無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在危巖勘查中的應(yīng)用

羅 崴，黃之巍

（廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，南寧 530023）

[關(guān)鍵字] 無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)；危巖；三維模型；應(yīng)用

0 引言

無人機(jī)技術(shù)最早出現(xiàn)并應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，但近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)、3S技術(shù)等各種技術(shù)迅速發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)也取得了巨大的進(jìn)步，使其應(yīng)用范圍從單一軍事方面逐漸進(jìn)入到民用和商用領(lǐng)域[1]。近年來，我國(guó)無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)開始得到廣泛應(yīng)用，尤其是在國(guó)土監(jiān)察、農(nóng)業(yè)與林業(yè)監(jiān)控[2]、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及地理測(cè)繪等方面起到越來越大的作用[3]。無人機(jī)技術(shù)在地質(zhì)勘查運(yùn)用方面也從理論研究進(jìn)入了實(shí)用化階段[4]，同時(shí)在地質(zhì)災(zāi)害快速測(cè)繪、三維建模、排查評(píng)估[5]具有明顯優(yōu)越性。通過無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，構(gòu)建危巖三維實(shí)景模型[6]，從而準(zhǔn)確獲取危巖體參數(shù)數(shù)據(jù)，由此，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)將以其極大優(yōu)越性、極強(qiáng)適應(yīng)能力，在危巖勘查應(yīng)用中發(fā)揮巨大作用。

1 無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)方法

在地質(zhì)災(zāi)害防治工作中，以無人機(jī)對(duì)危巖進(jìn)行勘查最為常見。2018年，為進(jìn)一步完善地質(zhì)災(zāi)害信息系統(tǒng)和群測(cè)群防網(wǎng)絡(luò)體系，全面提升防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力，廣西全面啟動(dòng)縣（市、區(qū)）范圍地質(zhì)災(zāi)害詳查工作。羅城縣積極響應(yīng)，成為第一批開展地質(zhì)災(zāi)害詳查的縣市之一。

羅城縣位于廣西北部，地勢(shì)總體北西高南東低，北面為中山峽谷、低山丘陵地貌，南面以巖溶喀斯特地貌為主，大面積分布著巖溶谷地、丘陵、峰林谷地和峰叢洼地，巖溶區(qū)面積1627 km2，約占全縣面積61%。羅城縣境內(nèi)地層巖性分布較復(fù)雜，整體上北西部主要是碎屑巖、變質(zhì)巖、巖漿巖分布區(qū)，南東部主要為碳酸鹽巖分布區(qū)。地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育較強(qiáng)烈，主要受北北東—南南西向構(gòu)造控制與影響。本次羅城縣地質(zhì)災(zāi)害詳查共調(diào)查到地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)228 處，其中危巖99 處、巖崩27 處，兩者占到災(zāi)害總數(shù)55%。危巖為羅城縣最為常見的地質(zhì)災(zāi)害類型，主要分布于南面巖溶地貌區(qū)，規(guī)律明顯，突發(fā)性強(qiáng)，致災(zāi)嚴(yán)重。危巖災(zāi)害在羅城縣地質(zhì)災(zāi)害中日益突出，運(yùn)用無人機(jī)新技術(shù)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)勘查意義重大。本文以羅城縣地質(zhì)災(zāi)害詳查項(xiàng)目為依托，以無人機(jī)對(duì)羅城縣四把鎮(zhèn)白石下危巖點(diǎn)進(jìn)行勘查為例，介紹了無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在危巖勘查中具體應(yīng)用，為類似條件地區(qū)危巖勘查提供參考。

1.1 無人機(jī)參數(shù)

