[0028]所述步驟S4中的快速處理，是在現(xiàn)場飛行拍攝結(jié)束后立即采用筆記本電腦，對小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)拍攝到的單體地質(zhì)災(zāi)害像片，進(jìn)行十幾到幾十分鐘的快速處理，以獲得災(zāi)害體的粗精度成果，從而為現(xiàn)場應(yīng)急處置方案的快速決策提供支持。其步驟包括像片預(yù)處理、SfM快速處理、生成粗精度成果及應(yīng)用。
[0029]所述步驟S4中的像片預(yù)處理，包括導(dǎo)出飛行日志，根據(jù)時間將GPS信息寫入對應(yīng)像片，再去除少量存在質(zhì)量問題(例如模糊)像片。
[0030]所述步驟S4中的Sftl快速處理，其過程包括降低寫入GPS信息的原始像片分辨率，然后進(jìn)行自動空三測量與區(qū)域網(wǎng)平差處理，以生成地質(zhì)災(zāi)害體的三維點(diǎn)云。
[0031]所述步驟S4中的生成粗精度成果，方法是首先加密三維點(diǎn)云，再以此為基礎(chǔ)生成數(shù)字表面模型、數(shù)字正射影像、三維模型等遙感成果。
[0032]所述步驟S4中的粗精度成果應(yīng)用，包括快速量算以獲得地質(zhì)災(zāi)害體的基本特征數(shù)據(jù)，如長、寬、高、面積等，以及定性評估災(zāi)害體及周邊環(huán)境的三維地形地貌特征，可為以定性為主的現(xiàn)場應(yīng)急處置方案快速決策提供支持。
[0033]所述步驟S5中的全面處理，是利用高性能臺式機(jī)、圖像工作站等，對原始像片進(jìn)行SfM處理，并通過加入像控點(diǎn)將成果精度提升到厘米甚至毫米級的處理和應(yīng)用過程，常需一到幾個小時，主要用于支持后期對地質(zhì)災(zāi)害體的詳細(xì)處置方案設(shè)計。其步驟包括SfM全面處理、生成高精度成果以及高精度成果應(yīng)用。
[0034]所述步驟S5中的SfM全面處理，方法是采用寫入GPS信息的原始像片，經(jīng)自動空三測量與區(qū)域網(wǎng)平差處理，生成三維點(diǎn)云，再通過引入像控點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)，生成精度在厘米級甚至毫米級的高精度三維點(diǎn)云。
[0035]所述步驟S5中的生成高精度成果，方法是首先加密三維點(diǎn)云，再以此為基礎(chǔ)生成數(shù)字表面模型、數(shù)字正射影像、三維模型等遙感成果。
[0036]所述步驟S5中的高精度成果應(yīng)用，主要是根據(jù)高精度數(shù)字地形模型，再結(jié)合數(shù)字正射影像及三維可視化模型，制作大比例尺高精度地形圖及各類平面圖、設(shè)計圖等，并準(zhǔn)確量化災(zāi)害體特征等，以支持后期對地質(zhì)災(zāi)害體的詳細(xì)處置方案設(shè)計。
[0037]本發(fā)明有如下有益效果:
本發(fā)明是一套全面、系統(tǒng)的基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，涵蓋了從適宜單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查的小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)定制，到包括室內(nèi)準(zhǔn)備、現(xiàn)場作業(yè)、快速處理及全面處理在內(nèi)的完整技術(shù)方法體系和實(shí)施流程，據(jù)此開展基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查，不僅可以大大降低現(xiàn)場工作時間、強(qiáng)度以及風(fēng)險，而且可以實(shí)現(xiàn)在數(shù)小時內(nèi)提供整體與細(xì)節(jié)兼顧、全方位、多角度、可視化的高精度遙感成果及信息，真正滿足地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查既“快”且“高效”的客觀需求，并進(jìn)而為地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置方案制定提供支撐，以大大提升應(yīng)急處置效率。
【附圖說明】
[0038]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0039]圖1為本發(fā)明所述的基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法的流程圖。
[0040]圖2為本發(fā)明所涉及的小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)。
[0041]圖3為本發(fā)明所涉及的基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法中室內(nèi)準(zhǔn)備工作的流程圖。
[0042]圖4為本發(fā)明所涉及的基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法中現(xiàn)場作業(yè)工作的流程圖。
[0043]圖5為本發(fā)明所涉及的基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法中針對緩傾斜坡地形規(guī)劃的平面網(wǎng)格型航線示意圖。
[0044]圖6為本發(fā)明所涉及的基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法中針對懸崖陡壁地形規(guī)劃的垂直網(wǎng)格型航線示意圖。
[0045]圖7為本發(fā)明所涉及的基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法中針對坡度陡緩結(jié)合地形規(guī)劃的組合網(wǎng)格型航線示意圖。
