基于小型無人機(jī)的三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害全景與三維展示平臺(tái)研究

王悅，賈雨欣，徐子一，付超，張端淼，鄧永煌，黃海峰

（1.三峽大學(xué)，湖北長(zhǎng)江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，宜昌443002；2.宜昌市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，宜昌443002）

0 引言

習(xí)近平總書記指出：“長(zhǎng)江擁有獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，是我國重要的生態(tài)寶庫。當(dāng)前和今后相當(dāng)長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期，要把修復(fù)長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置，共抓大保護(hù)，不搞大開發(fā)。”[1]這深刻揭示了建設(shè)長(zhǎng)江生態(tài)文明的重要性和必要性。而地質(zhì)災(zāi)害防治是生態(tài)文明建設(shè)中的重要組成部分。針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害防治，“兩個(gè)堅(jiān)持、三個(gè)轉(zhuǎn)變”[2]中指出要“堅(jiān)持預(yù)防為主，努力把自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和損失降至最低”，并提出“實(shí)施自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息化工程，提高多災(zāi)種和災(zāi)害鏈綜合監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)早期識(shí)別和預(yù)報(bào)預(yù)警能力”等若干重點(diǎn)工程建設(shè)。

三峽庫區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱，歷來就是我國地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)[3]，如1985 年6 月12 日發(fā)生的秭歸新灘滑坡，就直接摧毀了整個(gè)新灘古鎮(zhèn)[4]。隨著三峽工程的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)，庫區(qū)高水位蓄水以及每年大幅度水位升降，疊加汛期降雨以及密集的人類工程活動(dòng)，使三峽庫區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害更呈高發(fā)態(tài)勢(shì)[5-6]，如2003 年7 月就發(fā)生了秭歸千將坪滑坡，共造成14 人死亡、10 人失蹤以及重大經(jīng)濟(jì)損失[7]。國家歷來重視三峽庫區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害防治工作，從三峽蓄水之初就開始實(shí)施庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工程，這對(duì)保障三峽工程以及庫區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全發(fā)揮了極其重要的作用。如今，三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治已進(jìn)入后續(xù)規(guī)劃階段，雖然成績(jī)斐然，但庫區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害形勢(shì)仍十分復(fù)雜、嚴(yán)峻，為此，持續(xù)探索地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息化方法，加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理能力與水平，對(duì)于三峽庫區(qū)仍然非常重要。

近年來，隨著無人機(jī)遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展，其開始被應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害行業(yè)[8]。例如，采用無人機(jī)遙感開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，能夠快速獲得較大區(qū)域范圍內(nèi)的高分辨率地形與影像等成果，不僅能提高現(xiàn)場(chǎng)工作效率，而且可以獲得形象直觀、可視化效果極佳的豐富信息[9]。這其中，隨著小型無人機(jī)的快速發(fā)展以及人們對(duì)大視域全景圖像需求的迅速增加，虛擬全景與三維實(shí)景模型制作技術(shù)都得到了快速提高，其成果也深受專業(yè)人員與普通大眾喜愛。目前，相關(guān)技術(shù)已在諸多領(lǐng)域如航空航天、醫(yī)學(xué)、旅游、房地產(chǎn)、地質(zhì)勘探等得到了廣泛應(yīng)用[10]。

為進(jìn)一步加強(qiáng)三峽庫首區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息化水平，提高綜合監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警能力。本文采用小型無人機(jī)、720 度虛擬全景、三維實(shí)景建模等技術(shù)，針對(duì)三峽庫首區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了虛擬全景與三維實(shí)景模型展示平臺(tái)，以下具體闡述。

