基于空三模型實(shí)現(xiàn)非接觸式實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面解決方案研究

王康年，吳文剛，王 云，黃 燁，楊秋平

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局101地質(zhì)大隊(duì)，貴州 凱里 556000)

1 前言

實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面圖(suvreyed geological cross-section)，簡(jiǎn)稱實(shí)測(cè)剖面，是用儀器(經(jīng)緯儀、平板儀)或精密度較高的儀器和工具(軟盤、測(cè)斜儀、GPS定位儀、視距望遠(yuǎn)鏡、氣壓計(jì)、測(cè)繩、皮尺等)通過(guò)實(shí)地測(cè)繪而制成的地質(zhì)剖面圖(黃宗理 等，2014)。簡(jiǎn)而言之，傳統(tǒng)的實(shí)測(cè)剖面圖，是使用量測(cè)儀器到實(shí)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，再通過(guò)手工、半手工或計(jì)算機(jī)自動(dòng)化繪制成圖，工作手段顯然落后跟不上時(shí)代的步伐。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，地質(zhì)行業(yè)專家學(xué)者對(duì)實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面的自動(dòng)化成圖都有不同程度研究(楊光忠 等，2002；楊利容 等，2011；姚高峰 等，2012；孫羽 等，2012；王兆國(guó) 等，2015；羅華彪，2015；屈海浪 等，2018)。2006年筆者“地質(zhì)測(cè)量計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理及輔助成圖系統(tǒng)”(以下簡(jiǎn)稱“地質(zhì)測(cè)量”)的“實(shí)測(cè)剖面”模塊，也解決了通過(guò)地質(zhì)羅盤、經(jīng)緯儀野外采集數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理，并在AutoCAD中自動(dòng)生成實(shí)測(cè)導(dǎo)線圖、實(shí)測(cè)剖面圖。

至21世紀(jì)，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)迅速普及，打破了傳統(tǒng)的測(cè)量方式，經(jīng)緯儀、平板儀退出測(cè)量業(yè)的歷史舞臺(tái)，全站儀逐漸被淘汰。隨即以低空消費(fèi)級(jí)小型無(wú)人機(jī)為航測(cè)工具漸漸突顯其獨(dú)特優(yōu)越性，通過(guò)野外快速獲取小范圍高分辨率影像，內(nèi)業(yè)用Pix4D mapper、Contex capture、PhotoScan、PhotoMetric等軟件一站式影像處理，快速生成高精度空間三維模型，在各行業(yè)中迅速推廣和普及應(yīng)用。

相應(yīng)，利用空間三維模型進(jìn)行二次開發(fā)利用，快捷提取三維模型中地質(zhì)體表面要素點(diǎn)的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)非接觸式(遙感)精確測(cè)量地質(zhì)體幾何尺寸、體量、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等逐漸成為當(dāng)今地質(zhì)工作新方法新手段研究的熱門課題(韓東亮，2014；楊力龍，2017；劉海洋 等，2017；張騫棋，2018；王棟，2018)。然而，以此技術(shù)實(shí)現(xiàn)非接觸式(遙感)高精度實(shí)測(cè)剖面方面的研究甚少，很難搜索到這方面的研究成果和成圖軟件。

2 解決方案和思路

筆者等通過(guò)一些危巖體、滑坡勘查項(xiàng)目實(shí)踐和研究，前述航測(cè)影像內(nèi)業(yè)處理軟件和國(guó)產(chǎn)EPS三維測(cè)圖等大都能實(shí)現(xiàn)從三維模型中快捷提取剖面線上若干測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。對(duì)于植被不發(fā)育的地質(zhì)體裸露地區(qū)，提取三維模型剖面線上若干測(cè)點(diǎn)(如地形點(diǎn)、地質(zhì)要素點(diǎn))的三維坐標(biāo)，利用第三方剖面圖成圖軟件或自主開發(fā)輔助軟件，快捷實(shí)現(xiàn)非接觸式(遙感)高精度實(shí)測(cè)剖面，尤其是危巖體勘查，精確反映凹凸不平的陡壁峭崖微地貌形態(tài)和結(jié)構(gòu)面特征，建立精準(zhǔn)的危巖體穩(wěn)定性計(jì)算模型，能實(shí)現(xiàn)人工實(shí)測(cè)無(wú)法完成的工作，不失為一種可行的創(chuàng)新工作方法。