[0046]圖8為本發(fā)明所涉及的基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法中快速處理工作的流程圖。
[0047]圖9為本發(fā)明所涉及的基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法中全面處理工作的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048]結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。如圖1所示，本發(fā)明所述的一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，技術(shù)步驟包括:小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)定制SI;室內(nèi)準(zhǔn)備S2 ；現(xiàn)場作業(yè)S3 ；快速處理S4 ；全面處理S5。
[0049]S1、小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)定制
考慮到絕大多數(shù)單體地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模較小，但要么常位于地形高差較大的山谷斜坡，人眼可視范圍有限，局部氣象條件變化迅速(如風(fēng)力風(fēng)向不定)，要么位于交通要道或人群密集場所(如旅游景區(qū))，其周邊或上方常存在通訊、電力等高空設(shè)施。因此，為滿足單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查需求，定制小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)見圖2，其主要技術(shù)特征包括:系統(tǒng)由多旋翼小型無人機(jī)、航攝、地面控制、地面監(jiān)測等四個子系統(tǒng)構(gòu)成；多旋翼小型無人機(jī)子系統(tǒng)采用多旋翼碳纖維機(jī)身，配備穩(wěn)定的飛行控制系統(tǒng)以及高性能GPS、數(shù)據(jù)傳輸模塊;航攝子系統(tǒng)采用2000萬像素以上的普通數(shù)碼相機(jī)或單反相機(jī)，加裝可以實(shí)時穩(wěn)定并調(diào)節(jié)鏡頭方向的相機(jī)云臺，同時配備圖像疊加模塊及圖像發(fā)送模塊;地面控制子系統(tǒng)包括地面控制站及遙控器，其中地面控制站采用便攜式筆記本電腦安裝與飛行控制系統(tǒng)相匹配的控制站軟件，支持航線規(guī)劃、飛行控制及參數(shù)設(shè)置功能，遙控器支持隨時切換飛行器自動或手動飛行模式、隨時調(diào)節(jié)相機(jī)云臺角度以及控制拍攝，同時地面控制子系統(tǒng)還配備數(shù)據(jù)傳輸模塊，以便與飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行交互通信;地面監(jiān)視子系統(tǒng)通過圖像接收模塊，將飛行器上通過圖像疊加及發(fā)送模塊傳送的實(shí)時影像與飛行參數(shù)(如飛行速度、飛行高度、GPS信號強(qiáng)度、電池電量等)信息，實(shí)時顯示在地面監(jiān)視器上，以便操作人員對飛行過程進(jìn)行有效決策和控制。
[0050]該適于開展單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查的小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)，具備以下特征:體積小、重量輕、強(qiáng)度大、便于攜帶;起降場地要求低、飛行過程穩(wěn)定性好、支持定點(diǎn)懸停;支持按規(guī)劃航線自主飛行拍攝與手動控制自由飛行拍攝兩種模式;設(shè)置、起降、飛行、拍攝等過程控制簡單、靈活方便;飛行控制系統(tǒng)穩(wěn)定、故障率低;抗風(fēng)能力強(qiáng)，拍攝裝置穩(wěn)定，相機(jī)鏡頭方向隨時可調(diào)，像片拍攝清晰;地面能實(shí)時掌握系統(tǒng)狀態(tài)和飛行畫面，便于提前采取應(yīng)急措施;單次飛行時間20分鐘左右，絕大多數(shù)情況下一次飛行可覆蓋單體地質(zhì)災(zāi)害范圍，如遇較大面積災(zāi)害體，也可通過快速更換備用電池進(jìn)行分次飛行加以彌補(bǔ)。
[0051 ] S2、室內(nèi)準(zhǔn)備
在開展地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查現(xiàn)場工作之前，進(jìn)行室內(nèi)準(zhǔn)備是必要的，且有利于提升現(xiàn)場工作效率。室內(nèi)準(zhǔn)備工作如圖3所示，包括電池充電、系統(tǒng)初檢和初步航線規(guī)劃。
[0052]S2-1、電池充電
由于多旋翼小型無人機(jī)系統(tǒng)目前配備的各種電池(包括無人機(jī)機(jī)載電池、相機(jī)電池、地面監(jiān)控站電池、遙控器電池及監(jiān)視器電池等)均為鋰電池，為延長這類電池使用壽命，在不使用時不能滿電或空電，而是一般保持電壓在3.8V左右。因此，將系統(tǒng)各類電池充滿電是室內(nèi)準(zhǔn)備的重要工作。
[0053]S2-2、系統(tǒng)初檢
初步檢測無人機(jī)核心部件，主要包括飛行控制系統(tǒng)、地面控制站、云臺相機(jī)、數(shù)傳及圖傳系統(tǒng)等功能是否正常，以避免現(xiàn)場作業(yè)時遭遇無法及時解決的核心部件故障，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)急調(diào)查失敗。