1 平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

1.1 建設(shè)目標(biāo)與功能需求

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等的快速發(fā)展，考慮到地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)性以及應(yīng)急處置“快”且“高效”的實(shí)際需求[11-12]，將平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)設(shè)定為：針對(duì)三峽庫區(qū)庫首區(qū)域后續(xù)規(guī)劃階段實(shí)施的50 處地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警點(diǎn)，利用小型無人機(jī)[13]采集高清全（實(shí)）景影像，建設(shè)三峽庫首區(qū)域后規(guī)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)虛擬全景與三維實(shí)景模型展示平臺(tái)，滿足隨時(shí)、隨地、跨平臺(tái)、快速演示與查看的應(yīng)用需求。進(jìn)一步地，為滿足該建設(shè)目標(biāo)，技術(shù)功能需求分為：

（1）采用現(xiàn)階段相對(duì)成熟的網(wǎng)絡(luò)云端應(yīng)用技術(shù)，將所有數(shù)據(jù)信息集中存放在云端環(huán)境，不需在本地安裝、部署任何數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用程序，易于管理且安全性高；

（2）網(wǎng)絡(luò)展示平臺(tái)兼顧地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的宏觀位置分布與細(xì)節(jié)，布局邏輯清晰，操作簡(jiǎn)單；

（3）支持臺(tái)式機(jī)、筆記本、平板、手機(jī)等多終端，無需安裝任何應(yīng)用程序或插件；

（4）打開平臺(tái)只需連接互聯(lián)網(wǎng)，且虛擬全景與三維實(shí)景模型顯示速度快、效果清晰；

（5）平臺(tái)數(shù)據(jù)維護(hù)和遷移便利。

1.2 主要技術(shù)平臺(tái)

近年來，基于虛擬全景以及三維實(shí)景的云端平臺(tái)逐漸涌現(xiàn)，其中最具代表性的包括：

（1）720yun[14]。國內(nèi)最具代表性的虛擬全景平臺(tái)，基于其可以快速制作和發(fā)布720 度虛擬全景，操作簡(jiǎn)單、質(zhì)量好、清晰度高、標(biāo)注鏈接信息豐富[15]。但720 度全景只是照片拼接，不具備三維特征，因此無法顯示和查看地質(zhì)災(zāi)害體及其周邊的真實(shí)地形地貌情況。

（2）Altizure[16]。先進(jìn)的實(shí)景三維建模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)，支持直接在線建模，且建模效果好、速度快；Altizure星球可以實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景多模型管理。但隨著三維場(chǎng)景模型的增加，顯示效果和速度存在問題，其次標(biāo)注鏈接等功能較弱。

（3）Wish3D[17]。適用于多個(gè)3D 場(chǎng)景瀏覽交互的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)，標(biāo)注功能相對(duì)豐富；支持添加其他三維模型、大范圍影像、地形等多源數(shù)據(jù)。但存在穩(wěn)定性較差、跨平臺(tái)功能弱、三維模型顯示速度較慢等不足。

1.3 方案比選

根據(jù)建設(shè)目標(biāo)及功能需求，可以擬定四種試驗(yàn)方案：

（1）方案一：以720yun 為主平臺(tái)展示各災(zāi)害點(diǎn)虛擬全景，通過鏈接Altizure 平臺(tái)對(duì)應(yīng)展示三維實(shí)景模型及其他信息。

（2）方案二：以720yun 為主平臺(tái)展示各災(zāi)害點(diǎn)虛擬全景，通過鏈接Wish3D 平臺(tái)對(duì)應(yīng)展示三維實(shí)景模型及其他信息。

（3）方案三：以Altizure 為主平臺(tái)展示各災(zāi)害點(diǎn)三維全景模型，通過鏈接720yun 平臺(tái)對(duì)應(yīng)展示虛擬全景及其他信息。

（4）方案四：以Wish3D 為主平臺(tái)展示各災(zāi)害點(diǎn)三維全景模型，通過鏈接720yun 平臺(tái)對(duì)應(yīng)展示虛擬全景及其他信息。

結(jié)合主要技術(shù)平臺(tái)的成熟度，通過綜合測(cè)試多終端顯示速度、清晰度效果、操作便利性等，最終確定采用方案一，這也是目前能滿足“云端、隨時(shí)、隨地、跨平臺(tái)、快速展示”應(yīng)用需求的最佳技術(shù)方案。

