無人直升機遙感在華北平原地裂縫監測中的應用

無人直升機遙感在華北平原地裂縫監測中的應用

楊進生，郭穎平，蓋利亞，王志宏，陳宗良

(中國地質調查局 水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

摘要：本文介紹了無人直升機遙感技術在華北地裂縫(隆堯段)調查中的應用，給出了低空遙感地裂縫信息采集技術框架，并通過從不同角度、不同高度空中攝影方案，展示了部分遙感監測影像。根據華北平原(隆堯段)地裂縫的發育特征、建立遙感解譯標志，并對隆堯地裂縫遙感信息進行探索性提取。通過野外驗證，監測效果良好。本文研究成果為在平原地區快速、大面積尋找和監測地裂縫提供了可行的低空遙感技術和方法參考。

關鍵詞：低空高分辨率遙感；無人直升機；地裂縫；信息提取

doi:10.3969/j.issn.1000-3177.2015.01.011

中圖分類號：TP79文獻標識碼：A

Application of Unmanned Helicopter Remote Sensing in Monitoring

Ground Fissure in North China Plain

YANG Jin-sheng，GUO Ying-ping，GAI Li-ya，WANG Zhi-hong，CHEN Zong-liang

(CentreforHydrogeologyandEnvironmentalGeologyCGS，Baoding071051)

Abstract：The paper presents the application of unmanned aerial vehicle remote sensing for ground fissure survey in the North China Plain (Longyao area)，and the framework of low altitude remote sensing information acquisition technology.It shows part of monitoring imagery from a variety of aerial photography at different angles and height.The remote sensing interpretation keys are established according to the characteristics of ground fissure in the North China Plain (Longyao area) for tentative extraction of remote sensing information on Longyao ground fissure.The monitoring results are validated through field survey.It provides a reference for low altitude remote sensing feasible technology and a method for quick searching and monitoring ground fissure by large area in plain areas.

Key words：low-altitude high-resolution remote sensing；unmanned helicopter；ground fissure；information extraction

1引言

現代地裂縫在世界許多國家普遍存在，已成為當今世界范圍內的主要地質災害之一[1]。隨著社會經濟建設的飛速發展，在華北平原，人類活動對地質環境的影響越來越大，使人們賴以生存的地質環境已經發生或將要發生深刻變化，在人類向地質環境無止境索取的同時，也導致了地質災害的頻繁發生。在上個世紀七十年代以前，除強烈地震引起的地裂縫、地面塌陷外，其他成因的地裂縫鮮有發生?？墒菑纳蟼€世紀八十年代后，尤其是進入本世紀初，人類活動致使地質環境發生變化，導致華北平原地裂縫、地面塌陷地質災害日益嚴重，造成建筑物損壞、道路變形、管道破裂、農田破壞、農田開裂漏水等嚴重后果，制約了工農業生產、工程建設、城市規劃、生命線工程和土地利用等發展國民經濟的各項工作，成為亟待解決的城鄉地質環境問題。地裂縫災害給華北平原區域經濟建設、社會穩定帶來嚴重危害，直接威脅重大工程的實施和安全運行。

地裂縫是地表巖層、土體在自然因素或人為因素作用下，產生開裂并在地面形成一定長度和寬度裂縫的地質現象[2]。以往人們對地裂縫災害的調查主要是開展工程地質勘查和地球物理勘查；國外在使用無人機進行災害監測方面起步較早，經過長期應用與研究，取得了很好的效果。國內無人機地質災害遙感監測在“5.12”汶川地震后有了迅猛的發展[3-11]，特別是近幾年，無人機技術、傳感器技術的提高，使視域廣闊、分辨率高、快速監測地裂縫災害成為現實。早期遙感監測地裂縫災害主要是利用衛片進行信息提取，在特定的環境和條件下是可行的，但是對于那些裂縫較小，經常被巖土覆蓋的裂縫，卻是很難用常規遙感方法解譯出來。低空遙感具有機動靈活、適時獲取遙感信息的能力。本次華北地裂縫低空遙感監測研究選擇河北省邢臺市隆堯段示范區，前期收集了大量相關資料并進行了地面踏勘工作，根據當地地裂縫的發育特點和發育程度，選擇適當的季節和時間，進行多角度、多分辨率的實驗飛行，通過低空攝影技術、信息提取手段、建立地裂縫遙感解譯標志，研究平原地區地裂縫遙感特征的表現形式，探索地裂縫低空遙感監測的技術方法，為今后開展地質災害低空遙感監測、防災減災決策提供科學依據。