本次選用某四旋翼測(cè)繪級(jí)無人機(jī)作為航拍無人機(jī)，結(jié)合千尋基站定位信息，航測(cè)定位精度優(yōu)于1 cm。無人機(jī)內(nèi)置厘米級(jí)導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，具有支持RTK 和PPK 高性能成像系統(tǒng)，精度達(dá)厘米級(jí)，外業(yè)操作簡(jiǎn)便，內(nèi)業(yè)成圖快捷，對(duì)于時(shí)間緊迫、任務(wù)繁重的測(cè)量任務(wù)，可有效地提高工作效率。羅城縣危巖災(zāi)害突出，數(shù)量多，范圍廣，地形復(fù)雜，高差大，測(cè)量任務(wù)重，時(shí)間緊，精度要求高，綜合考慮項(xiàng)目成本等因素，無人機(jī)最適合運(yùn)用到本次危巖勘查工作中，其參數(shù)見表1。

表1 無人機(jī)參數(shù)

1.2 工作流程

1.2.1 周圍環(huán)境確定

結(jié)合收集到的白石下危巖點(diǎn)的地質(zhì)資料，開展實(shí)地踏勘，觀察危巖體及周圍植被覆蓋情況，確定是否符合航測(cè)作業(yè)。白石下危巖點(diǎn)位于羅城縣四把鎮(zhèn)白石下屯東北部的山體上，山體的正下方是一個(gè)采礦區(qū)，采礦造成了上方的山體塌陷，塌陷處上方的山體整體劃分為危巖體，塌陷的山體形成3 條明顯的斷裂（見圖1 中①②③），山體存在崩塌和塌陷的安全隱患。山體東南方向較松散的部位已經(jīng)有一定規(guī)模的崩塌，對(duì)東邊新遼屯和西邊的白石下屯造成較大威脅。經(jīng)前期踏勘，危巖山體植被以雜草灌木為主，植被覆蓋適中，陡崖處基巖大面積裸露，適合使用無人機(jī)對(duì)危巖進(jìn)行航測(cè)。

1.2.2 航線規(guī)劃及像控點(diǎn)布置

根據(jù)危巖與周圍環(huán)境情況，白石下危巖山體面積約10 000 m2，測(cè)量面積較小，山頂標(biāo)高最高約700 m，相對(duì)地面高差300 m，因此，根據(jù)大疆自帶的飛行APP，本次飛行相對(duì)高度設(shè)置為330 m，選擇RTK坐標(biāo)系，設(shè)置照片比例尺1∶2500，點(diǎn)選3個(gè)邊界點(diǎn)生成測(cè)繪區(qū)域，自動(dòng)規(guī)劃航線見圖1，航線為弓字型路線，共7條航帶，線路航向與山體延伸方向垂直，設(shè)置覆蓋度航向80%，旁向70%。為獲取精準(zhǔn)地面坐標(biāo)，拍攝前需要進(jìn)行控制點(diǎn)的布設(shè)，分別于白石下、新遼及兩者之間共布設(shè)3個(gè)控制點(diǎn)（見圖1中K1、K2、K3），并采用RTK進(jìn)行控制點(diǎn)坐標(biāo)的精確測(cè)量。

1.2.3 航拍作業(yè)

由于危巖山體面積較小，危巖與周圍環(huán)境高差大，本次采用四旋翼智能無人機(jī)根據(jù)航線進(jìn)行危巖數(shù)據(jù)采集。無人機(jī)根據(jù)規(guī)劃好的航線進(jìn)行低空攝影，對(duì)危巖進(jìn)行多角度高覆蓋的拍攝。為更豐富地捕捉危巖細(xì)節(jié)信息，除按規(guī)劃航線采集數(shù)據(jù)外，根據(jù)危巖形態(tài)和構(gòu)造特征，還對(duì)危巖上的斷裂、巖崩、塌陷、陡崖危巖等地方進(jìn)行手動(dòng)的加密航拍（見圖1）。