1.4 平臺(tái)架構(gòu)與技術(shù)路線

根據(jù)平臺(tái)技術(shù)方案選型，三峽庫首地質(zhì)災(zāi)害虛擬全景與三維實(shí)景模型展示平臺(tái)架構(gòu)與實(shí)施技術(shù)路線見圖1。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)與技術(shù)路線圖

2 具體實(shí)現(xiàn)

根據(jù)實(shí)施方案與技術(shù)路線，平臺(tái)實(shí)現(xiàn)主要包括無人機(jī)影像采集、單點(diǎn)虛擬全景與三維實(shí)景模型制作以及展示平臺(tái)建設(shè)，以下具體闡述。

2.1 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)無人機(jī)影像采集

為滿足后期成果需求，對(duì)于每個(gè)三峽庫首區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用小型無人機(jī)采集三組照片集，分別為720 度全景照片集、三維實(shí)景建模照片集以及全貌照片集。具體采集方法為：

（1）720 度全景照片集：正對(duì)災(zāi)害點(diǎn)，將小型無人機(jī)懸停于一定高度，然后調(diào)整相機(jī)角度旋轉(zhuǎn)飛機(jī)，拍攝一組包含災(zāi)害體上、下、左右、前、后各個(gè)方位的照片集，而且保證各相鄰照片之間具有較高的重疊率[18]。其目的是制作各災(zāi)害點(diǎn)的720 度虛擬全景。

（2）三維實(shí)景建模照片集：即正射+傾斜照片集。是以災(zāi)害體及其周邊一定范圍為界，根據(jù)災(zāi)害體具體特征，采用航線規(guī)劃或者手動(dòng)操控，在滿足一定重疊率（通常是航向重疊率至少75%，旁向重疊率至少60%）的要求下，有規(guī)則地采集正射照片（相機(jī)鏡頭垂直向下），必要情況下補(bǔ)充采集傾斜照片（相機(jī)鏡頭傾斜）[19-20]。其目的是制作災(zāi)害體的三維實(shí)景模型以及數(shù)字正射影像、數(shù)字地形等成果。

（3）全貌照片集：以災(zāi)害體中心位置為準(zhǔn)，將無人機(jī)飛行到一定高度和距離，拍攝災(zāi)害體的全貌照片。理想情況是一張照片能拍攝完整災(zāi)害體周界及其外延一定范圍，如果遇到無法一張照片拍攝完整的情況，則在保證照片清晰度與控制變形的前提下，拍攝一組照片集。其主要目的是制作各災(zāi)害點(diǎn)的全貌及專業(yè)監(jiān)測(cè)布置影像圖。

2.2 單點(diǎn)虛擬全景與三維實(shí)景模型制作

基于各災(zāi)害點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)無人機(jī)影像，分別制作虛擬全景、三維實(shí)景模型以及全貌，具體有：

（1）720 度虛擬全景：采用全景照片集，借助PTGui、Photoshop 與ArcGIS 軟件，建立各災(zāi)害點(diǎn)全景照片；然后上傳720yun 平臺(tái)，制作和發(fā)布各點(diǎn)720 度虛擬全景。

（2）三維實(shí)景模型：采用三維實(shí)景建模照片集，上傳Altizure 平臺(tái)，制作和發(fā)布各地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的三維實(shí)景模型。

（3）全貌照片：采用全貌照片或照片集，借助Arc-GIS、Photoshop 軟件，制作各地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的全貌及專業(yè)監(jiān)測(cè)布置影像圖。

2.3 虛擬全景與三維實(shí)景展示平臺(tái)搭建

按照平臺(tái)技術(shù)方案，首先在720yun 上新建三峽庫首區(qū)地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)虛擬全景與三維實(shí)景模型展示平臺(tái)項(xiàng)目，然后按照流域添加與整合各地質(zhì)災(zāi)害單點(diǎn)的720 度虛擬全景，最后在各災(zāi)害點(diǎn)虛擬全景內(nèi)部通過鏈接實(shí)現(xiàn)災(zāi)害體簡(jiǎn)介、監(jiān)測(cè)全貌以及Altizure 三維實(shí)景等的綜合展示。

