奧維地圖軟件及小型無人機在山區(qū)公路工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

李文強

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司， 山西 太原 030006)

奧維地圖軟件和無人機技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)調(diào)查中，但很少將兩者同時真正融入地質(zhì)調(diào)查，目前也缺乏相關(guān)資料的匯總與總結(jié)，該文主要結(jié)合前人的工作經(jīng)驗和實際工作中遇到的問題和難題，以西北復(fù)雜山區(qū)某高速公路為例，系統(tǒng)地闡述和總結(jié)奧維地圖軟件和無人機技術(shù)在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用，為類似工作提供一定的參考和幫助，提高地質(zhì)調(diào)查的效率和精度。

1 項目概況

擬建公路位于甘肅省甘南藏族自治州舟曲縣和迭部縣境內(nèi)，各路線方案總長約170 km。項目區(qū)地處西秦嶺南支西端與岷山山脈交匯疊加地帶，白龍江上游流域(項目區(qū)位于兩河口以上河段)，屬中國典型的高山峽谷區(qū)地貌。

項目區(qū)所處的白龍江干流上游區(qū)位于青、甘、川三省交界地帶，為青藏高原東北緣的東昆侖構(gòu)造帶、西秦嶺構(gòu)造帶、松潘甘孜構(gòu)造帶、岷山構(gòu)造帶、龍門山構(gòu)造帶等數(shù)個構(gòu)造帶的交匯銜接部位，也即復(fù)雜的構(gòu)造結(jié)部位。上述構(gòu)造帶歷經(jīng)多個期次、多個旋回，褶皺斷裂構(gòu)造非常發(fā)育，尤其是進入新生代以來，周邊活動性斷裂構(gòu)造密集分布，活動頻度及強度較高。

項目區(qū)地層巖性復(fù)雜多變，沉積巖、變質(zhì)巖和火山巖均有分布。該區(qū)地層的平面展布特點明顯具有沿白龍江呈近東西向分布，且與流域一致呈條帶狀展布的規(guī)律。自條帶中央至條帶邊緣地層由老至新依次分布，即總體上條帶中心以志留系為主，兩側(cè)外圍則以三疊系為主，其他地層多呈斷續(xù)條帶狀展布。

綜上所述，該項目路線長，斷裂褶皺構(gòu)造發(fā)育，地形地貌復(fù)雜多變，滑坡體、泥石流病害成群成帶密集分布，不穩(wěn)定自然高陡邊坡隱患點極多。大大增加了地質(zhì)調(diào)查的難度，按照傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查方法，很難在短期內(nèi)準(zhǔn)確地完成地調(diào)任務(wù)，在奧維地圖軟件和無人機技術(shù)的輔助下，將大大降低工作難度。

2 應(yīng)用思路和方法

進行外業(yè)地質(zhì)調(diào)查之前，先把路線平面線位導(dǎo)入到奧維地圖軟件中，主要利用軟件的定位和拍照功能，隨時掌握路線位置，準(zhǔn)確規(guī)劃調(diào)查路線，也為后期鉆孔位置的定位提供幫助，定點采集照片信息，避免忘記拍照位置的可能，并根據(jù)衛(wèi)星影像，輔助判斷斷裂構(gòu)造位置和不良地質(zhì)現(xiàn)象的位置和范圍。對于調(diào)查人員很難到達的路線部位和不良地質(zhì)體(尤其是高位不良地質(zhì)體)的調(diào)查，可以借助于無人機技術(shù)，幫助識別路線附近的地層情況，有無不良地質(zhì)分布，以及不良地質(zhì)體的變形特征，為預(yù)測不良地質(zhì)的穩(wěn)定狀態(tài)和防治措施提供幫助。因此，在奧維地圖軟件和無人機技術(shù)的幫助下，將大大提高工作效率和精度。應(yīng)用的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 地調(diào)技術(shù)路線

3 線位導(dǎo)入與導(dǎo)出

3.1 線位導(dǎo)入

首先將擬建公路的CAD線位在PC端導(dǎo)入到奧維地圖軟件，再從PC端導(dǎo)出或同步到云端，導(dǎo)入到手機客戶端，通過手機隨時隨地掌握自己的位置以及與線位的關(guān)系。

CAD線位導(dǎo)入奧維地圖軟件的方法有多種，該文主要介紹一種通用的方法，使用關(guān)聯(lián)點將CAD導(dǎo)入奧維。

首先是關(guān)聯(lián)點的選取，一般選取3個關(guān)聯(lián)點，如果路線長度較長且地形較復(fù)雜，可以適當(dāng)多選擇幾個關(guān)聯(lián)點，或者分段導(dǎo)入，關(guān)聯(lián)點盡量沿路線均勻分布。關(guān)聯(lián)點的選取非常關(guān)鍵，直接決定導(dǎo)入線位的精度，所以，關(guān)聯(lián)點一定要選在能準(zhǔn)確識別的地方，便于衛(wèi)星圖與CAD平面圖能準(zhǔn)確地吻合，關(guān)聯(lián)點可以在路線上，也可以在路線附近，具體操作見圖2。