[0054]S2-3、初步航線規(guī)劃
根據(jù)事先獲知的災(zāi)害體位置信息，基于衛(wèi)星地圖(如谷歌地球、必應(yīng)地圖等)大致圈定災(zāi)害體可能致災(zāi)范圍，并針對該范圍進(jìn)行初步航線規(guī)劃，主要內(nèi)容包括起降點(diǎn)的初選以及平面航線模式規(guī)劃。進(jìn)行室內(nèi)初步航線規(guī)劃可以節(jié)省現(xiàn)場詳細(xì)規(guī)劃時間，從而進(jìn)一步提升現(xiàn)場應(yīng)急調(diào)查效率。但如果事先無法獲知災(zāi)害體的具體位置信息，則此步驟可以省略，而改為直接在現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)航線規(guī)劃。
[0055]S3、現(xiàn)場作業(yè)
現(xiàn)場作業(yè)是利用小型無人機(jī)遙感開展地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查工作的關(guān)鍵核心，首先應(yīng)進(jìn)行災(zāi)害體環(huán)境考察評估以確定應(yīng)急調(diào)查方案，再根據(jù)不同方案開展相應(yīng)現(xiàn)場工作，具體步驟如圖4所示。
[0056]S3-1、環(huán)境考察評估
環(huán)境考察評估的目的是根據(jù)現(xiàn)場災(zāi)害體及周邊環(huán)境特征，確定適宜的小型無人機(jī)遙感應(yīng)急調(diào)查實(shí)施方案，具體分為:災(zāi)害體周邊環(huán)境考察，包括地形地貌、局地氣象條件、高空及地面設(shè)施分布、可視范圍及通視情況、起降地點(diǎn)選擇、飛行范圍確定等;災(zāi)害體特征考察，包括災(zāi)害體及影響范圍的地形地貌、平面分布特征、高程變化特征、規(guī)模特征(長、寬、面積等);實(shí)施條件考察，包括GPS信號強(qiáng)度及穩(wěn)定性、地面像控點(diǎn)的布設(shè)方案等。
[0057]S3-2、調(diào)查方案確定
綜合環(huán)境考察結(jié)果，評估并確定小型無人機(jī)應(yīng)急調(diào)查方案，分為自動調(diào)查和手動調(diào)查兩種方案。絕大多數(shù)情況下推薦采用自動調(diào)查方案，該方案能充分利用無人機(jī)自帶的GPS信息，使系統(tǒng)按照詳細(xì)規(guī)劃航線進(jìn)行自主飛行和自動拍攝像片，不僅安全可靠，而且拍攝質(zhì)量可以自動滿足后期成果處理要求(如像片航向和旁向重疊率)。但以下情況推薦采用手動調(diào)查方案，一是在深山峽谷等無GPS信號或信號不穩(wěn)定區(qū)域，二是災(zāi)害體范圍極小、通視情況良好的區(qū)域，手動調(diào)查完全依靠手動控制飛行器的飛行及像片的拍攝，這種方案的飛行安全性及像片拍攝質(zhì)量一般相對自動方式較低，但卻省去了詳細(xì)航線規(guī)劃等步驟，因此更加快速、機(jī)動、靈活。如果確定自動調(diào)查方案，則依次實(shí)施下述S3-3?S3-8;如確定手動調(diào)查方案，則依次實(shí)施下述S3-3?S3-5、S3-9。
[0058]S3-3、像控點(diǎn)布設(shè)及測量
像控點(diǎn)可以提供高精度三維坐標(biāo)，其主要目的是為大大提升后期處理成果精度。故建議無論是自動還是手動調(diào)查方案，都在地面進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)及測量。
[0059]像控點(diǎn)布設(shè)方法為:在飛行范圍內(nèi)，直接選擇和標(biāo)識在無人機(jī)拍攝像片上可以清晰可辨的特征點(diǎn)，如房屋、公路、出露基巖等作為像控點(diǎn)；而在無直接可辨特征點(diǎn)的位置，可在地面放置像片上可以清晰可辨的輔助標(biāo)志，如白色背景中的黑色十字標(biāo)識牌，以標(biāo)識像控點(diǎn)位置;根據(jù)飛行范圍大小，一般布設(shè)3-5處像控點(diǎn)即可，且像控點(diǎn)分布應(yīng)盡量均勻，構(gòu)成等邊三角網(wǎng)或四邊形網(wǎng)為宜。另外，像控點(diǎn)布設(shè)應(yīng)在無人機(jī)采集像片之前完成，以保證像片上可以清楚分辨所有像控點(diǎn)標(biāo)識。
[0060]像控點(diǎn)測量方法包括:絕大多數(shù)情況下，優(yōu)先選擇GPSRTK測量技術(shù);在無GPS信號或信號不穩(wěn)定區(qū)域，宜選擇全站儀測量技術(shù)。然后按照相應(yīng)控制測量方法，獲得像控點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)。此外，像控點(diǎn)測量時間不受無人機(jī)采集像片時間限制，可在任意時刻進(jìn)行，如在采集同時進(jìn)行測量，則應(yīng)保證像控點(diǎn)標(biāo)識不被遮擋，仍能在像片上清晰可見。
[0061]S3-4、系統(tǒng)組裝
此步驟可在像控點(diǎn)布設(shè)及測量工作開展的同時進(jìn)行。定制的小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，拆卸后既能節(jié)省空間又能更好地保護(hù)各模塊，以適應(yīng)赴應(yīng)急調(diào)查現(xiàn)場途中因交通工具運(yùn)輸可能帶來的損壞;到達(dá)現(xiàn)場后，各模塊又可快速組裝形成完整系統(tǒng)。
[0062]S3-5、系統(tǒng)全檢
系統(tǒng)組裝完成后，在接通電源情況下對各子系統(tǒng)部件進(jìn)行全面檢查，包括所有電池電量、飛控系統(tǒng)、GPS、電子羅盤、云臺、相機(jī)、數(shù)傳系統(tǒng)、圖傳系統(tǒng)、遙控器及地面監(jiān)視器等是否正常。系統(tǒng)全檢的主要目的是確保正式起飛作業(yè)前排除所有可能故障隱患，以保障飛行安全及拍攝像片質(zhì)量，不可省略。
