無(wú)人機(jī)影像在高陡邊坡危巖體調(diào)查中的應(yīng)用

黃海寧，黃 健，周春宏，潘勇杰

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；(2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

受青藏高原隆升影響，我國(guó)西南地區(qū)河谷深切狹窄，坡體陡峻，地應(yīng)力水平高，巖體卸荷裂隙發(fā)育，且地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地震烈度高，天然岸坡淺表穩(wěn)定性較差[1]。在外界環(huán)境作用下，岸坡淺表很容易發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，而這些地方一旦發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，復(fù)雜的地形條件將會(huì)制約地質(zhì)工作人員的深入，正常的地質(zhì)調(diào)查工作將無(wú)法迅速開展，并且由于其工作量大，險(xiǎn)惡的環(huán)境也會(huì)對(duì)人員安全構(gòu)成極大威脅。如何快速查明地質(zhì)災(zāi)害的巖土體結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件一直是地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究中的難點(diǎn)[2]。

遙感技術(shù)以其快速、宏觀、高分辨率等特點(diǎn)，在自然地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3]。隨著無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，其憑借機(jī)動(dòng)靈活、成本低廉、風(fēng)險(xiǎn)小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，已被廣泛深入地應(yīng)用于各種環(huán)境條件下的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查[4-5]。高嬌嬌等[6]應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感對(duì)西氣東輸管道所處的典型的黃土丘陵溝壑區(qū)與重水土流失區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，取得較好的成果。李亮等[7]對(duì)發(fā)生在貴州山區(qū)的關(guān)嶺特大型滑坡進(jìn)行無(wú)人機(jī)航拍攝影，通過(guò)遙感地質(zhì)解譯和GIS技術(shù)對(duì)兩期影像和數(shù)字高程模型的信息挖掘，為準(zhǔn)確評(píng)估山區(qū)滑坡受災(zāi)情況提供了客觀數(shù)據(jù)。張濤等[8]通過(guò)遙感與無(wú)人機(jī)航拍，確定了滑坡的全過(guò)程張啟元等[9]利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)查明了青海省大通煤礦區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害分布，建立了一套適合高原特殊地理環(huán)境下的地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查、監(jiān)測(cè)技術(shù)流程，提高了工作效率。侯恩科[10]等將無(wú)人機(jī)遙感用于采煤地表裂縫的識(shí)別中。王帥永等[11-12]基于無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)強(qiáng)震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行精細(xì)調(diào)查，提高了地質(zhì)災(zāi)害解譯的精度及準(zhǔn)確度。這些研究成果極大地推動(dòng)了無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于各種環(huán)境中的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，但是，將無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于高陡邊坡地區(qū)危巖體災(zāi)害調(diào)查的研究，從目前各方面的資料來(lái)看開展得還很少，公開發(fā)表的研究成果也不多。

本文將無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)應(yīng)用于西南地區(qū)高陡邊坡危巖體調(diào)查，以探索此項(xiàng)技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用方法，為高陡邊坡危巖調(diào)查提供一種可行的技術(shù)方法和實(shí)踐參考。

1 研究區(qū)概況

錦屏二級(jí)水電站出線場(chǎng)邊坡位于雅礱江右岸，包括出線場(chǎng)及尾水洞出口以上的自然邊坡。區(qū)內(nèi)河谷為典型的“V”型高山峽谷地貌，谷底狹窄，河流常水位高程1 325～1 330 m，兩岸山脊高程均在3 000 m以上；沿江兩岸多為陡壁和陡坡，直通江邊，區(qū)內(nèi)溝谷大多垂直雅礱江，呈NWW向至EW向發(fā)育。1 700 m高程以上河谷相對(duì)開闊，1 700 m高程以下河谷相對(duì)狹窄。其中1 500 m高程以下的河谷，受巖體結(jié)構(gòu)及河谷演化特征的控制，地形陡峭，坡度一般可達(dá)50°～70°，沿江有一系列陡壁發(fā)育；在1 500～1 700 m高程間地形相對(duì)較緩，坡度為35°～45°；在1 700 m高程一帶，發(fā)育由崩積層形成的鈣華臺(tái)地(相當(dāng)于Ⅵ級(jí)階地)，臺(tái)地前緣為一高度不等的陡坎；在1 700 m高程以上，地形坡度相對(duì)較小，坡度35°左右。地層巖性主要為T2y4呈弱風(fēng)化狀的灰綠色條帶狀云母大理巖。圖1為出線場(chǎng)邊坡全貌。

