基于無(wú)人機(jī)進(jìn)行地質(zhì)點(diǎn)信息提取方法研究
——以官地電站大橋溝右岸滑坡堆積體為例

姚林林，張世殊，趙 明，周 鵬

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

基于無(wú)人機(jī)進(jìn)行地質(zhì)點(diǎn)信息提取方法研究
——以官地電站大橋溝右岸滑坡堆積體為例

姚林林，張世殊，趙 明，周 鵬

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

野外地質(zhì)調(diào)查工作往往會(huì)受到山高路險(xiǎn)、交通不便、通視條件差等客觀現(xiàn)實(shí)條件的制約，許多高陡部位的重要地質(zhì)現(xiàn)象依靠人力無(wú)法進(jìn)行抵近調(diào)查，即便能夠開(kāi)展調(diào)查的區(qū)域也難度巨大或存在安全隱患。本文研究了利用無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理生成彩色三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維真彩色模型，借助其地形高程等空間位置信息及地表的色彩和地貌、地物信息，將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維真彩色模型作為工作平臺(tái),對(duì)關(guān)鍵部位和人力野外難于到達(dá)的高陡部位開(kāi)展室內(nèi)地質(zhì)點(diǎn)信息獲取的工作方法和實(shí)施流程。這對(duì)無(wú)法展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)工作或開(kāi)展地質(zhì)工作難度巨大的地區(qū)如何有效獲取地質(zhì)資料具有十分重要的意義。

無(wú)人機(jī)；地質(zhì)點(diǎn)；坐標(biāo)信息；地質(zhì)信息提取

0 前 言

野外地質(zhì)調(diào)查工作往往會(huì)受到山高路險(xiǎn)、交通不便、通視條件差等客觀現(xiàn)實(shí)條件的制約，許多高陡部位的重要地質(zhì)現(xiàn)象依靠人力無(wú)法進(jìn)行抵近調(diào)查，即便能夠開(kāi)展調(diào)查的區(qū)域也難度巨大或存在安全隱患。

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，無(wú)人機(jī)逐漸小型化、一體化，而且具備“快速機(jī)動(dòng)、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、成本低、危險(xiǎn)性小、能獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)”等優(yōu)點(diǎn)，利用無(wú)人機(jī)對(duì)人力無(wú)法到達(dá)部位開(kāi)展地質(zhì)調(diào)查工作成為可能。無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)經(jīng)后期處理可以生成彩色三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維真彩色模型，其信息量豐富，不僅包含著地形高程等空間位置信息，還有地表的色彩和地貌、地物信息。因此，可利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維真彩色模型作為工作平臺(tái)，對(duì)關(guān)鍵部位和人力野外難于到達(dá)的高陡部位進(jìn)行室內(nèi)地質(zhì)點(diǎn)信息獲取。

盡管該方法無(wú)法達(dá)到野外實(shí)際調(diào)查的準(zhǔn)確度和可靠度，但可以彌補(bǔ)人力無(wú)法到達(dá)部位、無(wú)地質(zhì)點(diǎn)信息的缺陷。同時(shí)，也對(duì)人力可及的關(guān)鍵部位進(jìn)行地質(zhì)點(diǎn)信息的提取，作為地質(zhì)點(diǎn)的初步成果，在野外調(diào)查中進(jìn)行驗(yàn)證和修改，從而指導(dǎo)野外工作，提高工作效率。這對(duì)無(wú)法展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)工作或開(kāi)展地質(zhì)工作難度巨大的地區(qū)如何有效獲取地質(zhì)資料具有十分重要的意義。

1 地質(zhì)點(diǎn)信息提取主要對(duì)象

1.1 地質(zhì)點(diǎn)信息組成

獲取相關(guān)地質(zhì)點(diǎn)信息是野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)，是野外工程地質(zhì)測(cè)繪工作的重要環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的地質(zhì)工作中需要對(duì)地質(zhì)點(diǎn)的位置信息、地質(zhì)信息進(jìn)行調(diào)查、記錄，并繪制或附上平面和剖面地質(zhì)素描圖或照片。地質(zhì)點(diǎn)的信息一般應(yīng)包括：地質(zhì)點(diǎn)位置、定點(diǎn)目的、定點(diǎn)層位、巖性特征、構(gòu)造發(fā)育情況、地貌與物理地質(zhì)現(xiàn)象及水文地質(zhì)等。