[0063]S3-6、詳細(xì)航線規(guī)劃自動調(diào)查方案必須進(jìn)行詳細(xì)航線規(guī)劃，其既能保障飛行過程安全可靠，也能保證拍攝到滿足災(zāi)害體遙感成果處理要求的高質(zhì)量像片組。如果在室內(nèi)準(zhǔn)備過程中已進(jìn)行了初步航線規(guī)劃S2-3，則詳細(xì)航線規(guī)劃應(yīng)以初步規(guī)劃航線為基礎(chǔ)，否則在現(xiàn)場直接進(jìn)行詳細(xì)航線規(guī)劃。
[0064]為提高應(yīng)急調(diào)查實(shí)施效率，應(yīng)根據(jù)災(zāi)害體分布范圍及其周邊地形選擇不同的規(guī)劃航線類型，主要分為三類:
(I)針對緩傾斜坡地形的平面網(wǎng)格型。如圖5，該類型主要針對坡度較緩(<40° )地形上分布范圍較大的災(zāi)害體，如緩傾滑坡。對這類災(zāi)害體進(jìn)行應(yīng)急調(diào)查的主要目的是獲得平面地形和垂直向下的正射影像，故規(guī)劃航線應(yīng)采用覆蓋災(zāi)害體表面范圍的平面網(wǎng)格模式，并保持相機(jī)鏡頭始終垂直向下(鏡頭方向0°)。航線高度則應(yīng)動態(tài)調(diào)整以適應(yīng)災(zāi)害體及斜坡高程變化，原則上始終保持無人機(jī)距離地表高度相對固定(50 m?100 m之間)為宜。
[0065](2)針對懸崖陡壁地形的垂直網(wǎng)格型。如圖6，該類型主要針對坡度極陡地形(>60°)上發(fā)育的災(zāi)害體，如懸崖陡壁上的危巖體。常規(guī)的平面地形和垂直向下的正射影像無法反映這類災(zāi)害體特征，應(yīng)急調(diào)查應(yīng)以獲取其三維模型及直立面影像為目的，故規(guī)劃航線應(yīng)采用平行直立面覆蓋災(zāi)害體外側(cè)范圍的垂直網(wǎng)格模式，并保持相機(jī)鏡頭始終水平指向?yàn)?zāi)害體(鏡頭方向90°)。所有水平航線的平面位置可以重疊，只是高度存在變化。同時，保持無人機(jī)距災(zāi)害體直立面的距離相對固定(40 m ~ 80 m)為宜。
[0066](3)針對陡緩結(jié)合地形的組合網(wǎng)格型:如圖7，該類型主要針對坡度陡緩結(jié)合地形上分布的災(zāi)害體，如陡崖殘留危巖體與斜坡崩塌堆積體構(gòu)成的災(zāi)害體。應(yīng)急調(diào)查既需要獲得平面地形和垂直向下的正射影像，同時還需獲得三維模型及直立面影像來展示其陡立部分，故規(guī)劃航線應(yīng)采用組合網(wǎng)格型，即先用平面網(wǎng)格覆蓋緩坡災(zāi)害體范圍，接著用垂直網(wǎng)格覆蓋陡坡災(zāi)害體范圍。鏡頭方向在平面網(wǎng)格部分保持垂直向下指向地面(鏡頭方向0°)，在垂直網(wǎng)格部分則由低航線到高航線逐漸抬起鏡頭，即根據(jù)實(shí)際情況將鏡頭方向從0°逐漸增加到90° (可以按照15°或30°的間隔沿水平航線逐條增加)。距地面高度及距陡立面距離按照平面網(wǎng)格型和垂直網(wǎng)格型設(shè)定。
[0067]詳細(xì)規(guī)劃航線以上述三種類型為基礎(chǔ)，但應(yīng)根據(jù)災(zāi)害體的具體特征進(jìn)行靈活優(yōu)化實(shí)施。無論如何，規(guī)劃航線應(yīng)保證像片的航向重疊率75%以上，旁向重疊率60%以上，否則會嚴(yán)重影響后期成果處理范圍及精度。此外，在現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)航線規(guī)劃時，還應(yīng)注意:①無論是否進(jìn)行過室內(nèi)初步航線規(guī)劃，在現(xiàn)場都必須根據(jù)無人機(jī)自帶GPS獲取的實(shí)際位置對航線及飛行范圍進(jìn)行準(zhǔn)確校正;②航線覆蓋范圍要大于災(zāi)害體的實(shí)際分布范圍，以保證災(zāi)害體范圍內(nèi)的像片有足夠的重疊率;③應(yīng)在災(zāi)害體坡腳附近位置設(shè)置起始航線，逐漸向上飛行拍攝直到災(zāi)害體坡頂附近位置設(shè)置結(jié)束航線，即始終保持無人機(jī)在調(diào)查過程中由低往高飛行，以充分利用無人機(jī)在上升飛行過程中更加穩(wěn)定的特點(diǎn);④對規(guī)劃航線進(jìn)行仔細(xì)檢查確認(rèn)無誤后必須導(dǎo)入飛行控制系統(tǒng)生效。
[0068]S3-7、參數(shù)設(shè)置
設(shè)置飛行速率、拍攝速率以及各控制參數(shù)，其中飛行速率建議設(shè)為10米/秒?20米/秒之間，相機(jī)拍攝速率不低于I秒/張。
[0069]S3-8、自主飛行拍攝
選擇相對開闊平整的起降地點(diǎn)開始正式飛行，正常情況下，無人機(jī)應(yīng)按規(guī)劃航線進(jìn)行自主飛行并自動拍攝像片。飛行過程應(yīng)密切監(jiān)視飛行狀態(tài)以保證飛行安全，三人參與實(shí)施最為合適:主操作員負(fù)責(zé)通過地面控制站監(jiān)視飛行過程是否與航線吻合，而當(dāng)發(fā)現(xiàn)非正常情況時則負(fù)責(zé)通過遙控器切換手動操控?zé)o人機(jī);主監(jiān)控員通過地面監(jiān)視器實(shí)時觀察飛行影像、相機(jī)拍照及參數(shù)變化，并將相關(guān)信息及時通知主操作員；副監(jiān)控員通過目視或望遠(yuǎn)鏡實(shí)時跟蹤觀察飛行器的飛行姿態(tài)變化以及周邊環(huán)境，并盡量提前發(fā)現(xiàn)飛行隱患，及時告知主操作員進(jìn)行應(yīng)急處理。飛行完成后，應(yīng)及時檢查像片質(zhì)量及無人機(jī)各模塊狀態(tài)是否正常。