本解決方案工作思路如圖1。

圖1 解決方案思路圖

3 輔助軟件設(shè)計(jì)

基于上述思路，筆者“地質(zhì)測(cè)量”軟件中“圖切剖面”模塊具有較完整的剖面成圖功能，提供多種樣式的剖面圖(圖2)，在此基礎(chǔ)上筆者增加設(shè)計(jì)“空三工具”模塊，其中包括“導(dǎo)出圖切剖面數(shù)據(jù)”(圖3)。

圖2 “圖切剖面”剖面樣式設(shè)置

圖3 “導(dǎo)出圖切剖面數(shù)據(jù)”窗體設(shè)計(jì)

模塊基于Windows系統(tǒng)開發(fā)，采用Visual Basic 6.0語(yǔ)言編程，“導(dǎo)出圖切剖面數(shù)據(jù)”主要解決經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為3度帶直角坐標(biāo)、3度帶直角坐標(biāo)換算為圖切剖面需要的坐標(biāo)數(shù)據(jù)兩種算法問(wèn)題。軟件窗體設(shè)計(jì)思路如下：

1)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示采用MSFlexGrid表格控件。如圖3界面，左側(cè)表格用于顯示三維模型提取剖面線測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)及偏移剖面直線距離等，通過(guò)打開文本文件輸入數(shù)據(jù)，目前支持WGS 84、國(guó)家2000坐標(biāo)系統(tǒng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)和3度帶坐標(biāo)；右側(cè)表格用于顯示換算出的比例尺為1∶1的繪制圖切剖面的平距、高程數(shù)據(jù)。

2)左側(cè)表格下方，原始數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)及格式通過(guò)ComboBox控件下拉選擇。

3)如存在三維模型坐標(biāo)系統(tǒng)與成果地形圖坐標(biāo)系統(tǒng)不一致的情況，或剖面圖、地形圖兩圖剖面起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)值存在偏移時(shí)，目前提供X、Y、H坐標(biāo)增量平均值三參數(shù)法換算處理。

4 應(yīng)用實(shí)例

以某地崩塌和某地滑坡為例，筆者自主編程輔助成圖軟件，簡(jiǎn)單介紹本方案實(shí)現(xiàn)非接觸式實(shí)測(cè)剖面的成圖過(guò)程。

4.1 崩塌勘查應(yīng)用

如圖4以PhotoScan軟件處理好的三維模型為例：

1)繪制剖面線、測(cè)點(diǎn)并導(dǎo)出剖面線測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，保存為文本文件。操作步驟簡(jiǎn)述如下：

(1)在PhotoScan界面中繪制一條剖面直線，退出繪制模式轉(zhuǎn)至導(dǎo)航模式。

(2)單擊鼠標(biāo)左鍵選擇直線，在直線上需要加測(cè)點(diǎn)的位置單擊鼠標(biāo)右鍵彈出快捷菜單，Insert Vertex為線上加點(diǎn)，如此周而復(fù)始，直線成為多段線。線上測(cè)點(diǎn)越多，越能接近真實(shí)地形起伏形態(tài)。

(3)選擇剖面多段線，單擊鼠標(biāo)右鍵進(jìn)入快捷菜單，單擊Measure彈出多段線各拐點(diǎn)坐標(biāo)窗口如圖4，Ctrl+A全選表格數(shù)據(jù)，Ctrl+C復(fù)制表格坐標(biāo)數(shù)據(jù)至系統(tǒng)粘貼板。

(4)數(shù)據(jù)粘貼至新建的文本文件中。

圖4 某崩塌三維模型(側(cè)視)提取剖面線三維數(shù)據(jù)示意圖

2)在前圖3界面打開文本文件后，單擊的“計(jì)算并保存數(shù)據(jù)”按鍵，計(jì)算出的繪制剖面圖數(shù)據(jù)在右側(cè)表格中顯示。