1.2 基于無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)的地質(zhì)點(diǎn)信息

由于無(wú)人機(jī)攜帶自身GPS定位系統(tǒng)和高分辨率相機(jī)，因此可以獲得包含位置信息的影像照片。借助后處理軟件(Agisoft photoscan或4D Mapper)生成的三維空間模型和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅包含空間位置信息，還包含豐富的色彩信息，使得其更為逼真。同時(shí)，也可以多視角觀察，真正實(shí)現(xiàn)了空間場(chǎng)景的重現(xiàn)，讓地質(zhì)人員如身臨其境，和野外現(xiàn)場(chǎng)看到的信息基本接近。因此，可以利用其位置信息和色彩信息獲取地質(zhì)點(diǎn)位置坐標(biāo)和地質(zhì)信息兩方面內(nèi)容,并可以截取不同視角三維模型代替平面照片和剖面照片。

其中，地質(zhì)信息可以利用真彩色模型并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料對(duì)地質(zhì)點(diǎn)位置、定點(diǎn)目的、定點(diǎn)層位、巖性特征、節(jié)理裂隙構(gòu)造特征、地貌與物理地質(zhì)現(xiàn)象及水文地質(zhì)等進(jìn)行宏觀判斷。但對(duì)于基巖的巖性、覆蓋層物質(zhì)組成特征、節(jié)理裂隙產(chǎn)狀等需要實(shí)地調(diào)查和量測(cè)的地質(zhì)信息無(wú)法做出準(zhǔn)確判斷。

1.3 基于無(wú)人機(jī)地質(zhì)點(diǎn)信息提取對(duì)象

結(jié)合傳統(tǒng)野外地質(zhì)調(diào)查工作中地質(zhì)點(diǎn)信息應(yīng)包含內(nèi)容和利用無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)的地質(zhì)點(diǎn)信息，基于無(wú)人機(jī)地質(zhì)點(diǎn)信息的主要提取內(nèi)容可以包含以下方面：

(1)利用三維模型的整體空間位置信息判斷地質(zhì)點(diǎn)所在位置(如溝口、河流左岸坡腳、滑坡頂部等)，并結(jié)合三維模型坐標(biāo)信息提取地質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)信息。

(2)利用三維模型的地形地貌特征判斷地質(zhì)點(diǎn)的地貌和物理地質(zhì)現(xiàn)象信息。

(3)利用三維模型的場(chǎng)景高還原度和色彩信息判斷地質(zhì)點(diǎn)所處位置是基巖還是覆蓋層并利用區(qū)域地質(zhì)信息判斷其地層信息。從而初步獲取地質(zhì)點(diǎn)的定點(diǎn)目的、定點(diǎn)層位和巖性特征等。

(4)利用三維模型和色彩信息判斷地質(zhì)點(diǎn)所在部位的地下水出露特征。

(5)利用三維模型判斷地質(zhì)點(diǎn)附近基巖節(jié)理裂隙的發(fā)育程度和組數(shù)，并利用其空間位置關(guān)系初估裂隙產(chǎn)狀。

(6)截取不同視角三維模型代替平面照片和剖面照片。

2 基于無(wú)人機(jī)地質(zhì)點(diǎn)信息提取方法

2.1 利用無(wú)人機(jī)航測(cè)成果生成三維彩色模型

利用無(wú)人機(jī)按照規(guī)劃航線，獲取航向、帶間重疊率滿足要求、分辨率滿足要求且包含有GPS定位信息的航片，結(jié)合地面控制點(diǎn)，通過(guò)后期處理軟件(Agisoft photoscan或4D Mapper)，經(jīng)過(guò)控制點(diǎn)刺點(diǎn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等工序生成三維真彩色模型。從而實(shí)現(xiàn)工程區(qū)場(chǎng)景重現(xiàn)并作為地質(zhì)點(diǎn)信息提取平臺(tái)。

圖1是利用Agisoft photoscan軟件對(duì)官地電站大橋溝無(wú)人機(jī)航拍成果后處理生成的三維彩色模型局部截圖。

圖1 官地電站大橋溝三維模型截圖

2.2 將目標(biāo)地質(zhì)點(diǎn)設(shè)置為標(biāo)志點(diǎn)

地質(zhì)人員可以將三維真彩色模型作為工作平臺(tái)，在關(guān)鍵部位和人力難以到達(dá)的部位等感興趣的目標(biāo)地質(zhì)點(diǎn)設(shè)置為標(biāo)志點(diǎn)。并通過(guò)模型旋轉(zhuǎn)、局部放大等方式對(duì)地質(zhì)點(diǎn)位置進(jìn)行校核，確保處在合適的、準(zhǔn)確的位置。