2研究區概況

河北省邢臺市隆堯縣地處滹沱河沖積扇西南緣，太行山前洪積—沖積傾斜平原的前緣。構造上屬于邢臺地塹區，構造線呈北東方向展布，內部發育有一系列斷裂帶。地貌上屬于華北平原，地勢西高東低，宣務山、堯山坐落西部，山地面積5.8km2。中東部地勢平坦，土壤肥沃，適宜農作物種植。交通便利，京廣鐵路、京深高鐵、107國道、京深高速、石安高速公路從西部境內穿過，祁南、內邢公路橫跨東西。在1966年邢臺大地震后，隆堯縣各地多處出現地裂縫，對村莊房屋和田地破壞尤為明顯，出現房屋開裂、道路塌陷和地層錯動等現象。地裂縫信息有的區域地表表現形式較明顯，出現破碎帶、塌陷、裂縫、地表高低起伏不平，但有的區域地表缺少常見的表現形式，為隱伏地裂縫。地裂縫災害的發生對農田建設、道路運行、人民的生產生活影響甚大。

3低空遙感平臺

低空遙感平臺(系統)由無人直升機飛行平臺、任務設備(陀螺穩定吊艙和傳感器)和測控地面(車)站組成，如圖1所示。無人直升機遙感平臺穩定，飛行速度慢，可低空飛行，適合大比例尺的航攝，陀螺穩定吊艙結合GPS，目標精確定位，可完成高精度攝影任務。

圖1　無人直升機遙感平臺

3.1飛行平臺

無人直升機主要由機體、動力裝置、遙控遙測分系統、自動駕駛分系統、陀螺穩定吊艙和傳感器、測控地面站等部分構成，在發動機的驅動下使主旋翼轉動，形成與空氣的相對運動，產生向上升力將機身升起，利用復雜的機械操作，改變主槳及尾槳角度，完成直升機起降。

3.2陀螺穩定吊艙和傳感器

陀螺穩定吊艙：采用三軸陀螺穩像隔振吊艙，可實現方位和俯仰兩軸的陀螺穩像和橫滾水平伺服調整；可以修正和補償無人直升機平臺的傾斜，使對地觀測相機和攝像機處于監視狀態或垂直向下狀態，并借助方位和俯仰的陀螺穩定機構進行穩像，如圖2所示。

圖2　陀螺穩定吊艙和傳感器

傳感器：地質災害遙感圖像數據采集采用感光度和色彩深度好、存儲量大的數碼相機，廣角鏡頭對焦至無窮遠，以便獲取高分辨率全色影像[12]。

3.3地面站

測控地面站安裝在測控車上，主要由工控計算機、導航顯示器、測控終端、內控鍵盤、外操縱器、不間斷電源UPS、圖像操縱器、硬盤刻錄機、發電機、圖像顯示器等組成，實現航攝任務規劃及完成無人直升機遙控、遙測、任務設備工作指令。

4遙感圖像

4.1對地裂縫監測遙感圖像的要求和預處理

低空遙感圖像有效獲取是地裂縫遙感監測成敗的關鍵因素。遙感圖像的分辨率直接影響地裂縫提取的效果。不同時相對地裂縫異常信息的顯示有較大差異，利用地貌形態、地物陰影、洪水、霜雪、土壤濕度、植被、作物等種種標志，有利于解譯出地面或地下裂縫的某些特征。植被、農作物覆蓋度對地裂縫影像識別影響較大，所以獲取低空遙感圖像時盡量選擇植被覆蓋度較低或裂縫帶出現局部塌陷(如雨后或小麥灌溉后)、作物生長初期進行遙感飛行為好。地裂縫低空遙感監測應適時獲取高分辨率遙感圖像，保證地裂縫遙感特征的最佳形態，能很好反映地裂縫信息異常。