[0070]S3-9、手動飛行拍攝
手動控制飛行及像片拍攝，整個過程完全依靠操作人員通過遙感器進(jìn)行手動操控，其飛行安全及像片拍攝質(zhì)量易受影響，故飛行過程更應(yīng)加強(qiáng)飛行狀態(tài)監(jiān)控。與自主飛行拍攝過程中人員分工不同的是，主操作員始終負(fù)責(zé)操控?zé)o人機(jī)的飛行過程，主監(jiān)控操作員除了通過監(jiān)視器監(jiān)控飛行過程和狀態(tài)外，還需負(fù)責(zé)通過另一遙控器操控相機(jī)鏡頭方向及像片拍攝，副監(jiān)控員仍然通過目視或望遠(yuǎn)鏡實(shí)時跟蹤觀察飛行器的飛行姿態(tài)變化以及周邊環(huán)境，提前發(fā)現(xiàn)異常并及時告知主操作員進(jìn)行應(yīng)急處理。同樣，飛行完成后更應(yīng)及時檢查像片質(zhì)量及無人機(jī)各模塊狀態(tài)是否正常，尤其注意像片拍攝是否清晰、災(zāi)害體覆蓋范圍是否完整以及像片重疊率是否滿足要求。
[0071]S4、快速處理
在現(xiàn)場飛行拍攝結(jié)束后，立即采用筆記本電腦對降低分辨率的像片進(jìn)行數(shù)字?jǐn)z影測量快速處理，一般僅需十幾到幾十分鐘即能獲得地質(zhì)災(zāi)害體的粗精度成果，從而為現(xiàn)場應(yīng)急處置方案的快速決策提供支持。具體步驟見圖8。
[0072]S4-1、像片預(yù)處理
導(dǎo)出飛行日志，根據(jù)時間將GPS信息寫入對應(yīng)像片，再去除少量存在質(zhì)量問題(例如模糊)像片。
[0073]S4_2、SfM 快速處理
相比較于傳統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)z影測量方法，現(xiàn)場快速處理采用SfM(Structure from Mot1n，基于運(yùn)動視覺的三維結(jié)構(gòu)重建)方法更為簡單高效，其僅需一組目標(biāo)物體的重疊像片就可快速生成三維遙感影像成果，而對相機(jī)拍攝位置、圖像尺度及拍攝焦距等均沒有要求。其快速處理過程包括降低寫入GPS信息的原始像片分辨率，再經(jīng)過自動空三測量與區(qū)域網(wǎng)平差處理，以生成地質(zhì)災(zāi)害體的三維點(diǎn)云。
[0074]S4-3、生成粗精度成果
加密三維點(diǎn)云，并以此為基礎(chǔ)生成數(shù)字表面模型、數(shù)字正射影像、三維模型等遙感成果。由于快速處理僅利用了像片的GPS信息，因此生成的成果精度完全依賴于GPS精度，故絕對定位誤差可能達(dá)到米級。
[0075]S4-4、粗精度成果應(yīng)用
根據(jù)粗精度遙感成果，快速量算以獲得地質(zhì)災(zāi)害體的基本特征數(shù)據(jù)，如長、寬、高、面積等，同時定性評估災(zāi)害體及周邊環(huán)境的三維地形地貌特征。雖然存在米級誤差，但可為以定性為主的現(xiàn)場應(yīng)急處置方案快速決策提供重要支持。
[0076]S5、全面處理
利用高性能臺式機(jī)、圖像工作站等，對原始像片進(jìn)行SfM全面處理，并通過加入像控點(diǎn)將成果精度提升到厘米甚至毫米級。全面處理常需一到幾個小時，故主要用于支持后期對地質(zhì)災(zāi)害體的詳細(xì)處置方案設(shè)計。具體步驟見圖9。
[0077]S5_l、SfM 全面處理
采用寫入GPS信息的原始像片，經(jīng)自動空三測量與區(qū)域網(wǎng)平差處理，生成三維點(diǎn)云，再通過引入像控點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)，即可生成精度在厘米級甚至毫米級的高精度三維點(diǎn)云。
[0078]S5-2、生成高精度成果
加密三維點(diǎn)云，并以此為基礎(chǔ)生成數(shù)字表面模型、數(shù)字正射影像、三維模型等遙感成果。源于三維點(diǎn)云精度，生成的各種遙感成果也具備厘米級甚至毫米級的高精度特征。
[0079]S5-3、高精度成果應(yīng)用
根據(jù)高精度數(shù)字地形模型，再結(jié)合數(shù)字正射影像及三維可視化模型，可以進(jìn)一步制作大比例尺高精度地形圖以及各類平面圖、設(shè)計圖等，同時可準(zhǔn)確量化災(zāi)害體特征等，從而支持后期對地質(zhì)災(zāi)害體的詳細(xì)處置方案設(shè)計。
[0080]本發(fā)明實(shí)施的基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，涵蓋了從適宜的小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)定制，到包括室內(nèi)準(zhǔn)備、現(xiàn)場作業(yè)、快速處理及全面處理在內(nèi)的完整技術(shù)方法體系和實(shí)施流程，據(jù)此開展基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查，不僅可以大大降低現(xiàn)場工作時間、強(qiáng)度以及風(fēng)險，而且可以實(shí)現(xiàn)在數(shù)小時內(nèi)提供整體與細(xì)節(jié)兼顧、全方位、多角度、可視化的高精度遙感成果及信息，真正滿足地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查既“快”且“高效”的客觀需求，并進(jìn)而為地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置方案制定提供支撐，以大大提升應(yīng)急處置效率。