以官地大橋溝右岸滑坡堆積體為例，可將滑坡邊界等關(guān)鍵部位作為初步擬定的地質(zhì)點(diǎn)，在三維真彩色空間模型上進(jìn)行標(biāo)記并編號(hào)(見(jiàn)圖2)，然后模型旋轉(zhuǎn)從不同視角進(jìn)行校核(見(jiàn)圖3)和局部放大進(jìn)行校核(見(jiàn)圖4)地質(zhì)點(diǎn)位置是否準(zhǔn)確，對(duì)位置不合適的地質(zhì)點(diǎn)標(biāo)記進(jìn)行調(diào)整，如將圖4中DZ01-1調(diào)整至DZ01的位置。將選定的標(biāo)識(shí)點(diǎn)作為室內(nèi)初步擬定地質(zhì)點(diǎn)。

圖2 在三維彩色空間模型上標(biāo)識(shí)地質(zhì)點(diǎn)(小旗子所示)

圖3 利用不同視角校核地質(zhì)點(diǎn)標(biāo)識(shí)位置

圖4 局部放大校核并調(diào)整地質(zhì)標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置

2.3 地質(zhì)點(diǎn)位置坐標(biāo)信息獲取

地質(zhì)點(diǎn)的位置坐標(biāo)是地質(zhì)點(diǎn)信息的重要組成部分，無(wú)坐標(biāo)的地質(zhì)點(diǎn)是地質(zhì)人員無(wú)法使用的。由于三維空間模型是由本身已經(jīng)包含空間位置信息的航測(cè)照片形成的，因此，三維空間模型包含了相應(yīng)的定位信息。在三維模型上進(jìn)行標(biāo)識(shí)的地質(zhì)點(diǎn)可以利用后期處理軟件進(jìn)行自動(dòng)提取。本文是基于Photoscan軟件作為后期操作平臺(tái)。

以官地大橋溝右岸滑坡堆積體為例，首先，打開(kāi)參考工作平臺(tái)，即可顯示標(biāo)記點(diǎn)列表，然后了解各圖片相對(duì)精度后利用視圖估計(jì)功能獲取各地質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)值(經(jīng)緯度)并進(jìn)行查看(見(jiàn)圖5)，最后將坐標(biāo)信息導(dǎo)出保存至相應(yīng)文件(TXT格式)，為了便于分析可轉(zhuǎn)換為EXCEL格式，成果見(jiàn)表1。

圖5 參考工作臺(tái)下地質(zhì)標(biāo)識(shí)點(diǎn)坐標(biāo)獲取

地質(zhì)點(diǎn)編號(hào)東 經(jīng)/(°)北 緯/(°)高 程/mDZ01101．90829827．8154571401．26333DZ02101．90806227．8153761397．095586DZ03101．90794227．8152851388．077171

2.4 地質(zhì)點(diǎn)地質(zhì)信息獲取

地質(zhì)點(diǎn)的地質(zhì)信息是地質(zhì)點(diǎn)信息的核心部分，借助三維模型的宏觀性、逼真性、高度場(chǎng)景還原性、色彩信息真實(shí)性等，可以獲取地質(zhì)點(diǎn)所處位置、地貌特征、基巖節(jié)理裂隙的發(fā)育情況、地下水出露特征和物理地質(zhì)現(xiàn)象信息等。同時(shí)，可以判斷地質(zhì)點(diǎn)所處位置是基巖還是覆蓋層并利用區(qū)域地質(zhì)信息判斷其地層信息，從而初步獲取地質(zhì)點(diǎn)的定點(diǎn)目的、定點(diǎn)層位和巖性特征等。

以官地電站大橋溝DZ01點(diǎn)(圖2～4中紅色圓圈內(nèi)地質(zhì)點(diǎn))為例，利用三維模型可以獲取相應(yīng)的信息如下：

(1)位置：DZ01點(diǎn)位于溝右側(cè)滑坡堆積體頂部。

(2)地貌：DZ01點(diǎn)位于滑坡后緣，上部為基巖陡坎，下部為滑坡堆積體。

(3)地層巖性：DZ01點(diǎn)位于基覆界線上，上部為基巖，巖性需根據(jù)地質(zhì)資料綜合判斷，下部為崩坡積覆蓋層，物質(zhì)組分需現(xiàn)場(chǎng)判斷。