2018年8月底，受持續(xù)降雨的影響，邊坡上部發(fā)生落石災(zāi)害，落石滾落撞擊在下方被動(dòng)網(wǎng)上，造成被動(dòng)網(wǎng)嚴(yán)重?fù)p壞，甚至碎裂后的部分落石越過(guò)被動(dòng)網(wǎng)，砸到下方出線場(chǎng)內(nèi)。雖未造成人員及嚴(yán)重財(cái)產(chǎn)損失，但安全風(fēng)險(xiǎn)凸顯，急需針對(duì)該區(qū)落石災(zāi)害開展地質(zhì)調(diào)查，為工程防治提供地質(zhì)依據(jù)。

2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量

2.1 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)主要由空中部分、地面部分和數(shù)據(jù)處理部分3個(gè)部分組成[13]。

空中部分包括遙感傳感器系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)及無(wú)人機(jī)平臺(tái)。遙感傳感器系統(tǒng)主要指無(wú)人機(jī)搭載的各種遙感設(shè)備；空中控制系統(tǒng)是對(duì)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定和拍攝任務(wù)的控制；地面部分包括航跡規(guī)劃、無(wú)人機(jī)地面控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)接收顯示。

航跡規(guī)劃是在航飛前按照任務(wù)要求、環(huán)境特點(diǎn)、無(wú)人機(jī)性能參數(shù)等規(guī)劃出飛行區(qū)域和航線；地面控制系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)平臺(tái)相互配合實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行狀態(tài)的精確控制；數(shù)據(jù)處理部分包括影像數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)成果處理，目的是對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，以提取有效信息。

圖1 出線場(chǎng)邊坡全貌

2.2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是測(cè)繪遙感領(lǐng)域近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)。它顛覆了以往只能從正攝角度拍攝影像的局限, 通過(guò)在同一飛行器上搭載多臺(tái)傳感器,可以同時(shí)從一個(gè)正攝、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度采集影像數(shù)據(jù), 將用戶引入了符合人眼視覺(jué)習(xí)慣的真實(shí)且直觀的世界[14]。傳統(tǒng)的遙感影像數(shù)據(jù)主要來(lái)源于垂直或傾角很小的衛(wèi)星影像或航空影像，這些影像數(shù)據(jù)僅能獲得部分地物的高度信息和頂部紋理信息，難以滿足三維真實(shí)場(chǎng)景的建立要求，并且由于外界環(huán)境影響，導(dǎo)致這些影像上地物產(chǎn)生變形及遮擋壓蓋問(wèn)題，不利于后期的數(shù)據(jù)處理。而傾斜影像可以真實(shí)地反映出地物的側(cè)面詳細(xì)輪廓及紋理信息，為三維實(shí)體模型的構(gòu)建提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。相對(duì)于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個(gè)角度觀察地物，更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，極大地彌補(bǔ)了基于正射影像應(yīng)用的不足[12,14]。

3 無(wú)人機(jī)遙感調(diào)查流程

根據(jù)調(diào)查工作的需要，首先進(jìn)行前期準(zhǔn)備，包括收集研究區(qū)資料、定點(diǎn)勘查和確定飛行區(qū)域，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行航線設(shè)計(jì)和控制點(diǎn)布設(shè)，之后開始無(wú)人機(jī)航拍攝影；完成后利用航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，獲得密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成地質(zhì)災(zāi)害三維模型和DOM(數(shù)字正射影像)；最后基于數(shù)據(jù)成果進(jìn)行分析，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害體進(jìn)行遙感解譯，獲取地質(zhì)災(zāi)害的空間屬性數(shù)據(jù)，建立地質(zhì)災(zāi)害空間屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。綜上所述，整個(gè)無(wú)人機(jī)遙感調(diào)查技術(shù)流程可分為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理以及成果分析3個(gè)階段。無(wú)人機(jī)遙感調(diào)查流程如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)遙感調(diào)查流程

4 高陡邊坡巖無(wú)人機(jī)遙感調(diào)查應(yīng)用

4.1 影像獲取

本次對(duì)出場(chǎng)線邊坡落石所在區(qū)域進(jìn)行航拍工作所采用的是攜帶五鏡頭的大疆M600Pro多旋翼無(wú)人機(jī)，能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)方向進(jìn)行航拍，整個(gè)飛行區(qū)域面積為0.5 km2，所采用無(wú)人機(jī)和相機(jī)的主要參數(shù)見表1。進(jìn)行航線規(guī)劃時(shí)，由于研究區(qū)屬于典型的高山峽谷地貌，地形起伏非常大，且地物特征不明顯，為了保證后期數(shù)據(jù)處理能夠順利進(jìn)行，航線設(shè)計(jì)得比較密集，航向重疊度設(shè)置為85% ，旁向重疊度設(shè)置為80% ，圖3為航跡圖。整個(gè)飛行進(jìn)行了2次起落，通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍，5個(gè)鏡頭共獲得了2 780幅數(shù)字影像，其影像分辨率達(dá)到了0.05 m。圖4為無(wú)人機(jī)位于落石災(zāi)害點(diǎn)正上方時(shí)，五鏡頭同一時(shí)刻航拍的五張影像。