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，其特征在于，技術(shù)步驟包括:S1:小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)定制;S2:室內(nèi)準(zhǔn)備;S3:現(xiàn)場作業(yè);S4:快速處理;5:全面處理； 所述步驟SI中適于單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查的小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)，其主要技術(shù)特征包括:系統(tǒng)由多旋翼小型無人機(jī)、航攝、地面控制、地面監(jiān)測四個子系統(tǒng)構(gòu)成;多旋翼小型無人機(jī)子系統(tǒng)采用多旋翼碳纖維機(jī)身，配備穩(wěn)定的飛行控制系統(tǒng)以及高性能GPS、數(shù)據(jù)傳輸模塊;航攝子系統(tǒng)采用2000萬像素以上的普通數(shù)碼相機(jī)或單反相機(jī)，加裝可以實(shí)時穩(wěn)定并調(diào)節(jié)鏡頭方向的相機(jī)云臺，同時配備圖像疊加模塊及圖像發(fā)送模塊;地面控制子系統(tǒng)包括地面控制站及遙控器，其中地面控制站采用便攜式筆記本電腦安裝與飛行控制系統(tǒng)相匹配的控制站軟件，支持航線規(guī)劃、飛行控制及參數(shù)設(shè)置功能，遙控器支持隨時切換飛行器自動或手動飛行模式、隨時調(diào)節(jié)相機(jī)云臺角度以及控制拍攝，同時地面控制子系統(tǒng)還配備數(shù)據(jù)傳輸模塊，以便與飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行交互通信;地面監(jiān)視子系統(tǒng)通過圖像接收模塊，能將飛行器上通過圖像疊加及發(fā)送模塊傳送的實(shí)時影像與飛行參數(shù)信息實(shí)時顯示在地面監(jiān)視器上；所述步驟S2中室內(nèi)準(zhǔn)備包括電池充電、系統(tǒng)初檢和初步航線規(guī)劃； 所述步驟S2中的電池充電，應(yīng)在開展地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查現(xiàn)場作業(yè)前的室內(nèi)準(zhǔn)備工作中完成，即在未確認(rèn)現(xiàn)場作業(yè)時間之前不使用無人機(jī)的情況下，系統(tǒng)配備的各類鋰電池均不應(yīng)滿電或空電放置，而應(yīng)一般保持電壓在3.8V左右，以延長電池使用壽命； 所述步驟S2中的系統(tǒng)初檢，主要是室內(nèi)檢查無人機(jī)核心部件，包括飛行控制系統(tǒng)、地面控制站、云臺相機(jī)、數(shù)傳及圖傳系統(tǒng)功能是否正常，以避免現(xiàn)場作業(yè)時遭遇無法及時解決的核心部件故障，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)急調(diào)查失?。?所述步驟S2中的初步航線規(guī)劃，方法是根據(jù)事先獲知的災(zāi)害體位置信息，基于衛(wèi)星地圖(如谷歌地球、必應(yīng)地圖等)大致圈定災(zāi)害體可能致災(zāi)范圍，并針對該范圍進(jìn)行航線規(guī)劃，主要內(nèi)容包括起降點(diǎn)的初選以及平面航線模式規(guī)劃，如果事先未獲知災(zāi)害體具體位置信息，此步驟可省略； 所述步驟S3中現(xiàn)場作業(yè)包括環(huán)境考察評估、確定調(diào)查方案、自動調(diào)查方案和手動調(diào)查方案。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，其特征在于，所述步驟S3中的環(huán)境考察評估，內(nèi)容分為災(zāi)害體周邊環(huán)境考察，包括地形地貌、局地氣象條件、高空及地面設(shè)施分布、可視范圍及通視情況、起降地點(diǎn)選擇、飛行范圍確定；災(zāi)害體特征考察，包括災(zāi)害體及影響范圍的地形地貌、平面分布特征、高程變化特征、規(guī)模特征(長、寬、面積等)；實(shí)施條件考察，包括GPS信號強(qiáng)度及穩(wěn)定性、地面像控點(diǎn)的布設(shè)方案等。 根據(jù)現(xiàn)場災(zāi)害體及周邊環(huán)境特征，確定適宜的小型無人機(jī)遙感應(yīng)急調(diào)查實(shí)施方案； 所述步驟S3中的確定調(diào)查方案，分為自動調(diào)查和手動調(diào)查兩種方案。 絕大多數(shù)情況下應(yīng)采用自動調(diào)查方案，該方案是利用無人機(jī)自帶GPS信息，使系統(tǒng)按照詳細(xì)規(guī)劃航線進(jìn)行自主飛行和自動拍攝像片。 但以下情況宜采用手動調(diào)查方案，一是在深山峽谷等無GPS信號或信號不穩(wěn)定區(qū)域，二是災(zāi)害體范圍極小、通視情況良好的區(qū)域，手動調(diào)查完全依靠手動控制飛行器的飛行及像片拍攝，該方案的飛行安全性及像片拍攝質(zhì)量一般相對自動方式較低，更加快速、機(jī)動、靈活； 所述步驟S3中的自動調(diào)查方案，實(shí)施步驟為像控點(diǎn)布設(shè)及測量、系統(tǒng)組裝、系統(tǒng)全檢、詳細(xì)航線規(guī)劃、參數(shù)設(shè)置及自主飛行拍攝； 所述步驟S3中的手動調(diào)查方案，實(shí)施步驟為像控點(diǎn)布設(shè)及測量、系統(tǒng)組裝、系統(tǒng)全檢及手動飛行拍攝。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，其特征在于，所述步驟S3中的像控點(diǎn)布設(shè)方法為:在飛行范圍內(nèi)直接選擇和標(biāo)識在無人機(jī)拍攝像片上可以清晰可辨的特征點(diǎn)，如房屋、公路、出露基巖等作為像控點(diǎn)；而在無直接可辨特征點(diǎn)的位置，可在地面放置像片上可以清晰可辨的輔助標(biāo)志，如白色背景中的黑色十字標(biāo)識牌，以標(biāo)識像控點(diǎn)位置;根據(jù)飛行范圍大小，布設(shè)3-5處像控點(diǎn)，且像控點(diǎn)分布應(yīng)盡量均勻，構(gòu)成等邊三角網(wǎng)或四邊形網(wǎng)。 