(4)構(gòu)造特征：上部巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。

(5)水文地質(zhì)特征：地下水不發(fā)育，地表干燥。

(6)物理地質(zhì)現(xiàn)象：該處為一滑坡。

2.5 地質(zhì)點(diǎn)信息成果形式

為了形成正式的地質(zhì)成果，便于規(guī)范管理和方便地質(zhì)人員分析，常規(guī)的方式是形成地質(zhì)點(diǎn)記錄卡。

在基于上述地質(zhì)點(diǎn)地質(zhì)信息初步獲取的基礎(chǔ)上結(jié)合地質(zhì)點(diǎn)位置坐標(biāo)，并截取不同視角三維模型代替平面照片和剖面照片。利用記錄卡的格式進(jìn)行整理分析，作為航測(cè)后地質(zhì)室內(nèi)分析的地質(zhì)點(diǎn)初步成果提交相應(yīng)地質(zhì)人員。

在獲取地質(zhì)信息的基礎(chǔ)上，也可以初步判斷相應(yīng)地質(zhì)點(diǎn)野外復(fù)核的可行性、難度、人員安全性，以及根據(jù)初步室內(nèi)獲取地質(zhì)信息內(nèi)容的缺陷和可靠度提出相應(yīng)的復(fù)核重點(diǎn)，作為成果一部分，以便更好地指導(dǎo)野外調(diào)查復(fù)核工作。以官地大橋溝DZ01點(diǎn)為例，室內(nèi)地質(zhì)點(diǎn)初步分析成果格式見(jiàn)圖6。

圖6 航測(cè)地質(zhì)點(diǎn)室內(nèi)初步分析卡格式

3 結(jié) 論

通過(guò)以上研究分析可以得到以下結(jié)論:

(1)利用無(wú)人機(jī)和后處理軟件生成的三維真彩色模型，場(chǎng)景還原度高，可以作為地質(zhì)點(diǎn)信息提取的工作平臺(tái)。

(2)利用無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)信息的準(zhǔn)確提取和部分地質(zhì)信息的初步提取。

(3)利用無(wú)人機(jī)可以了解地質(zhì)點(diǎn)所在位置人工野外復(fù)核的工作條件、危險(xiǎn)程度和可行性，同時(shí)，也可以根據(jù)已獲取地質(zhì)信息的完整性和真實(shí)性把握野外人工復(fù)核工作的重點(diǎn)。

(4)盡管利用該方法無(wú)法達(dá)到野外實(shí)際調(diào)查的準(zhǔn)確度和可靠度，但可以彌補(bǔ)人力無(wú)法到達(dá)部位無(wú)地質(zhì)點(diǎn)信息的缺陷。基于無(wú)人機(jī)獲取的地質(zhì)點(diǎn)信息作為地質(zhì)點(diǎn)的初步成果，在野外調(diào)查中進(jìn)行驗(yàn)證和修改，從而指導(dǎo)野外工作，提高工作效率。

[1] 工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)[M]．中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007：45-52．

[2] 邵金強(qiáng)．淺述無(wú)人機(jī)及其技術(shù)在地質(zhì)工作中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息, 2014(21):125-126.

[3] 尹杰，楊魁．基于無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的快速處理技術(shù)研究[J]．測(cè)繪通報(bào)，2011, (12):15-17．

[4] CH/Z 3003—2010.低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范[S].國(guó)家測(cè)繪局,2010.

[5] 韓文權(quán)，任幼蓉，趙少華．無(wú)人機(jī)遙感在應(yīng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害中的主要應(yīng)用[J]．地理空間信息，2011，9(5)：6-8．

[6] 張劍清，潘勵(lì)，王樹(shù)根．?dāng)z影測(cè)量學(xué)[M]． 武漢：武漢大學(xué)出版社，2003．

[7] 張啟元．無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)在高原峽谷區(qū)水利工程中的應(yīng)用[J]．青海師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013(3):65-68．

[8] 鄭永虎，張啟元，陳豐田．無(wú)人機(jī)航測(cè)在高原礦區(qū)測(cè)繪中的應(yīng)用[J]． 青海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，31(3):58-61．

2017-01-15

姚林林(1979-)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事水電工程地質(zhì)勘查設(shè)計(jì)和無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用方面的研究工作。

TP79;P231.5

B

1003-9805(2017)02-0049-04