鑒于此，2013年5月15日使用Z-3無人直升機遙感平臺獲取了華北地裂縫隆堯段的地裂縫遙感圖像。在進行不同高度、不同角度飛行試驗后，確定本次飛行設計無人直升機相對航高300m，預設航向重疊70%，旁向重疊度40%，飛行面積3km2，搭載鏡頭焦距為24mm的大面陣數碼相機，獲取影像地面分辨率為0.08m。

無人直升機飛行時的抖動會影響航攝遙感圖像效果，需要對遙感圖像圖片進行必要的幾何糾正。同時，拼接遙感圖像形成災區整體監測圖，也需要一定的影像處理，如空中三角測量、DEM編輯、生成正射影像等[13]。

4.2地裂縫遙感圖像的處理技術

4.2.1空間濾波

根據研究區地裂縫特征，結合遙感圖像處理軟件中的多種卷積濾波器對圖像進行處理(默認3×3變換核)，處理結果如圖3所示。對比分析發現，經過高通濾波處理后的影像，所有的邊緣信息都得到了增強，同時也增加了噪聲信息，不適合該影像的地裂縫特征提取[14]；低通濾波抑制了影像中的高頻信息，但較好地反映了地裂縫信息。

圖3　不同空間濾波器的處理結果

在此基礎上，采用低通濾波器中3×3、7×7、11×11、13×13等不同變換核對數據進行處理(圖4)，通過對比，3×3變換核能較好地提取地裂縫信息。

圖4　不同變換核的低通濾波

圖5　其他圖像處理方法效果

4.2.2其他圖像增強處理

根據對研究區的實地調查，發現研究區的地裂縫整體上呈現為一條不連續曲線。為了更好地表達和提取地裂縫的特征信息，通過紋理信息提取、主成分變換、形態學濾波和去相關變換對實驗區影像數據進行了處理[15]。對比發現，主成分變化可以較為清晰地解譯出裂隙的位置及曲線形態分布，水平方向類似地裂縫信息，容易分析確定為田間地壟；紋理提取易受到道路以及建筑物等的干擾，提取效果一般；形態學濾波在此提取效果不明顯，與原始影像差別不大；相對于主成分變化的處理結果，去相關變換效果相對較弱。

通過信息提取后，地裂縫信息十分明顯，且地裂縫方向性和影響區域清楚。

5地裂縫遙感圖像特征分析

隆堯縣1966年邢臺地震處于6.8級震中位置，地震發生時除有大面積地區噴砂冒水外，也產生大量的地裂縫，大部分地裂縫閉合后基本不再開裂。周村—西店子一線地裂縫至今仍在活動，在隆堯縣城南附近地表有斷續出露發育痕跡出現，是華北平原最大的地裂縫。該段地層主要為耕植土、粉土和粉質粘土組成，古河道較為發育，大致呈SN方向，在這個方向上地表水的垂直滲透作用較強，水的沖刷、潛蝕與搬運作用強烈[16]。該區地表作物主要以小麥和玉米為主，在作物生長初期他的生長狀態與灌溉后的水土保持有必然的聯系，在地裂縫發育帶上，由于灌溉水分沿裂縫流失，致使小麥等作物生長稀疏，在高分辨率遙感圖像上表現出禿斑狀；雨后出現發育帶上的塌陷，表現為有規律的塌陷坑，公路上由于裂縫的作用，地面出現破碎現象；以地裂縫條帶為界，地勢總體表現為南低北高(圖6)。地裂縫條帶在遙感圖像上具有平直和彎曲的線性特征(圖7)。

圖6　解譯特征

圖7　地裂縫遙感異常監測圖

6結束語

試驗結果表明，在具備可反映地裂縫信息異常的情況下，選擇合適時間、飛行高度，低空遙感在地裂縫監測中能快速獲取地裂縫遙感信息，并通過信息提取技術，能很好地監測地裂縫在地表的地質現象表露特征。利用低空遙感技術進行地裂縫調查，能夠快速、有效地為尋找地裂縫提供技術和方法指導，減少野外地面調查的盲目性，對減少地裂縫帶來損害具有重要的社會經濟意義。

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