圖1 白石下危巖點(diǎn)位置及航線規(guī)劃圖

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

航拍數(shù)據(jù)處理主要步驟包括照片質(zhì)量審核、數(shù)據(jù)預(yù)處理、幾何校正、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、真正射糾正、三維建模、三維數(shù)據(jù)生成及多格式輸出等。驗(yàn)證合格的數(shù)據(jù)通過無人機(jī)處理軟件及點(diǎn)云處理軟件，完成傾斜影像自動(dòng)空中三角測(cè)量、傾斜影像密集匹配和傾斜影像的拼接等。數(shù)據(jù)處理后可得到正射影像、DSM和真實(shí)三維模型。處理好的危巖三維再通過點(diǎn)云軟件和平面制圖軟件的處理，可對(duì)危巖結(jié)構(gòu)面、體積等進(jìn)行量測(cè)，獲得危巖所需的測(cè)量數(shù)據(jù)，包括危巖體邊界、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地形圖、剖面圖、危巖體尺寸及體積等。具體流程見圖2。

圖2 無人機(jī)攝影及數(shù)據(jù)處理流程

2 測(cè)量結(jié)果

2.1 危巖點(diǎn)正射影像圖

根據(jù)無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理成果，以危巖體及威脅對(duì)象為主體，生成反映危巖周邊環(huán)境和受威脅對(duì)象的位置且比例尺為1∶2500的垂直正射影像圖（見圖3），能夠完整體現(xiàn)危巖與受威脅對(duì)象的關(guān)系，其中危巖點(diǎn)與東南部的新遼屯距離最近。為了反映危巖點(diǎn)的臨空狀態(tài)及與母巖的分離狀態(tài)，根據(jù)無人機(jī)對(duì)危巖點(diǎn)斷裂拍攝測(cè)量得到兩張斷裂正射影像圖（圖3）。

圖3 白石下危巖點(diǎn)正射影像圖

2.2 危巖點(diǎn)的DSM

根據(jù)無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理成果，生成白石下危巖點(diǎn)及其周邊的DSM（見圖4），通過DSM 的數(shù)值可以直觀得到，危巖點(diǎn)所處位置高程大概在550～700 m，東南部的新遼屯所處的地勢(shì)位于400～450 m?？梢钥闯鰪纳巾?shù)缴襟w東南的新遼屯高差變化大，危巖點(diǎn)對(duì)村莊構(gòu)成巨大威脅。根據(jù)DSM 提取相應(yīng)的等高線數(shù)據(jù)，生成等高線差為5 m 等高線圖（見圖4）。根據(jù)等高線分布的疏密情況可知，危巖點(diǎn)的坡度較陡，高差變化大，陡坡是誘發(fā)危巖地質(zhì)災(zāi)害的因素之一。

圖4 白石下危巖點(diǎn)DSM提取等高線圖

2.3 危巖點(diǎn)的三維模型

三維模型圖可用相關(guān)的三維視圖軟件打開（見圖5。白石下屯獲取的航測(cè)數(shù)據(jù)比較完整，是在相對(duì)高差330 m 處獲取的航拍影像，生成的三維模型質(zhì)量較高，無明顯的空洞，從三維模型中可以直觀地看出危巖點(diǎn)與威脅對(duì)象的空間位置關(guān)系，整體的三維模型長(zhǎng)度為1500 m，寬度為1460 m。

圖5 白石下危巖點(diǎn)三維模型圖

2.4 危巖點(diǎn)初始崩滑方向剖面圖

運(yùn)用相關(guān)的軟件制作危巖體崩滑方向的剖面圖（見圖6），從剖面圖體現(xiàn)危巖與威脅對(duì)象的空間關(guān)系，反映危巖與受威脅對(duì)象的相對(duì)高度、水平距離及地形坡度變化。從剖面圖上獲取危巖點(diǎn)與最近村莊的水平距離約200 m，最大高差是110 m，危巖體所在的山體坡度約為30°。從這些參數(shù)可知，危巖體如果發(fā)生滑坡崩塌，極易威脅到下方的村莊，而且具有比較大的破壞力。

圖6 白石下危巖點(diǎn)初始崩滑方向剖面圖

2.5 危巖點(diǎn)周邊可見的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

根據(jù)航拍影像形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用點(diǎn)云處理軟件對(duì)危巖點(diǎn)的坡面、巖層、主要的斷裂等產(chǎn)狀進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如下：