圖2 關(guān)聯(lián)點標(biāo)簽圖

關(guān)聯(lián)點確定之后，在奧維互動地圖添加關(guān)聯(lián)點標(biāo)簽，在圖2“備注”欄填寫關(guān)聯(lián)點坐標(biāo)，坐標(biāo)系平面圖上該點對應(yīng)的坐標(biāo)，直接填寫CAD平面圖讀出的平面X、Y坐標(biāo)，中間用英文的逗號分開，不用顛倒X和Y的坐標(biāo)值。所有關(guān)聯(lián)點均按照上述辦法添加。

關(guān)聯(lián)點添加完成后，將CAD平面線位另存為dxf格式，然后將dxf文件直接拖拽入奧維互動地圖軟件界面，將會出現(xiàn)圖3所示界面。

圖3 關(guān)聯(lián)點轉(zhuǎn)換圖

圖3中“CAD坐標(biāo)設(shè)置”選擇“關(guān)聯(lián)點轉(zhuǎn)換坐標(biāo)”選項，然后點擊“方案管理”欄，點擊“添加”按鈕，在“名稱”欄輸入項目名稱，如圖4所示，然后點擊“添加關(guān)聯(lián)點”按鈕，出現(xiàn)圖5界面，點擊“添加”按鈕，然后點擊“選擇標(biāo)簽”按鈕，選擇已建立的關(guān)聯(lián)點，最后點擊“開始解析”按鈕，最終將線位導(dǎo)入到平面圖，如圖6所示。

圖4 關(guān)聯(lián)點轉(zhuǎn)換圖

圖5 關(guān)聯(lián)點轉(zhuǎn)換圖

圖6 線位平面圖

3.2 線位導(dǎo)出

將線位從PC端導(dǎo)入手機移動端方法有多種，該文主要介紹同步和文件傳輸?shù)姆绞健?/p>

(1) 同步的方法

該方法主要應(yīng)用于同一賬號不同客戶端之間的應(yīng)用(一個賬號可以綁定幾個客戶端)。

點擊“用戶”欄，然后點擊“與云端同步對象”選項，在“文件夾”選項選擇需要同步的對象，在“同步選項”欄選擇“將本地對象上傳合并入云端”，最后點擊“開始同步”，平面線位就上傳到了云端。

在手機端點擊“收藏” “菜單” “同步”，然后在“文件夾”選項選擇需要同步的對象，在“同步選項”欄選擇“將云端下載對象合并入本地”，最后點擊“開始同步”，解析完成，平面線位就成功導(dǎo)入到手機。

該方法應(yīng)用較為廣泛，方便同一項目不同專業(yè)小組人員之間的傳輸與共享。

在PC端“收藏夾”一欄單擊需要導(dǎo)出的項目文件，然后點擊右鍵，選擇“導(dǎo)出”，彈出下列對話框(圖7)，在“格式”選項中選擇“KML Google”，最后點擊 “導(dǎo)出”，線位數(shù)據(jù)就被導(dǎo)出到電腦中，然后傳輸?shù)绞謾C上，用手機版“奧維互動地圖”軟件打開文件，平面線位即傳輸?shù)绞謾C客戶端。

圖7 導(dǎo)出對象圖

4 奧維地圖在地質(zhì)勘察過程中的應(yīng)用

奧維地圖在地質(zhì)勘察的各個環(huán)節(jié)都能應(yīng)用，該文主要從路線定位、地質(zhì)界線確定、不良地質(zhì)范圍確定、地質(zhì)勘探和照片采集等方面的應(yīng)用展開介紹。

4.1 路線定位

外業(yè)地質(zhì)調(diào)查一般采用1∶10 000或1∶2 000的地形圖。1∶10 000地形圖測量年代較久，地形和地物均發(fā)生了變化，很難準(zhǔn)確定位，而1∶2 000的地形圖往往圖幅較小，在圖幅之外很難定位，常常需要不斷地找人問路，特別是長大隧道要穿越地形復(fù)雜的山區(qū)(無人區(qū))，基本沒法定位，完全不知道自己所在的位置，以及與線位的關(guān)系，有時候盲目尋找，不但浪費時間還可能具有一定的危險性，降低了工作效率。