4.2 數(shù)據(jù)處理

由于無(wú)人機(jī)上搭載的是普通的高分辨率數(shù)碼相機(jī)，為保證后期處理成果的精度，因此，在處理之前，首先要對(duì)影像進(jìn)行畸變校正和勻色，然后導(dǎo)入相機(jī)中記錄的POS數(shù)據(jù)，對(duì)影像進(jìn)行同名點(diǎn)匹配；再根據(jù)共線條件方程進(jìn)行自由網(wǎng)平差。完成自由網(wǎng)平差后，將地面控制點(diǎn)坐標(biāo)信息加入，對(duì)影像進(jìn)行空中三角測(cè)量加密，生成整個(gè)測(cè)區(qū)的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以生成測(cè)區(qū)的正射影像和三維模型，其整個(gè)處理流程如圖5所示。對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，量測(cè)模型上控制點(diǎn)的坐標(biāo)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，得到平面坐標(biāo)中誤差為0.188 m，高程中誤差為0.29 m。分析可知，平面精度和高程精度均滿足地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范(國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2008)要求[14]。

表1 無(wú)人機(jī)及相機(jī)主要參數(shù)

圖3 航跡圖

圖4 同一航拍點(diǎn)的五張影像

圖5 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程圖

4.3 無(wú)人機(jī)遙感地質(zhì)災(zāi)害解譯

地質(zhì)災(zāi)害作為一種不良地質(zhì)現(xiàn)象，在遙感影像上呈現(xiàn)的形態(tài)、色調(diào)、影紋結(jié)構(gòu)等均與周圍背景存在一定區(qū)別[6]。因此，可通過(guò)遙感影像解譯，對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)已發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)和地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)全面的調(diào)查，查明其空間分布及屬性特征。

圖6為生成的出線場(chǎng)邊坡三維場(chǎng)景，對(duì)落石點(diǎn)位置進(jìn)行局部放大后得到圖7，可以明顯識(shí)別出落石災(zāi)害點(diǎn)位置，危巖體失穩(wěn)滾落后，出露的白色新鮮巖層面與周圍的黑色風(fēng)化巖層表面呈現(xiàn)鮮明的反差。分析三維模型可知：落石災(zāi)害點(diǎn)位于出線場(chǎng)上方約560 m處，高度為1 930 m，坡度約36°，落石巖性為大理巖。落石災(zāi)害點(diǎn)的出露面比較平整光滑，呈規(guī)則矩形，底面較緩，與坡面大致平行，后緣面陡傾，與坡面近于垂直相交。結(jié)合周圍巖體產(chǎn)狀特征，分析可判定原始危巖體底部和后緣發(fā)育兩組結(jié)構(gòu)面，巖體受到緩傾于坡面和反傾于坡外的兩組近于正交結(jié)構(gòu)面控制。危巖失穩(wěn)原因?yàn)椋菏艹掷m(xù)降雨的影響，大量雨水滲入到主控結(jié)構(gòu)面裂隙中，導(dǎo)致裂隙內(nèi)拉應(yīng)力不斷增大。當(dāng)拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，后緣結(jié)構(gòu)面裂隙不斷被拉裂開，最終裂隙貫通，巖體失穩(wěn)，順著底部結(jié)構(gòu)面滑移滾落，可知危巖破壞模式為滑移式。巖體滾落過(guò)程中，不斷有碎塊石分離，在圖上呈現(xiàn)出一條較明顯的滾落路徑，路徑大致呈直線狀，長(zhǎng)約776 m。

圖6 研究區(qū)三維空間場(chǎng)景

圖7 落石點(diǎn)位置

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，分析整個(gè)落石滾落演化過(guò)程，大致可分為三個(gè)階段：