（1）邊坡：危巖邊坡坡向?yàn)?3°、坡度45°。由于此處是塌陷斷面，邊坡測(cè)量的數(shù)據(jù)為危巖點(diǎn)初始滑動(dòng)方向的坡向和坡度。

（2）巖層產(chǎn)狀：由點(diǎn)云處理軟件測(cè)得巖層面產(chǎn)狀為105°∠18°。

（3）斷裂：兩組大的斷裂，斷裂1，產(chǎn)狀為93°∠69°，延伸120～130 m，張開度1.5～10 m，形成明顯的斷裂面；斷裂2，產(chǎn)狀為36°∠72°，延伸200～250 m，張開度4～7.5 m。

2.6 白石下危巖點(diǎn)結(jié)構(gòu)面赤平投影分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀測(cè)量的結(jié)果，通過平面制圖軟件制作出相應(yīng)的赤平投影圖（見圖7）。由圖7可知，斷裂1 與斷裂2 相交點(diǎn)在邊坡的對(duì)側(cè)，對(duì)巖體的不穩(wěn)定性貢獻(xiàn)較小，單塊結(jié)構(gòu)體是比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體。但是此處由于地面下沉，整個(gè)山頭處于下沉的狀態(tài)，為不穩(wěn)定的邊坡。幾組斷裂形成的錐形體都屬于不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體。隨著地面的下沉，山體可能還會(huì)出現(xiàn)更多的新的斷裂面和不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體。

圖7 危巖結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

2.7 白石下危巖點(diǎn)體積測(cè)量

體積通過截取三維模型上裂隙以及山腳輪廓來確定危巖體的邊界，采用軟件的體積測(cè)量工具來量取危巖體的體積。由于白石下危巖點(diǎn)是整個(gè)山體的塌陷，在測(cè)量時(shí)，將塌陷部分的山體一起測(cè)量。由此可量取危巖體的體積量為2 580 668 m3。

3 無人機(jī)對(duì)危巖勘查優(yōu)勢(shì)與局限性

無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在危巖勘查中的應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢(shì)：

（1）對(duì)已發(fā)現(xiàn)危巖勘查更精細(xì)化，測(cè)量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，為后期防治提供有力依據(jù)。對(duì)于高陡危巖，以往勘查手段基本上是用高清相機(jī)拍攝，危巖產(chǎn)狀、尺寸等數(shù)據(jù)多為肉眼估算。而無人機(jī)可通過數(shù)據(jù)采集，建立三維模型，準(zhǔn)確得到危巖邊界、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、危巖體尺寸及體積等數(shù)據(jù)，方便快捷。

（2）對(duì)潛在危巖排查更精準(zhǔn)，提高災(zāi)害預(yù)防有效性。在以往對(duì)危巖調(diào)查時(shí)，因無法直接觀察到潛在的危巖體，而將山高坡陡，植被發(fā)育的點(diǎn)作為易發(fā)村屯點(diǎn)。而近幾年新發(fā)生的巖崩地質(zhì)災(zāi)害多出于這些易發(fā)村屯點(diǎn)。通過無人機(jī)技術(shù)，對(duì)易發(fā)村屯進(jìn)行全面排查，找出潛在危巖點(diǎn)，獲取相關(guān)參數(shù)，圈出危巖體威脅范圍，根據(jù)危巖特征參數(shù)，落實(shí)具體防治對(duì)策，提高危巖災(zāi)害治理成效。

（3）有效減少外業(yè)工作量，提高安全保障。相比以往需攀爬靠近危巖體測(cè)量的方法，無人機(jī)技術(shù)外業(yè)操作簡(jiǎn)單，獲取更多參數(shù)數(shù)據(jù)，有效降低高陡邊坡或?yàn)?zāi)害頻發(fā)區(qū)相關(guān)調(diào)查人員發(fā)生傷亡的概率，極大改善危巖勘查工作條件，保障人員安全。

