無人機在滑坡調(diào)查中的應(yīng)用研究

孫 萌，丁占穩(wěn)，秦 飛

（1.華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450000；2.河南省地礦建設(shè)工程（集團）有限公司，鄭州 450000）

現(xiàn)階段傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作存在一些問題：①野外工作效率低。在傳統(tǒng)的野外地質(zhì)調(diào)查中，主要依賴于人工，做不到精細化處理，只能劃分重點區(qū)域和一般區(qū)域。尤其在許多工作條件艱苦的地區(qū)，比如荒漠區(qū)、高寒區(qū)和無人區(qū)等，人工很難采集到地質(zhì)數(shù)據(jù)。②采集資料的精度不夠。在野外地質(zhì)調(diào)查中，傳統(tǒng)的技術(shù)手段主要包括測量、照相、取樣和描述等，獲取的地質(zhì)資料精度有限。在環(huán)境不適宜的考察點，時間緊張，無法展開精確的地質(zhì)工作。一般在重點考察點處的資料詳細，精度高，在其他地方獲取的資料精度較低。③傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查存在一定危險性，許多地區(qū)野外地質(zhì)工作條件艱苦，很多地形十分危險，會對調(diào)查者的人身安全造成很大的威脅。

隨著無人機在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用，解決了上述的大部分問題，既提高了野外工作的精度和效率，又保障了地質(zhì)工作者的生命安全。面對應(yīng)急調(diào)查（如鄭州“7·20”特大暴雨、汶川地震等），需要快速對現(xiàn)場進行勘察，此時無人機的優(yōu)勢就更加明顯。周林輝用無人機采集研究區(qū)域的地質(zhì)點、線、面和體等信息，提高了地質(zhì)調(diào)查的速度和精度。鄭昕提出了一種基于無人機影像和高程數(shù)據(jù)的地形構(gòu)造線的確定方法。馬娟等采用無人機技術(shù)、地理信息技術(shù)和圖像融合技術(shù)，實現(xiàn)采集流程全自動化。張晶晶等通過無人機獲取傾斜影像資料，構(gòu)建了實景三維模型。無人機建?？梢援a(chǎn)生三維點云、正射影像等多種數(shù)據(jù)，能更加真實地反映地形地貌。通過無人機獲取的高精度數(shù)據(jù)，其時效性、真實性和可靠性都能得到保證。

1 滑坡地質(zhì)概況

1.1 研究背景

新安縣引畛濟澗工程位于河南省洛陽市新安縣境內(nèi)，自畛河引小浪底庫水經(jīng)過引水隧洞進入新安縣城南側(cè)的澗河。工程任務(wù)為新安縣城提供生產(chǎn)、生活用水，充分利用小浪底庫區(qū)庫容?；挛挥谛±说姿畮煜掠晤澈佑野?。

1.2 地形地貌

滑坡位于洛陽市新安縣引畛濟澗工程畛河右岸進水口附近，在地貌單元上屬低山丘陵區(qū)和黃土塬區(qū)地形起伏大，溝谷切割強烈，大部分地區(qū)被第四系松散系松散地層覆蓋，少部分地區(qū)出露基巖地層。

畛河右岸山嶺北高南低，一般山嶺高程250～420 m，溝底高程245～300 m，相對高差60～220 m。畛河河谷較寬，呈對稱“U”型，局部發(fā)育階地，河床高程250 m 左右，小浪底水庫非汛期蓄水后，畛河河床多被淹沒于庫水位之下。新安縣引畛濟澗工程進水口距離滑坡區(qū)50 m，滑坡位置如圖1 所示。

圖1 滑坡位置

1.3 地層巖性

滑坡區(qū)及其附近出露奧陶系、石炭系和二疊系。地層由老到新如下。

1.3.1 古界奧陶系（O）

中統(tǒng)馬家溝組（O2m）：底部為黃色或黃綠色砂礫巖、頁巖及泥灰?guī)r，厚2～20 m，下部為深灰色（表面風(fēng)化色為灰白色）厚層石灰?guī)r；上部為厚層灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r及泥灰?guī)r。該巖組厚約74 m，與石炭系本溪組平行不整合接觸，主要出露于澗河南岸。

1.3.2 古生界石炭系（C）

中統(tǒng)本溪組（C2b）：下部巖性主要為雜色頁片狀鐵鋁質(zhì)泥巖、褐紅色頁片狀鐵質(zhì)鋁土巖及灰白色鋁土礦層; 上部為灰白色薄層含礫粗粒石英砂巖及雜色頁片狀鋁質(zhì)泥巖，頂部為灰白色泥巖。該巖組厚約15 m，平行不整合于奧陶系馬家溝組巖層之上，主要出露于畛河南岸。

1.3.3 古生界二疊系（P）

下統(tǒng)山西組（P1s）：底部一般為灰白色厚層粗粒長石石英砂巖（厚3～35 m），有時相變?yōu)樯百|(zhì)頁巖、硅質(zhì)泥巖;其上為鋁土頁巖、炭質(zhì)頁巖夾細砂巖，區(qū)內(nèi)該巖組厚20～90 m，主要出露于澗河南岸。

下統(tǒng)下石盒子組（P2x）：底部為厚約20 m 的灰白色石英砂巖（局部相變?yōu)? 層砂巖夾粉砂質(zhì)頁巖），其上以泥巖（圖2）為主，夾長石石英砂巖，一般呈黃綠色；主要出露于西北部畛河岸邊。

