無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害隱患調(diào)查中的應(yīng)用研究

閆燁琛,高學(xué)飛,于向吉，袁婷婷，席雪萍

（天津市地質(zhì)工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300000）

地質(zhì)災(zāi)害對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)安全威脅極大，隨著人們對(duì)礦產(chǎn)資源的開采，道路交通的建設(shè)，居民住宅的傍山而建等，使得原本穩(wěn)定的地質(zhì)體逐漸松動(dòng)，失去原有的平衡而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在地震或暴雨等條件誘發(fā)下極易引發(fā)崩塌、滑坡或泥石流等災(zāi)害。面對(duì)如何預(yù)防或者降低地質(zhì)災(zāi)害對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)安全的威脅，一直以來(lái)都成為地質(zhì)工作者面臨的主要矛盾。從而探究如何快速有效地監(jiān)測(cè)預(yù)警各類地質(zhì)災(zāi)害隱患的方法和手段是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題[1]。近年來(lái)隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的逐漸成熟與快速發(fā)展，其所表現(xiàn)出來(lái)的操作簡(jiǎn)易便捷、作業(yè)迅速高效、精細(xì)準(zhǔn)確、適用范圍廣及生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，致使其在地質(zhì)災(zāi)害隱患調(diào)查及地形測(cè)繪等領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯[2]。尤其隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展[3]，將航測(cè)攝影與地面實(shí)景三維空間更加高效地結(jié)合。本研究采用大疆經(jīng)緯M300 RTK無(wú)人機(jī)搭載睿鉑D2M傾斜相機(jī)鏡頭，通過(guò)傾斜攝影技術(shù)快速獲取地物影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行室內(nèi)構(gòu)建實(shí)景三維模型及量測(cè)分析[4]，實(shí)現(xiàn)高精度的實(shí)景三維信息獲取[5]，并通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取的實(shí)景三維影像信息精確識(shí)別、提取地質(zhì)災(zāi)害隱患信息[6]，為地質(zhì)災(zāi)害隱患識(shí)別及提前預(yù)防提供技術(shù)支持。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影

1.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)-無(wú)人機(jī)、鏡頭型號(hào)及其參數(shù)

規(guī)格參數(shù)：睿鉑D2M為五鏡頭，其中間為正射鏡頭，作業(yè)時(shí)垂直于地表進(jìn)行拍攝，分布在東、南、西、北方向的為傾斜鏡頭，以45°的姿態(tài)進(jìn)行拍攝。相機(jī)外形尺寸：145 mm×145 mm×105.5 mm；相機(jī)整體重量：840 g；相機(jī)焦距：正射25 mm/傾斜35 mm；CMOS數(shù)量：5 pcs；傳感器尺寸：23.5 mm×15.6 mm；相機(jī)單鏡頭像素2 400萬(wàn)；總像素：1.2億；最小曝光間隔：≤0.8 s（圖1、圖2）。

圖1 經(jīng)緯M300 RTK

圖2 睿鉑D2M

1.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)-影像信息采集

本次研究區(qū)位于天津市薊州區(qū)，測(cè)區(qū)面積為173 518 m2，通過(guò)前期收集資料及實(shí)地踏勘后，進(jìn)行航線規(guī)劃，飛行高度120 m，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，共11條航線，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行了傾斜攝影測(cè)量，共采集照片1 955張，如圖3所示。

圖3 航線規(guī)劃圖

本次航測(cè)以大疆經(jīng)緯M300 RTK+睿鉑D2M為載體，由于大疆經(jīng)緯M300 RTK將高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)引入無(wú)人機(jī)，經(jīng)緯M300 RTK集成RTK模塊，通過(guò)RTK模塊可為無(wú)人機(jī)提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)定位數(shù)據(jù)。滿足本次研究的精度要求，所以本次無(wú)人機(jī)影像信息采集過(guò)程中采用了免像控點(diǎn)技術(shù)，這樣極大地提高了工作效率。

2 實(shí)景三維建模

本次研究利用Context Capture軟件構(gòu)建實(shí)景三維模型，Context Capture軟件是由美國(guó)Bentley公司出品的一款目前被廣泛使用的三維實(shí)景建模軟件。通過(guò)CC軟件新建工程，加載無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的數(shù)據(jù)，進(jìn)行空三計(jì)算，構(gòu)建實(shí)景三維模型。

2.1 技術(shù)路線

技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 技術(shù)流程

2.2 建模流程

新建工程和加載影像如圖5和圖6所示。

圖5 新建工程

圖6 加載影像

空三計(jì)算是通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影外業(yè)測(cè)量的地面像控點(diǎn)位置信息，在室內(nèi)無(wú)人機(jī)影像處理過(guò)程中輔助確定全部影像的位置信息元素，從而得到更多加密點(diǎn)三維坐標(biāo)的測(cè)量方法。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，目前研究空三計(jì)算主要采用包含GPS數(shù)據(jù)及IMU數(shù)據(jù)的pos數(shù)據(jù)輔助完成解算[7]。在實(shí)際航測(cè)作業(yè)中，無(wú)人機(jī)通過(guò)在測(cè)區(qū)空間中某一位置對(duì)目標(biāo)地物進(jìn)行航測(cè)，獲取該組鏡頭所處位置的姿態(tài)角及空間位置信息，從而生成航測(cè)瞬間的pos信息，該信息包括該組鏡頭航測(cè)瞬間所處位置的高程、經(jīng)緯度、航向角、俯仰角及翻滾角信息。然后利用獲取的pos信息進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算求解出所攝區(qū)域未知點(diǎn)的坐標(biāo)信息。根據(jù)空三計(jì)算的結(jié)果有效還原了無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)在測(cè)區(qū)中航測(cè)時(shí)的空間信息，完成實(shí)景三維模型框架的初步構(gòu)建。

