无人机技术在地质灾害危险性评价课程的应用与推广

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　　摘要：在科学技术高速发展的背景下，代表科技前沿的高校，引入高效、高精度的无人机技术进行地质灾害危险性评价成为高校本科教学的重要部分。对于地质灾害危险性评价专业课程，应用无人机技术进行灾害体的三维建模、信息提取及灾害评价成为本科教育人才模式的改革创新的重点，更是提高学生工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力的重要手段。本文结合桂林理工大学地质灾害评价专业新技术、新方法的课程建设与推广实例，总结分析无人机技术在科学研究和实践应用方面的优势，突显无人机技术在本科教学中人才培养的重要性，为地质灾害评价专业教学与实践教育提供理论基础。
　　关键词：无人机技术；地质灾害评价；三维建模；信息提取
　　中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）14-0094-03
　　一、引言
　　桂林理工大学是一所以中央与地方共建、广西壮族自治区管理为主的综合性高校，源于1956年原国家重工业部在广西组建的桂林地质学校，地质学科突出。1978年更名为桂林冶金地质学院，1993年更名为桂林工学院，2009年正式更名为桂林理工大学。地质灾害评价课程是以自然科学和地球科学为理论基础，以地质调查、工程问题、数学地质方法和灾害体稳定性评价为主要手段。该课程适应国民经济建设和社会发展的需要，培养侧重于地质灾害的稳定性分析与评价，突出空中、地面、地下、陆地背景下，各种方法技术相互配合，交叉渗透，已形成科学合理、立体交叉的现代化综合技术和方法。
　　经过长期的课程建设和发展，桂林理工大学地质灾害评价课程已经形成一套成熟的教学课程，使学生具备地质调查、现场测绘、数据统计与计算、灾害体评价、灾害治理与设计等技术能力。实现了理论知识和工作实践的有效结合，为用人单位所喜爱。然而，随着科技的快速发展，地质灾害评价中运用传统的地质罗盘、皮尺等工具进行的地质灾害调查已经不能满足地质灾害评价所要求的高效率和高精度的需求。单纯地采用传统学科的讲授和野外实践教学，已经不能满足社会对地质灾害评价专业人才能力的需求。无论是生产单位、科研机构或者是高等学校，迫切需要大量掌握快速进行地质灾害评价的人才，能够熟练进行现场三维建模、三维信息提取以及二次开发的人才。如何高效、高精度地进行地质灾害的危险性评价，特别是高陡、危险区域的评价，一直是地质工作者面临的一大难题，而无人机技术的航空摄影、三维建模及三维信息提取能有效地解决这个问题[1-3]。
　　综上，本文以桂林理工大学地质灾害评价课程为例，结合其在无人机技术应用课程建设与推广过程，总结分析了无人机技术在地质灾害评价的应用实践的课程建设与内容，对比分析地质灾害中无人机技术与传统方法的优势，为地质灾害评价课程的本科教学与实践教育提供理论基础。
　　二、地质灾害评价课程建设
　　作为桂林理工大学地质工程专业的老牌优势学科，地质灾害危险性评价延续水文地质工程地质专业教学模式，重点针对广西等西南岩溶地区的岩溶塌陷、高陡边坡的危岩防治、滑坡防治进行学科建设与学生培养；作为广西地区唯一的精品课程，培养出来的学生能够独立担负工程技术或工程管理的能力，毕业生普遍得到用人单位的好评。经过不断地完善教学机制和增强师资力量，我校地质灾害危险性评价课程得到长足进步。近几年来，随着消费级无人机及相关三维建模软件的普及与推广，无人机技术在地质灾害危险性评价的科研和工程应用教学中受到重视并得以发展。目前，该课程的教学重点主要有三方面：高陡边坡危岩的稳定性分析与评价、滑坡的勘察与防治以及岩溶塌陷的评价与防治。同时，要求学生掌握三维建模的软件使用和运用计算机技术解决地质灾害危险性评价的有关问题。
　　（一）高陡边坡危岩稳定性分析与评价