圖2 泥巖

2 無人機航拍

本文用的無人機型號是DJ1 大疆精靈Phanto 4，如圖3 所示。精靈4 配備1 英寸2000 萬像素影像傳感器，搭載高分辨率多視角航空攝影儀。拍攝時，同步記錄相機拍攝瞬間的姿態(tài)角及地理坐標，后期通過航空攝影測量相關(guān)軟件對影像數(shù)據(jù)進行處理，主要經(jīng)過密集匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建和紋理映射等步驟構(gòu)建目標區(qū)域?qū)嵕叭S模型。DJ1 大疆精靈Phanto 4 技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 DJ1 大疆精靈Phanto 4 技術(shù)參數(shù)表

圖3 DJ1 大疆精靈Phanto 4

無人機航拍前，要先收集無人機航拍區(qū)域內(nèi)的地形圖等資料，現(xiàn)場考察，其是否滿足航拍要求。惡劣天氣（如大風(fēng)、下雪、下雨和有霧）時勿飛行，而且要選擇開闊、周圍無高大建筑物的場所作為飛行場地。在航拍過程中，應(yīng)隨時關(guān)注電池電量的情況，預(yù)留足夠的電量返航。

無人機航拍步驟如下：①組裝無人機。②開遙控器和無人機的電源。③打開機后將無人機與遙控器連接，然后輸入cors 號，連接RTK。④根據(jù)任務(wù)要求來規(guī)劃無人機的航拍路線。⑤開啟起飛模式。起飛時返航點已經(jīng)記錄，如果信號受阻，無人機會與遙控器斷開連接，電量充足的情況下，無人機會自動返航。

3 無人機數(shù)據(jù)處理

無人機的數(shù)據(jù)處理包括空中三角測量處理和三維數(shù)字模型構(gòu)建2 部分，處理完成后可以獲得正射影像圖和DSM 文件。數(shù)字正射影像圖是一種高分辨率、高精度的三維影像圖。正射影像作為一種數(shù)字測繪產(chǎn)品，同時具有幾何精度、數(shù)學(xué)精度和影像特征，信息量大，內(nèi)容豐富，直觀真實。對于應(yīng)急調(diào)查（突發(fā)地震或極端氣候?qū)е碌牡刭|(zhì)災(zāi)害），可以直接在正射影像圖上計算出滑坡體的總體積（圖4），該滑坡體的總體積約為6.6827×104m3。數(shù)字地表模型（Digital Surface Model，縮寫DSM）是指包含了地表所有建筑，以及樹木等高度的地面高程模型。DSM 比DEM 包含的內(nèi)容更多，包含了除地面以外的其他所有的地表信息的高程。在一些對建筑物高度有需求的領(lǐng)域，得到了很大程度的重視。

圖4 正射影像圖計算滑坡總體積

本文選用的數(shù)據(jù)處理軟件是Pix4D。①打開軟件，建立文件夾，把無人機數(shù)據(jù)導(dǎo)入，輸出坐標系選擇CGCS2000。②在處理菜單中設(shè)置生成三維網(wǎng)格紋理，在配置中選擇高分辨率，并且勾選OBJ 格式。③因需要的是正射影像圖，所以輸出選擇3D Maps。④處理數(shù)據(jù)前打開設(shè)置把自己電腦的顯卡勾選上啟動顯卡加速，一般的數(shù)據(jù)是沒問題的。如果不確定數(shù)據(jù)是否正確或者有像控點，一般只勾選第一步初始化處理，然后點擊確定，點擊開始處理就行。⑤創(chuàng)建完成后地圖視圖里顯示照片位置無錯亂就可以開始處理數(shù)據(jù)。⑥每完成一步都可以在處理選項下查看質(zhì)量報告，確定沒問題再點擊下一步，因為精靈RTK 是實時差分，精度比較高。DSM 如圖5所示，部分點（高精度）數(shù)據(jù)導(dǎo)出見表2。

表2 無人機導(dǎo)出的點（高精度）數(shù)據(jù)

圖5 DSM

4 三維建模

犀牛軟件全稱為Rhino3D NURBS，是一款功能很強大的三維高級建模軟件，主要功能是三維造型建模、繪制二維圖形，并進行尺寸標注。這款軟件是由美國Robert McNeel 公司在1998 年推出的。犀牛軟件功能強大，可以非常流暢地進行建模。其可以創(chuàng)建、分析和編輯NURBS 曲面、曲線與實體，并在角度、尺寸方面沒有限制。其可以很快地將數(shù)據(jù)表示成圖形、制圖設(shè)計界面、3-D 制圖法設(shè)計圖符界面、工作中的透視視窗、無限制的圖形視見區(qū)、指定的視區(qū)和工具欄界面。

對于地質(zhì)工作者來說，犀牛建模的基礎(chǔ)文件是投影坐標系下的等高線。三維地表網(wǎng)格生成的流程是線—點云—網(wǎng)格面—地表面。0.5 m 等高線如圖6 所示，點云如圖7 所示，網(wǎng)格面如圖8 所示。三維建模最核心的思想：建立具有分隔內(nèi)部空間的密閉焊接網(wǎng)格集。善于利用點和線等物件輔助變動工具的操作，往往可以加快建模效率和提供建模準確性和成功率。簡單三維模型如圖9 所示。

圖6 等高線

圖7 點云

圖8 網(wǎng)格面

圖9 簡單三維模型

5 結(jié)束語

在地質(zhì)調(diào)查中，使用無人機采集地質(zhì)數(shù)據(jù)，不僅提高了地質(zhì)工作者的工作效率，還提高了獲取的地質(zhì)數(shù)據(jù)的精度。正射影像圖是同時具有地圖幾何精度和影像特征的圖像，不僅能直觀真實地反映地形地貌，而且能快速計算出研究體的方量。在犀牛軟件強大的網(wǎng)格建模功能下，由等高線到三維模型的建立變得簡單而又高效。