另外，像控點(diǎn)布設(shè)應(yīng)在無人機(jī)采集像片之前完成，以保證像片上可以清楚分辨所有像控點(diǎn)標(biāo)識。 所述步驟S3中的像控點(diǎn)的測量，方法為:絕大多數(shù)情況下應(yīng)優(yōu)先選擇GPS RTK測量技術(shù);在無GPS信號或信號不穩(wěn)定區(qū)域，宜選擇全站儀測量技術(shù)。 像控點(diǎn)的測量目的是獲得高精度三維坐標(biāo)。 像控點(diǎn)測量時I B]不受無人機(jī)米集像片時間限制，可在任意時刻進(jìn)行，如在米集同時進(jìn)行，則應(yīng)保證像控點(diǎn)標(biāo)識不被遮擋，仍能在像片上清晰可見； 所述步驟S3中的系統(tǒng)組裝，其方法是對定制的小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，在赴應(yīng)急調(diào)查現(xiàn)場途中拆卸后既節(jié)省空間又更好地保護(hù)各模塊，避免因交通工具運(yùn)輸可能帶來的損壞，而在到達(dá)現(xiàn)場后，通過快速組裝形成完整系統(tǒng)。 系統(tǒng)組裝可在像控點(diǎn)布設(shè)及測量工作開展同時進(jìn)行。 所述步驟S3中的系統(tǒng)全檢，方法是在接通電源情況下對各子系統(tǒng)部件進(jìn)行全面檢查，包括所有電池電量、飛控系統(tǒng)、GPS、電子羅盤、云臺、相機(jī)、數(shù)傳系統(tǒng)、圖傳系統(tǒng)、遙控器及地面監(jiān)視器等是否正常，其主要目的是確保正式起飛作業(yè)前排除所有可能故障隱患，保障飛行安全及拍攝像片質(zhì)量，不可省略。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，其特征在于，所述步驟S3中的詳細(xì)航線規(guī)劃，應(yīng)根據(jù)災(zāi)害體分布范圍及其周邊地形選擇不同的航線類型，主要分為三類:針對緩傾斜坡地形的平面網(wǎng)格型、針對懸崖陡壁地形的垂直網(wǎng)格型、針對陡緩結(jié)合地形的組合網(wǎng)格型。 在針對坡度較緩(<40° )地形上分布范圍較大的災(zāi)害體，如緩傾滑坡，航線類型應(yīng)采用覆蓋災(zāi)害體表面范圍的平面網(wǎng)格型，并保持相機(jī)鏡頭始終垂直向下(鏡頭方向0°);航線高度則應(yīng)動態(tài)調(diào)整以適應(yīng)災(zāi)害體及斜坡高程變化，原則上始終保持無人機(jī)距離地表高度相對固定(50 m?100 m之間)為宜。 在針對坡度極陡地形(>60°)上發(fā)育的災(zāi)害體，如懸崖陡壁上的危巖體，航線類型應(yīng)采用平行直立面覆蓋災(zāi)害體外側(cè)范圍的垂直網(wǎng)格型，并保持相機(jī)鏡頭始終水平指向?yàn)?zāi)害體(鏡頭方向90° );所有水平航線的平面位置可以重疊，只是高度存在變化;同時，保持無人機(jī)距災(zāi)害體直立面的距離相對固定(40 m ~ 80 m)為宜。 在針對坡度陡緩結(jié)合地形上分布的災(zāi)害體，如陡崖殘留危巖體與斜坡崩塌堆積體構(gòu)成的災(zāi)害體，航線類型應(yīng)采用組合網(wǎng)格型，即先用平面網(wǎng)格覆蓋緩坡災(zāi)害體范圍，接著用垂直網(wǎng)格覆蓋陡坡災(zāi)害體范圍；鏡頭方向在平面網(wǎng)格部分保持垂直向下指向地面(鏡頭方向0°)，在垂直網(wǎng)格部分則由低航線到高航線逐漸抬起鏡頭，即根據(jù)實(shí)際情況將鏡頭方向從0°逐漸增加到90° (可以按照15°或30°的間隔沿水平航線逐條增加)；距地面高度及距陡立面距離按照平面網(wǎng)格型和垂直網(wǎng)格型設(shè)定。 詳細(xì)航線規(guī)劃應(yīng)以平面網(wǎng)格型、垂直網(wǎng)格型及組合網(wǎng)格型為基礎(chǔ)，再根據(jù)災(zāi)害體具體特征進(jìn)行靈活優(yōu)化實(shí)施，但無論采用何種航線類型，都應(yīng)始終保證像片航向重疊率75%以上，旁向重疊率60%以上； 所述步驟S3中的詳細(xì)航線規(guī)劃，現(xiàn)場實(shí)施時還應(yīng)注意:無論是否進(jìn)行過室內(nèi)初步航線規(guī)劃，在現(xiàn)場都必須根據(jù)無人機(jī)自帶GPS獲取的實(shí)際位置對航線及飛行范圍進(jìn)行準(zhǔn)確校正；航線覆蓋范圍要大于災(zāi)害體實(shí)際分布范圍，以保證災(zāi)害體范圍內(nèi)的像片有足夠的重疊率；應(yīng)在災(zāi)害體坡腳附近位置設(shè)置起始航線，逐漸向上飛行拍攝直到災(zāi)害體坡頂附近位置設(shè)置結(jié)束航線，即始終保持無人機(jī)在調(diào)查過程中由低往高飛行，以充分利用無人機(jī)在上升飛行過程中更加穩(wěn)定的特點(diǎn)；對規(guī)劃航線進(jìn)行仔細(xì)檢查確認(rèn)無誤后必須導(dǎo)入飛行控制系統(tǒng)生效。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，其特征在于，所述步驟S3中的參數(shù)設(shè)置，包括設(shè)置飛行速率、拍攝速率以及各控制參數(shù)，其中飛行速率建議設(shè)為10米/秒?20米/秒之間，相機(jī)拍攝速率不低于I秒/張。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，其特征在于，所述步驟S3中的自主飛行拍攝，應(yīng)選擇相對開闊平整的起降地點(diǎn)開始正式飛行，正常情況下，無人機(jī)應(yīng)按規(guī)劃航線進(jìn)行自主飛行并自動拍攝像片。 