　　高陡边坡危岩的调查与稳定性分析是地质灾害危险性调查的重要内容，包括理论学习和野外实际应用。该部分内容要求学生熟练掌握危岩体的现场勘察、结构面的测量、数据的统计与归纳、赤平投影图的绘制以及危岩的稳定性分析与防治。现场勘察包括熟练运用地质罗盘进行结构面的倾向、倾角测量，数据的记录与统计；赤平投影图的绘制包括赤平投影的基本原理、数据的统计、计算机技术（如：CAD、南方cass和理正软件）的应用；危岩的稳定性分析包括掌握危岩发生的基本原理、危岩在不同工况情况下的稳定性的预测以及危岩崩落时的运动轨迹；危岩体的防治包括根据现场实际条件进行相关的设计处理。
　　（二）滑坡的勘察与防治
　　在掌握滑坡的特征、诱發因素及治理措施理论知识基础上，通过野外现场教学，让学生具备运用理论知识转化为工程实践的能力。野外现场教学主要包括：观察滑坡的基本特征、测量与记录滑坡的规模、分析滑坡的诱发因素、设计滑坡的治理措施、对比分析滑坡治理费用及提出治理设计方案。学生在滑坡勘察与防治的设计报告中，需要运用CAD、南方cass软件及理正软件进行现场等高线的制作、滑坡体土方量的计算以及如削方减载等相应治理措施的设计与费用估算。每一步骤都要求学生掌握充分的理论知识，确保学生能够进行独立承担指导项目开展工作的技术能力。
　　（三）岩溶塌陷的评价与防治
　　在掌握岩溶塌陷发生的地质背景、诱发因素及治理措施理论知识基础上，通过野外现场教学，让学生具备运用理论知识转化为工程实践的能力。野外现场教学主要包括：岩溶塌陷发生的规模、各塌陷间的内在联系、岩溶塌陷区域覆盖层厚度、治理措施与建议，分析塌陷区域覆盖层厚度，地下水位、水位季节性波动幅度、岩溶易发区划分与评价、岩溶塌陷治理等相关知识。学生在岩溶易发性评价与治理的过程中，需要运用CAD、BP神经网络及Arcgis等软件进行作图、评估与设计。岩溶塌陷评估与治理设计的每一步骤都要求学生掌握充分的理论知识，确保学生能够进行独立承担指导项目开展工作的技术能力。
　　三、无人机技术的应用推广
　　消费级无人机的民用普及化给地质灾害危险性评价带来了一次全新革命。无人机自带定位系统，操作简单，价格低廉，数据处理简便，数据可靠，一台智能手机即可实时操作，成为当前获取目标体空间数据的一种重要方式。无人机具有轻巧、成本低、分辨率高、续航时间长、高危地区探测、影像实时传输及机动灵活等优点而深受学者的喜爱，在防灾减灾、地理测绘、农业林业、水利水电、公路交通等方面发挥着重要作用，是人机航空遥感和卫星遥感的有力补充[4-6]。因此，利用小型无人机获取地质体空间几个信息具有独到的优势。 　　利用消费级无人机进行地质灾害危险性评价课程的改革和建设。课程主要步骤为：首先利用无人机进行倾斜航拍，通过无人机相片处理软件Agisoft photoscan/contxt computer /Pix4D mappter建立灾害体的三维模型和解译三维坐标，并评定解译的几何信息精度。在此基础上，通过GIS、CAD坐标提取插件等辅助软件大量提取边坡体各结构面的几何信息，以实际应用于灾害体的评价。
　　（一）无人机技术获取灾害体地质信息
　　1.消费级无人机的倾斜航拍技术。传统的测绘航拍为正射影像，而高陡边坡体结构面/滑坡体结构面/岩溶塌坑面的获取要求无人机从目标体的侧面进行拍摄，并配合一定的倾斜度调整，即无人机的倾斜航拍，有别于传统意义上的正射影像。另外，研究无人机航拍的飞行路线，相机检校和畸变校正等拍摄技术，实现高效飞行[7]。
　　2.三维实景模型的建立和三维坐标的转化。无人机自带GPS定位系统，利用Agisoft photoscan/contxt computer/Pix4D mappter无人机相片处理软件，建立目标体的三维实景模型，进而提取和转化目标体的三维坐标，用于工程实际。
　　3.完成结构面产状计算程序的编写，实现从实景模型提取结构面几何信息。基于不共线的三点确定一个平面的原理，运用编程软件Visual Basic编写了结构面倾向、倾角计算程序，结合CAD坐标提取插件，进行实景模型点云的三维坐标提取，进而实现实景模型结构面的几何参数提取。
　　4.评定目标体结构面几何参数的精度，从而进行工程实际应用。通过基础测量理论分析和典型实物试拍，进行拍摄技术和测量精度的测试和验证。在此基础上，实现野外目标体的结构面几何参数的提取，为后续的地质灾害评价与相应处理提供精确数据。