(1)滾落初始階段

危巖體失穩(wěn)，從母巖上分離，獲得初始動(dòng)能，開始滾落。當(dāng)與坡表發(fā)生碰撞時(shí)，在沖擊作用下，落石體上原本不穩(wěn)定部分逐漸脫落，停留于坡表上，脫落部分為粒徑較大的完整塊石，主要分布于路徑0～54 m之間。多次碰撞后，此時(shí)的落石整體性較好，只有落石表面由于與坡表碰撞而脫落部分細(xì)小碎屑。

(2)撞擊階段

落石在487 m處由坡表滾落到?jīng)_溝內(nèi)，順著沖溝滾落，撞擊在下方的第一道被動(dòng)網(wǎng)上。由于落石具有巨大的動(dòng)能，發(fā)生撞擊時(shí)，不僅造成被動(dòng)網(wǎng)嚴(yán)重?fù)p壞，落石自身也發(fā)生碎裂，部分落石碎塊被攔截，能量耗盡，停落在被動(dòng)網(wǎng)附近，某塊較大落石反借著撞擊時(shí)的沖擊力越過(guò)被動(dòng)網(wǎng)，繼續(xù)滾落。圖8為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查照片。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查照片

(3)墜落階段

落石越過(guò)第二道被動(dòng)網(wǎng)后，沿著陡壁直墜而下，最終砸至下方出線場(chǎng)內(nèi)，破碎成許多碎塊石。

結(jié)合已發(fā)生的落石災(zāi)害特征，對(duì)出線場(chǎng)邊坡區(qū)域進(jìn)行危巖隱患點(diǎn)遙感解譯，共統(tǒng)計(jì)危巖29個(gè)，其分布如圖9所示。危巖分布于1 550～1 840 m，距下部江面220 m以上，屬特高位危巖，主要位于在陡峭坡體上，坡度45°～55°，巖體風(fēng)化卸荷裂隙發(fā)育。危巖主要受后緣結(jié)構(gòu)面控制，穩(wěn)定性較差，危及下方建筑物及公路。

無(wú)人機(jī)影像生成密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)賦存空間幾何特征信息，可以對(duì)由點(diǎn)云數(shù)據(jù)所構(gòu)建的三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)提取[16]。如圖10所示，以出露的新鮮巖面為邊界，提取各端點(diǎn)數(shù)據(jù)，測(cè)得原始落石長(zhǎng)(AB)為2.2 m，厚(AC)為1.9 m，高(AD)為2.8 m，計(jì)算得到體積(V)為11.7 m3；由于落石的兩組主控結(jié)構(gòu)面J1、J2在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中出露明顯，且表現(xiàn)為規(guī)則的平面，可以直接提取平面上不在同一直線上的任意n(n≥3)個(gè)特征點(diǎn)。

圖9 危巖分布圖

圖10 三維點(diǎn)云模型

設(shè)結(jié)構(gòu)面擬合平面的方程式為：

Z=AX+BY+C

(1)

采用最小二乘算法進(jìn)行解算：

(2)

得到結(jié)構(gòu)面擬合平面方程為：

J1：-0.057X+0.603Y+51.02=Z

(3)

J2：0.463X-1.931Y+48.533=Z

(4)

根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與平面方程參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系[17]，量化計(jì)算傾角α與傾向β：

(5)

(6)

其中：

(7)

當(dāng)A>0時(shí)，

β=β0+π

計(jì)算得到結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀(表2)。

表2 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計(jì)算結(jié)果表

5 結(jié)論

(1)采用無(wú)人機(jī)遙感航拍進(jìn)行高陡邊坡危巖體調(diào)查，不但能夠避免因復(fù)雜的地形條件而限制了地質(zhì)災(zāi)害的正常調(diào)查，而且還提高了地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的效率，具有更高的時(shí)效性和精確性。

(2)對(duì)無(wú)人機(jī)影像構(gòu)建的地質(zhì)災(zāi)害體三維模型進(jìn)行遙感解譯，分析可知：落石災(zāi)害點(diǎn)位于出線場(chǎng)上方約560 m處，巖體主要受近垂直于坡面和近平行于坡面的兩組近于正交的結(jié)構(gòu)面控制，失穩(wěn)模式為滑移式。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，可將落石滾落過(guò)程分為滾落撞擊和墜落三個(gè)階段。

(3)通過(guò)遙感解譯，共識(shí)別出29處危巖隱患點(diǎn)，其穩(wěn)定性較差，嚴(yán)重威脅下方建筑物及公路的安全。

(4)基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，精確地提取出地質(zhì)災(zāi)害體的屬性信息，測(cè)得落石原始體積為11.7 m3；采用最小二乘法對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行平面擬合，得到落石兩組主控結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為275.4°∠31.2°、103.5°∠63.3°。