3)單擊圖3窗體右下角“數(shù)據(jù)導(dǎo)入圖切剖面模塊”，軟件切換至“圖切剖面”模塊如圖5，輸入作圖比例尺，設(shè)置好剖面圖參數(shù)后“確定”，在AutoCAD中生成的實(shí)測(cè)剖面圖主框架如圖5。

4)利用AutoCAD強(qiáng)大編輯功能或筆者“地質(zhì)測(cè)量”軟件的圖例、圖簽等模塊，完善實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面圖內(nèi)容。

圖5 某崩塌提取三維模型數(shù)據(jù)生成的實(shí)測(cè)剖面圖主框架

4.2 滑坡勘查應(yīng)用

如某地滑坡植被不發(fā)育(圖6)，同樣適合此方案，快速生成的實(shí)測(cè)剖面圖如圖7。

圖6 某滑坡三維模型(正射視角)

圖7 三維模型數(shù)據(jù)生成的實(shí)測(cè)剖面圖

當(dāng)然，本方案實(shí)測(cè)剖面的精度取決于空間三維模型的精度?？臻g三維模型精度越高，提取的剖面線地形點(diǎn)三維坐標(biāo)精度越高，生成的實(shí)測(cè)剖面地形起伏形態(tài)精度也越高。

4.3 與其它剖面圖軟件比較

國(guó)內(nèi)免費(fèi)或低消費(fèi)級(jí)的剖面圖軟件不多，筆者“空三工具”模塊目前數(shù)據(jù)導(dǎo)出支持低消費(fèi)級(jí)福建林樞“筋斗切剖面”數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)導(dǎo)出為“筋斗切剖面”數(shù)據(jù)后，在該工具的界面中導(dǎo)入已保存的數(shù)據(jù)，設(shè)置好作圖比例等參數(shù)即可作圖。筆者“圖切剖面”模塊與林樞“筋斗切剖面”工具相比較，各有特點(diǎn)：

1)“筋斗切剖面”支持單一直線、拆線(多方位剖面線段)型剖面成圖；“圖切剖面”目前僅支持單一直線型剖面成圖。

2)“筋斗切剖面”偏重于巖土行業(yè)剖面樣式；“圖切剖面”偏重于地質(zhì)勘查行業(yè)，提供的剖面樣式相對(duì)要多，結(jié)合“圖例圖簽”模塊使用，能快速繪制一張完整的地質(zhì)剖面圖。

用戶根據(jù)不同行業(yè)習(xí)慣選擇不同的剖面圖工具。

4.4 方案可行性分析

上述某崩塌點(diǎn)通過(guò)空間三維模型實(shí)現(xiàn)的非接觸式(遙感)實(shí)測(cè)剖面，導(dǎo)出原始數(shù)據(jù)為經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過(guò)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)后計(jì)算結(jié)果如表1。

由表1不難得出：

表1 某崩塌三維模型非接觸式實(shí)測(cè)剖面數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果表

續(xù)表

1)20至22號(hào)測(cè)點(diǎn)，坡度開始變陡大于30°，人工實(shí)測(cè)困難；22至23號(hào)測(cè)點(diǎn)，坡度開始劇陡，傾角53.78°，傳統(tǒng)方法人工根本無(wú)法到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。若模擬人工實(shí)測(cè)，22至55號(hào)測(cè)點(diǎn)只能是一條直線，反映不出陡壁的實(shí)際微起伏形態(tài)。

2)55個(gè)測(cè)點(diǎn)中，偏移于起止點(diǎn)直線的距離最大值1.78 m、最小值0.00 m、平均值0.83 m。偏移距離取決于手動(dòng)或軟件自動(dòng)在三維模型中選點(diǎn)的精度，尤其手動(dòng)選點(diǎn)偏移距離可能偏大，但能重復(fù)調(diào)整減小偏移距離，最終達(dá)到要求的精度。