通過手機奧維地圖定位，能隨時隨地掌握自己所處的位置以及與線位的關(guān)系。在奧維地圖上能清晰地看到所在位置的道路情況，能順利找到通往路線的最便利的道路，大大提高了外業(yè)調(diào)查的效率和精度。

4.2 地質(zhì)界線確定

地質(zhì)界線的勾畫主要還是通過現(xiàn)場徒步踏勘并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)圖來綜合確定，通過奧維地圖能進一步增加地質(zhì)界線的精度。

路線地質(zhì)調(diào)查主要沿路線附近進行踏勘，在基巖山區(qū)，受地形等因素限制，有時調(diào)查的內(nèi)容比較局限，看不清全貌，例如斷層、土石分界線的分布。

接收現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)特定的計算方式給出相應(yīng)的指令，這一部分稱之為運算部分。邏輯控制部分：與現(xiàn)場設(shè)備相連接，接收運算部分的動作指令，判斷現(xiàn)場設(shè)備的實際運行狀況并將新的動作指令分別下發(fā)給各終端，使其按照要求單獨動作或者聯(lián)動動作。這2個部分互有區(qū)別，不應(yīng)混為一談。

奧維地圖能彌補以上工作的不足。在基本確定斷層出露位置后，能通過奧維地圖獲取附近整體地形地貌條件，通過地形地貌 (如埡口、斷層崖等)，判斷斷層的延伸方向；在植被稀少的山區(qū)，通過奧維地圖能清晰地看出土石分界線分布，對現(xiàn)場調(diào)查工作進行復(fù)核和驗證。

4.3 不良地質(zhì)范圍確定

野外調(diào)查期間，受圖紙精度、地物和地形變化等因素影響，一些不良地質(zhì)的邊界很難準(zhǔn)確地反映在圖紙上，尤其是大規(guī)?；虼蠓秶牟涣嫉刭|(zhì)，實測難度又比較大，如堆積體、尾礦庫、崩塌和滑坡等。

在調(diào)查期間，路線附近有多處石料廠，露天開采，棄渣分布面積大，石料廠和棄渣的位置和范圍很難確定，利用奧維地圖軟件，這些問題將迎刃而解，在奧維地圖上圈出棄渣邊界(圖8)，然后在“收藏夾”中選中需要導(dǎo)出的文件，點擊“右鍵”，選擇“導(dǎo)出”，保存成dxf格式，按原坐標(biāo)粘貼到平面圖即可。

圖8 棄渣范圍

4.4 地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

線性工程路線跨度較大，一般穿越多個地貌單元，地形破碎，地勢起伏大，在山區(qū)公路工程中尤為顯著，無疑增加了地質(zhì)勘探工作難度，其中一方面就是鉆孔的定位，線位的樁子大部分被人為破壞，加之地形復(fù)雜，要花費大量的精力尋找鉆孔位置。

通過手機奧維地圖定位，能隨時隨地掌握自己所處的位置以及與孔位的關(guān)系，輕松到達孔位，大大提高工作效率。

4.5 照片采集

在外業(yè)地質(zhì)調(diào)繪期間，需要拍攝大量的照片，一般情況下，照片整理周期為一天(有時會更長)，即調(diào)查一天之后，晚上回去整理當(dāng)天的照片，線性工程地域跨度較大，照片采集量較大，有時往往混淆照片所對應(yīng)的拍攝地點，需要重復(fù)調(diào)查拍照，影響調(diào)查的效率和精度。

隨著智能手機的發(fā)展，手機拍照完全能滿足工作需要，更重要的是利用手機版奧維互動地圖軟件的拍照功能能精準(zhǔn)地定位，避免了上述出現(xiàn)的問題。

首先，線位已成功導(dǎo)入手機中，打開軟件，將屏幕上的“黃色十字標(biāo)”(圖9)移至拍照的地點或?qū)?yīng)的樁號位置，點擊屏幕右上角“照相機”圖標(biāo)(9)，拍照即可，拍攝的照片自動顯示在拍攝的位置。如圖9所示為線位附近幾個“照相機”圖標(biāo)。

圖9 拍照界面

5 無人機的應(yīng)用

隨著無人機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，目前無人機已被廣泛應(yīng)用到各類工程建設(shè)中。項目區(qū)屬典型的高山峽谷區(qū)地貌，位于多個構(gòu)造單元帶，褶皺斷裂構(gòu)造非常發(fā)育，地層巖性復(fù)雜多變，不良地質(zhì)密集發(fā)育，地質(zhì)調(diào)查工作難度非常大，好多地方都不能到達，傳統(tǒng)的地調(diào)方法無法保障工作的精度，在無人機的幫助下，工作的精度和進度將會進一步得到保障。結(jié)合項目區(qū)工程地質(zhì)特征，該文主要介紹無人機在地質(zhì)構(gòu)造和不良地質(zhì)等方面調(diào)查的應(yīng)用及優(yōu)越性。