飛行過程應(yīng)密切監(jiān)視飛行狀態(tài)以保證飛行安全，三人參與實(shí)施最為合適:主操作員負(fù)責(zé)通過地面控制站監(jiān)視飛行過程是否與航線吻合，而當(dāng)發(fā)現(xiàn)非正常情況時則負(fù)責(zé)通過遙控器切換手動操控?zé)o人機(jī);主監(jiān)控員通過地面監(jiān)視器實(shí)時觀察飛行影像、相機(jī)拍照及參數(shù)變化，并將相關(guān)信息及時通知主操作員；副監(jiān)控員通過目視或望遠(yuǎn)鏡實(shí)時跟蹤觀察飛行器的飛行姿態(tài)變化以及周邊環(huán)境，并盡量提前發(fā)現(xiàn)飛行隱患，及時告知主操作員進(jìn)行應(yīng)急處理。 飛行完成后，應(yīng)及時檢查像片質(zhì)量及無人機(jī)各模塊狀態(tài)是否正常。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，其特征在于，所述步驟S3中的手動飛行拍攝，其方法是手動控制飛行及像片拍攝，即整個過程完全依靠操作人員通過遙感器進(jìn)行手動操控。 參與實(shí)施人員分工為:主操作員始終負(fù)責(zé)操控?zé)o人機(jī)的飛行過程;主監(jiān)控操作員除了通過監(jiān)視器監(jiān)控飛行過程和狀態(tài)外，還需負(fù)責(zé)通過另一遙控器操控相機(jī)鏡頭方向及像片拍攝;副監(jiān)控員通過目視或望遠(yuǎn)鏡實(shí)時跟蹤觀察飛行器的飛行姿態(tài)變化以及周邊環(huán)境，提前發(fā)現(xiàn)異常并及時告知主操作員進(jìn)行應(yīng)急處理。 飛行完成后應(yīng)及時檢查像片質(zhì)量及無人機(jī)各模塊狀態(tài)是否正常，尤其注意像片拍攝是否清晰、災(zāi)害體覆蓋范圍是否完整以及像片重疊率是否滿足要求。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，其特征在于，所述步驟S4中的快速處理，是在現(xiàn)場飛行拍攝結(jié)束后立即采用筆記本電腦，對小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)拍攝到的單體地質(zhì)災(zāi)害像片，進(jìn)行十幾到幾十分鐘的快速處理，以獲得災(zāi)害體的粗精度成果，從而為現(xiàn)場應(yīng)急處置方案的快速決策提供支持。 其步驟包括像片預(yù)處理、SfM快速處理、生成粗精度成果及應(yīng)用。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，其特征在于，所述步驟S4中的像片預(yù)處理，包括導(dǎo)出飛行日志，根據(jù)時間將GPS信息寫入對應(yīng)像片，再去除少量存在質(zhì)量問題(例如模糊)像片； 所述步驟S4中的SfM快速處理，其過程包括降低寫入GPS信息的原始像片分辨率，然后進(jìn)行自動空三測量與區(qū)域網(wǎng)平差處理，以生成地質(zhì)災(zāi)害體的三維點(diǎn)云； 所述步驟S4中的生成粗精度成果，方法是首先加密三維點(diǎn)云，再以此為基礎(chǔ)生成數(shù)字表面模型、數(shù)字正射影像、三維模型等遙感成果； 所述步驟S4中的粗精度成果應(yīng)用，包括快速量算以獲得地質(zhì)災(zāi)害體的基本特征數(shù)據(jù)，如長、寬、高、面積等，以及定性評估災(zāi)害體及周邊環(huán)境的三維地形地貌特征，可為以定性為主的現(xiàn)場應(yīng)急處置方案快速決策提供支持。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，其特征在于，所述步驟S5中的全面處理，是利用高性能臺式機(jī)、圖像工作站等，對原始像片進(jìn)行SfM處理，并通過加入像控點(diǎn)將成果精度提升到厘米甚至毫米級的處理和應(yīng)用過程，常需一到幾個小時，主要用于支持后期對地質(zhì)災(zāi)害體的詳細(xì)處置方案設(shè)計。 其步驟包括SfM全面處理、生成高精度成果以及高精度成果應(yīng)用。11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于小型無人機(jī)遙感的單體地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查方法，其特征在于，所述步驟S5中的SfM全面處理，方法是采用寫入GPS信息的原始像片，經(jīng)自動空三測量與區(qū)域網(wǎng)平差處理，生成三維點(diǎn)云，再通過引入像控點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)，生成精度在厘米級甚至毫米級的高精度三維點(diǎn)云； 所述步驟S5中的生成高精度成果，方法是首先加密三維點(diǎn)云，再以此為基礎(chǔ)生成數(shù)字表面模型、數(shù)字正射影像、三維模型等遙感成果； 所述步驟S5中的高精度成果應(yīng)用，主要是根據(jù)高精度數(shù)字地形模型，再結(jié)合數(shù)字正射影像及三維可視化模型，制作大比例尺高精度地形圖及各類平面圖、設(shè)計圖等，并準(zhǔn)確量化災(zāi)害體特征等，以支持后期對地質(zhì)災(zāi)害體的詳細(xì)處置方案設(shè)計。
【文檔編號】G01S19/14GK105865427SQ201610328257
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】黃海峰, 易武, 林海玉, 王煥, 易慶林, 張國棟, 李劍南, 張磊, 胡乃利, 呂奕銘, 柳青, 雷德鑫, 童時岸, 劉凱
【申請人】三峽大學(xué)