3)點(diǎn)的密度：按拆線長(zhǎng)度計(jì)算為0.26點(diǎn)/m，按起止點(diǎn)平距計(jì)算為0.38點(diǎn)/m，滿足1∶100比例尺的測(cè)量精度或更高。還可根據(jù)需要在三維模型人為增減測(cè)點(diǎn)數(shù)量，如EPS等軟件可等間距設(shè)置提取測(cè)點(diǎn)數(shù)量，增加測(cè)點(diǎn)無(wú)需成本。

綜上分析，此方案通過(guò)非接觸式(遙感)測(cè)量完成的實(shí)測(cè)剖面，突破了人工實(shí)測(cè)無(wú)法完成的高陡崖地區(qū)的實(shí)測(cè)剖面測(cè)量工作，測(cè)量精度取決于空間三維模型的精度，完全可以根據(jù)需要無(wú)限制增加剖面線測(cè)點(diǎn)，以真實(shí)反映剖面線的微地貌起伏形態(tài)，特別是在危巖體調(diào)查、勘查中，是一種可行的、值得推廣應(yīng)用的新工作方法手段。

5 探討

基于空間三維模型實(shí)現(xiàn)非接觸式高精度實(shí)測(cè)剖面解決方案，是通過(guò)提取空間三維模型剖面線上若干測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用剖面圖成圖軟件，在AutoCAD快速生成高精度實(shí)測(cè)剖面圖?？臻g三維模型精度越高，生成的實(shí)測(cè)剖面圖地形形態(tài)精度越高，同時(shí)解決了高陡崖地區(qū)人工實(shí)地測(cè)量無(wú)法完成的工作，適用于植被不發(fā)育地區(qū)的非接觸式(遙感)實(shí)測(cè)剖面測(cè)量與成圖，既能提高工作效率，又能提高測(cè)量精度，最主要是突破了人工實(shí)測(cè)無(wú)法完成的工作。

當(dāng)然，此方案肯定還不是最佳的解決方案，存在諸多缺陷和需要完善之處：

1)提取空間三維模型剖面線測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，目前只能一次性解決地形點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)于地質(zhì)體要素點(diǎn)、工程點(diǎn)等，需要多次提取或人工修測(cè)完成。

2)局部地段如遇到建筑物、植被覆蓋區(qū)需要實(shí)地修測(cè)和人工調(diào)整。

3)PhotoScan等無(wú)人機(jī)影像內(nèi)業(yè)處理軟件提取三維模型剖面測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)方便程度還有待完善，尚未提供二次開發(fā)API接口；除EPS外，三維模型Obj等格式文件瀏覽器如Acute3D Viewer、Rocky Viewer等尚無(wú)完整的提取剖面線測(cè)點(diǎn)三維數(shù)據(jù)功能。因此，能否提取三維模型中剖面線測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，受應(yīng)用軟件限制。

4)剖面圖的精度，取決于空間三維模型的精度。而空間三維模型的精度，又受前期無(wú)人機(jī)本身系統(tǒng)誤差、無(wú)人機(jī)GPS定位高程誤差、航拍條件選擇造成的誤差、內(nèi)業(yè)處理軟件空三解算誤差等影響。

5)該方案適合于地質(zhì)情況不太復(fù)雜地區(qū)，能快速完成實(shí)測(cè)剖面工作，無(wú)需人工到實(shí)地進(jìn)行實(shí)測(cè)。但對(duì)于地質(zhì)情況比較復(fù)雜區(qū)域的地質(zhì)剖面實(shí)測(cè)，尤其是解決眾多地質(zhì)要素點(diǎn)如何進(jìn)行智能識(shí)別、如何智能化標(biāo)注在地質(zhì)剖面中，還有待深入研究和完善。

因此，筆者僅以此階段研究作拋磚引玉，希望更多專家學(xué)者從事到非接觸式(遙感)實(shí)測(cè)剖面方面的研究和軟件開發(fā)中來(lái)，提高地質(zhì)工作實(shí)測(cè)剖面的效率和精度，尤其是當(dāng)今三維激光掃描技術(shù)在地表植被處理方面的應(yīng)用，其三維模型或點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速實(shí)現(xiàn)非接觸式高精度實(shí)測(cè)剖面的優(yōu)越性，將會(huì)更上一層樓。