　　（二）硬件设施
　　无人机技术在地质灾害危险性评价课程的技术推广需要具备基础的硬件设备，包括消费级无人机和高性能的计算机[7]。我校近年来对这方面的建设日益重视，分别投入经费和场地进行课程的发展与建设。目前已经购买3台专业级无人机，正在招标购买6台精灵4pro小型无人机，此外，配备3台128G内存的工作站和工作站机房，工作站用于进行相片处理软件Agisoft photoscan/contxt computer/Pix4D mappter/Arcgis等的运行。
　　（三）版权购买
　　为快速处理和获取地质灾害体的三维数据信息，需要运用Agisoft photoscan/contxt computer/Pix4D mappter/Arcgis等软件进行灾害体的三维模型建立、三维模型的信息提出以及灾害体的危险性评价与防治措施设计。因此，我校投入巨大的课程建设费用用于购买正版软件的使用权。
　　四、问题与分析
　　近两年来，桂林理工大学地质灾害危险性评价课程在无人机技术应用与推广的课程建设方面取得了较好的发展，但是存在的问题也比较突出。地质灾害危险性评价的课程建设与推广迫切需要加强师资队伍建设。高校教师是主要授课者，师资队伍的专业水平代表一个专业的教学水平，也是课程建设的主要内容，因此，师资队伍建设是课程建设和持续发展的有力保证。目前，我校地质灾害危险性评价的师资力量主要集中在以传统的评价方法进行灾害体的评价，而在无人机的航线规划、三维实景模型的建立与信息提取、软件的二次开发与利用方面缺少人才。课程建设与推广碰到的问题主要体现在老教授对新兴的无人机技术具有排斥心理，同时，不能迅速掌握相关的飞行技术和计算机软件处理能力，而动手能力强、计算机较强的教师，缺乏专业积累和工程实践。这个问题的主要原因是消费级无人机的普及与推广最近几年才兴起，应用到工程实践较少，三维实景建模的软件更新速度快，具有计算机背景的对口教师较少。
　　目前，加强地质灾害危险性评价课程的师资队伍建设可通过以下两个方面进行，一是对现有青年教师进行各种无人机飞行操作和三维实景建模的培训，让他们熟练掌握无人机技术在地质灾害危险性评价中的实际应用，同时鼓励以老带新，在请教本课程老教授专业积累的过程，展现无人机技术的高效性与实用性，消除老教授对无人机技术的排斥心理；二是积极引进相关领域的专家，保持接触最前沿的科学研究和保证无人机技术在灾害评价的工程实际应用，为此，桂林理工大学也出台了一系列引进专业的高薪待遇。
　　五、展望
　　地质灾害危险性评价是我们不可回避的现实问题，严重地影响国家的经济建设和生产安全。在計算机技术高速发展和无人机普及的背景下，无人机技术在地质灾害危险性评价领域带来了全新的变革。它能高效、精准地获取灾害体的三维地质信息，特别是在高陡边坡区域的灾害体。因此，熟练掌握无人机技术对于地质灾害评价课程，乃至地质类课程的课程建设、人才培养与可持续发展都至关重要。信息化技术的高速增长，对地质灾害危险性评价课程提出了新的要求，针对性地进行相关领域的研究都有益于应用型人才和研究型人才的能力提高，也成为该课程所面临的主要问题和未来发展所需。此外，对于具备本专业基础的本科生甚至研究生，都日益认识到新科技、新技术带来的课程建设与技术变革，越发迫切的期望能掌握相关领域的技术能力。
　　参考文献：
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　　[4]刘海洋，王学良，李丽慧.等.无人机航空摄影测量技术在崩塌灾害调查中的应用[Z].2017年山区第四纪环境与城镇建设学术研讨会，中国浙江衢州，2017：6.
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　　[7]蒋学金，地质灾害复杂环境下无人机影像快速处理技术分析[J].电脑知识与技术，2016，（21）：167-168.
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