空三計(jì)算的關(guān)鍵取決于航測(cè)過(guò)程中獲取pos數(shù)據(jù)的精度，它將直接影響到后期構(gòu)建研究區(qū)實(shí)景三維模型的質(zhì)量和精度。傳統(tǒng)的單鏡頭無(wú)人機(jī)只能通過(guò)1個(gè)鏡頭作業(yè)獲取pos數(shù)據(jù)參與計(jì)算，本次研究中無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)采用5個(gè)鏡頭同時(shí)拍攝，從而聯(lián)合5個(gè)鏡頭的pos數(shù)據(jù)參與計(jì)算，極大地降低了由于pos數(shù)據(jù)單一而導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果誤差，顯著提高了計(jì)算精度，增加了后期構(gòu)建實(shí)景三維模型的質(zhì)量和精度。

三維實(shí)景建模如圖7－圖9所示。

圖7 傾斜攝影空中三角測(cè)量計(jì)算

圖9 實(shí)景三維模型

3 地質(zhì)災(zāi)害信息解譯

基于對(duì)研究區(qū)構(gòu)建的實(shí)景三維模型，進(jìn)行地質(zhì)解譯和地質(zhì)信息采集。不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)的野外場(chǎng)景重現(xiàn)，有助于地質(zhì)工作者對(duì)研究區(qū)的現(xiàn)狀進(jìn)行觀察和理解，而且可借助無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果進(jìn)行室內(nèi)解譯并對(duì)地質(zhì)研究工作中重點(diǎn)關(guān)注的地質(zhì)點(diǎn)、線、面、體等地質(zhì)信息進(jìn)行識(shí)別、量測(cè)、提取和分析。主要包括對(duì)各種地質(zhì)對(duì)象的空間位置坐標(biāo)、地質(zhì)界線、地層巖性、層面產(chǎn)狀及節(jié)理、地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)分布范圍、體積方量以及野外調(diào)查重點(diǎn)區(qū)域和調(diào)查可行性等信息進(jìn)行提取，為地質(zhì)工作者提供更為全面更為豐富的地質(zhì)信息。

圖8 三維實(shí)景建模

通過(guò)三維模型可以獲取本次研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)影響面積為16.21 hm2，其中災(zāi)害分布范圍區(qū)為7.06 hm2，災(zāi)害影響范圍區(qū)為9.15 hm2。災(zāi)害隱患源主要為巖體崩塌，四至坐標(biāo)：X1:530853，Y1:4437496；X2:531155，Y2:4437372；X3:531244，Y3:4437527；X4:530984，Y4:4437949。節(jié)理為95°∠30°。隱患區(qū)巖體分層現(xiàn)象明顯，巖體分層厚度在30~50 cm，巖體大多都呈現(xiàn)碎裂結(jié)構(gòu)且分化明顯，如遇地震或暴雨等外營(yíng)力作用，破碎巖體極易發(fā)生滑移或者崩落（圖10、圖11）。

圖10 災(zāi)害區(qū)動(dòng)態(tài)范圍獲取

圖11 災(zāi)害點(diǎn)隱患識(shí)別分析圖

利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)該地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)航測(cè)獲取地物信息，通過(guò)室內(nèi)構(gòu)建的高清實(shí)景三維模型可以高效、精準(zhǔn)地識(shí)別危險(xiǎn)源，提取隱患區(qū)裸露破碎坡體的各類地質(zhì)信息，尤其是針對(duì)該隱患區(qū)災(zāi)害隱患源的識(shí)別及其分布現(xiàn)狀信息的提取與分析。相比于傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查方式，這種非接觸式獲取地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)災(zāi)害信息的技術(shù)在精度、效率、安全性等方面都有著明顯的優(yōu)勢(shì)，為災(zāi)害區(qū)的人身財(cái)產(chǎn)安全防護(hù)及后期的地質(zhì)災(zāi)害治理等工作提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本次研究可知，在地質(zhì)災(zāi)害隱患調(diào)查工作中通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)航測(cè)數(shù)字化地物信息，構(gòu)建研究區(qū)高清實(shí)景三維模型并進(jìn)行災(zāi)害源識(shí)別、災(zāi)害體量測(cè)及分析，不但在研究方法上具有創(chuàng)新性，也可高效安全地提取地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)關(guān)鍵致災(zāi)因素。相比于光學(xué)遙感三維模型或傳統(tǒng)的單鏡頭無(wú)人機(jī)航測(cè)成果，本次研究構(gòu)建的實(shí)景三維模型更具高清分辨率，為地質(zhì)災(zāi)害的精細(xì)化研究提供更精準(zhǔn)可靠的模型依據(jù)。綜上可知，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害隱患調(diào)查中具有廣闊的應(yīng)用前景，為地質(zhì)工作者的研究提供了更全面、可靠的研究區(qū)現(xiàn)狀信息，加快了對(duì)地質(zhì)災(zāi)害信息的識(shí)別、預(yù)防及治理工作。