（4）靈活性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，可視化監(jiān)測(cè)，安全可靠。采用四旋翼智能無人機(jī)進(jìn)行危巖勘查，起降方便，無需機(jī)場(chǎng)或發(fā)射裝置，靈活機(jī)動(dòng)。采用飛控系統(tǒng)可按航線自動(dòng)飛行，電量不足時(shí)自動(dòng)返航。在航空攝影過程中可實(shí)時(shí)畫面監(jiān)控，深度可視化。

同時(shí)，受科技水平、軟件能力和經(jīng)濟(jì)條件等因素影響，本次無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在危巖勘查中應(yīng)用也存在一些技術(shù)難題：①外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，危巖點(diǎn)周邊山體高度都比較大，高程差較大，以周邊最高的山為基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)航線后，會(huì)造成正射及三維成果中危巖點(diǎn)偏小，效果較差；②危巖點(diǎn)山體高差比較大，危巖體周圍植被比較多，在三維建模數(shù)據(jù)處理過程中影像的拼接出現(xiàn)拉花現(xiàn)象，危巖體有時(shí)也會(huì)變形，造成大三維的山頂出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，整體質(zhì)量下降；③由于植被過于茂盛，造成有些照片無法通過空中三角計(jì)算，對(duì)正射和三維的完整性造成一定的影響；④由于無人機(jī)無法自動(dòng)避障電線、樹枝等細(xì)小物體，無法靠近拍攝，危巖點(diǎn)的裂隙、分離面、懸空面等微細(xì)節(jié)拍的不夠細(xì)；⑤無人機(jī)續(xù)航時(shí)間普遍較短，難以滿足較大范圍危巖勘查，軟件運(yùn)行對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求較高。

可以看出，危巖山體高程差太大，植被過多，對(duì)無人機(jī)測(cè)量結(jié)果造成較大的影響，其中植被影響更甚。因此，在今后無人機(jī)對(duì)危巖勘查應(yīng)用中，對(duì)于山體高程差過大的危巖點(diǎn)，可綜合考慮選擇適合的測(cè)量技術(shù)方法，提高危巖體測(cè)量數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。對(duì)于一些植被覆蓋或其他附屬雜物較多的地方，無法保證其測(cè)量精度時(shí)，還需進(jìn)行人工補(bǔ)測(cè)；也可以選擇帶有雷達(dá)測(cè)量功能的無人機(jī)進(jìn)行航測(cè)，從而盡可能降低植被對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，通過研發(fā)改進(jìn)，優(yōu)化升級(jí)，多技術(shù)融合發(fā)展，規(guī)范管理，無人機(jī)技術(shù)在危巖勘查中的應(yīng)用將取得更顯著成效，體現(xiàn)出更大的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

長(zhǎng)期以來，危巖勘查一直是地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作的難點(diǎn)。根據(jù)無人機(jī)攝影測(cè)量工作流程，對(duì)羅城縣白石下危巖點(diǎn)進(jìn)行具體應(yīng)用，通過無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，可精準(zhǔn)采集危巖體參數(shù)數(shù)據(jù)，生成危巖點(diǎn)正射影像圖、DSM、三維模型等，從而準(zhǔn)確地獲取危巖體的尺寸、形狀、巖層產(chǎn)狀、構(gòu)造特征、主滑方向以及體積等具體參數(shù)，為危巖防治提供有力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。可以看出，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)能很好地解決高陡山體上的危巖地質(zhì)參數(shù)的采集問題，大幅度提升危巖勘查的測(cè)量效率和測(cè)量精度，有效減少人力、物力以及時(shí)間的投入，產(chǎn)生良好效益。今后應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)在保持無人機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，科技創(chuàng)新，突破難題，將無人機(jī)技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，進(jìn)一步促進(jìn)地質(zhì)災(zāi)害勘查工作信息化、現(xiàn)代化發(fā)展。