3 主要功能

3.1 平臺(tái)主頁面

在臺(tái)式電腦、筆記本、移動(dòng)設(shè)備（iPad、手機(jī)）等所有能夠連接互聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備上，通過網(wǎng)頁瀏覽器輸入平臺(tái)網(wǎng)址或者通過微信等程序掃描二維碼，即可在無須安裝任何程序或插件情況下直接進(jìn)入該平臺(tái)主界面（圖2）。

圖2 三峽庫首區(qū)地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)虛擬全景與三維實(shí)景模型展示平臺(tái)主頁面

主頁面下部分為兩行全景列表。其中底部一行為一級(jí)列表，按流域依次又分為“長(zhǎng)江干流”、“九畹溪流域”、“童莊河流域”、“香溪河流域”、“歸州河流域”與“青干河流域”。上部一行為二級(jí)列表，其中首列為對(duì)應(yīng)流域的位置分布圖，圖中動(dòng)態(tài)顯示該流域的所有地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)；接下去則按照從上游至下游的順序列出對(duì)應(yīng)一級(jí)流域中的所有災(zāi)害點(diǎn)。

3.2 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)720度全景展示

用戶既可以通過圖2 主頁面所示的二級(jí)列表中第一列的位置分布圖，也可以直接通過二級(jí)列表的災(zāi)害體名稱，單擊打開對(duì)應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害體的720 度全景（圖3）。在該全景頁面，可以通過按住鼠標(biāo)左鍵移動(dòng)以控制全景的全方位旋轉(zhuǎn)展示；通過旋轉(zhuǎn)鼠標(biāo)滾輪縮放全景大小。還可以進(jìn)行全屏顯示、VR 虛擬現(xiàn)實(shí)模式顯示、查看項(xiàng)目簡(jiǎn)介以及分享二維碼等功能設(shè)置。

圖3 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)720度全景展示功能

3.3 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)三維實(shí)景模型及其他鏈接信息展示

對(duì)于各地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的詳細(xì)信息，包括基本情況簡(jiǎn)介、專業(yè)監(jiān)測(cè)全貌圖、三維實(shí)景模型等都通過熱點(diǎn)標(biāo)注加鏈接的方式實(shí)現(xiàn)。如要查看基本情況，只需單擊圖3中的基本情況鏈接；而要查看三維實(shí)景模型，單擊“三維模型”鏈接，就會(huì)自動(dòng)彈出并加載Altizure 平臺(tái)上對(duì)應(yīng)災(zāi)害體的三維實(shí)景模型（圖4），該模型也可以通過鼠標(biāo)或者提供的工具按鈕實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、縮放、傾斜、鳥瞰等功能。

圖4 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)三維實(shí)景展示功能

4 結(jié)語

實(shí)踐表明，綜合采用小型無人機(jī)、720 度虛擬全景、三維實(shí)體建模以及互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、WebGL 等技術(shù)，對(duì)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行720 度全景與三維實(shí)景模型制作，并構(gòu)建集中展示平臺(tái)，能夠滿足隨時(shí)、隨地、跨平臺(tái)、快速演示與查看的應(yīng)用需求，可以為進(jìn)一步加強(qiáng)庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置與監(jiān)測(cè)預(yù)警能力與水平提供基礎(chǔ)信息支持。

在本平臺(tái)基礎(chǔ)上，對(duì)三峽庫區(qū)全岸坡段，采用大面積無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，創(chuàng)建大區(qū)域三維實(shí)景模型；并以此為基礎(chǔ)集成鉆孔、精細(xì)地面調(diào)查、高分辨率地形與正射影像、高精度三維點(diǎn)云與模型等空間數(shù)據(jù)，建立三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害二維-三維一體化、地上-地下一體化、宏觀-微觀一體化的三維實(shí)景綜合集成平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害信息全方位展示、有效管理、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)以及預(yù)警預(yù)測(cè)。