5.1 地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查的應(yīng)用

項目區(qū)斷裂構(gòu)造非常發(fā)育，尤其是進入新生代以來，周邊活動性斷裂構(gòu)造密集分布，受表層巖土體影響，大部分?jǐn)嗔褬?gòu)造具隱伏性，調(diào)查難度較大。

傳統(tǒng)的調(diào)查方法就是發(fā)現(xiàn)斷層出露的位置，然后根據(jù)地形地貌、地層巖性等條件初步判斷斷層的走向，最后去追蹤斷層，尋找下一個出露位置，探明其延伸方向，在地形復(fù)雜的地區(qū)，通常追蹤斷層耗時較長，耗費體力，甚至還存在安全隱患，但結(jié)果有時候都不盡人意。在地形復(fù)雜、人員到位困難的地方，可以借助于無人機，能規(guī)避風(fēng)險，提高效率和精度，用無人機沿斷層可能的延展方向所在區(qū)域進行航拍，根據(jù)現(xiàn)場地形地貌、地層巖性等進行解譯判斷，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料進行綜合分析，最終確定斷層的產(chǎn)狀。

5.2 不良地質(zhì)調(diào)查的應(yīng)用

項目區(qū)不良地質(zhì)發(fā)育主要為崩塌、滑坡，該文主要介紹無人機在巨型滑坡、高位崩塌體(滑坡)等不良地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用及優(yōu)越性。

巨型滑坡一般平面面積分布較大，由于地形原因，有時候很難掌握滑坡體全貌及變形破壞跡象，借助奧維地圖和無人機，首先通過奧維地圖從地貌上初步識別滑坡的范圍，然后利用無人機航拍，獲取大范圍的圖像資料，結(jié)合航拍資料，確定滑坡的邊界和范圍，最后利用無人機獲取滑坡體局部變形的圖像資料。掌握滑坡體的范圍邊界以及變形特征，為滑坡體的穩(wěn)定性分析提供十分重要的依據(jù)。

高位崩塌(滑坡)一般具隱蔽性，高程較高，勢能大，臨空條件好，具有突發(fā)性，且破壞力強，排查與調(diào)查難度較大，如四川茂縣滑坡，屬于典型的高位崩塌(滑坡)，破壞機制為“高位遠程崩滑碎屑流”，目前對高位崩塌(滑坡)的調(diào)查主要借助于無人機和三維激光掃描儀，無人機能捕捉到無法看到的地質(zhì)現(xiàn)象，并對地質(zhì)現(xiàn)象的整體和局部特征進行收集，通過采集到的影像資料對地質(zhì)現(xiàn)象進行室內(nèi)解譯、分析和評價等，排查和確定該地質(zhì)體是否為不良地質(zhì)，最后采用三維激光掃描儀對不良地質(zhì)體進行現(xiàn)場掃描，可以準(zhǔn)確識別和解譯出長度20 cm以上的裂隙(包括其跡線空間位置、產(chǎn)狀等信息)，位置偏差±3 mm，自動建立三維空間模型和點云測量數(shù)據(jù)庫，其點定位精度可達到毫米級，通過室內(nèi)解譯，確定不良地質(zhì)體的范圍、規(guī)模和變形特征等，為不良地質(zhì)體的評價提供依據(jù)。

無人機在公路工程中的應(yīng)用還有很多，在設(shè)計階段可以利用無人機航拍技術(shù)和BIM技術(shù)對全線和單個工點建立模型，結(jié)合地形和地質(zhì)條件進一步驗證和核實設(shè)計的合理性，提高工作的效率和精度，在施工階段也能提供技術(shù)支持，方便施工人員對各個構(gòu)造物作出正確理解，進一步節(jié)約成本，縮短工期。

6 結(jié)論

(1) 奧維地圖能給現(xiàn)場工作提供大量的便利，調(diào)查人員隨時知道自己所處的位置及與線位的關(guān)系，省去了問路、找路的環(huán)節(jié)，大大提高了工作效率。

(2) 奧維地圖在不良地質(zhì)調(diào)查、鉆孔定位和照片采集等方面提供強大的技術(shù)支撐，進一步提高工作的精度和效率。

(3) 無人機在構(gòu)造和不良地質(zhì)等方面的調(diào)查中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，解譯隱伏構(gòu)造、排查隱蔽不良地質(zhì)體，進一步規(guī)避路線方案選擇的風(fēng)險性。

(4) 融合了奧維地圖軟件和無人機技術(shù)后，大大縮短了外業(yè)工期，并成功解譯斷層22條、排查了80余處滑坡和崩塌體，提高了工作效率和精度。