傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)在道路邊坡生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

席春芳，許 哲

（佰信藍(lán)圖（山西）科技有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

山西南太行區(qū)域，承載著得天獨(dú)厚的太行文化旅游資源和優(yōu)勢，自然景觀風(fēng)貌優(yōu)質(zhì)，生態(tài)系統(tǒng)功能完善。更好挖掘旅游資源，發(fā)展全域旅游，實(shí)現(xiàn)交通旅游融合發(fā)展，建設(shè)太行一號旅游公路，實(shí)現(xiàn)“城景通、景景通”的暢游網(wǎng)絡(luò)是時代發(fā)展的需求，也是人們不斷追求美好生活的迫切愿望。太行一號國家風(fēng)景道陵川段支線，作為太行一號旅游公路新建路段之一，在建設(shè)過程中造成部分山體損毀，植被破壞，加之暴雨侵蝕，沿線形成多處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)位。采用先進(jìn)技術(shù)手段探明損毀范圍及程度，是當(dāng)前迫切之舉，制定科學(xué)有效生態(tài)修復(fù)措施，是長久之治。

傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)，對“三生”空間，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)、有序、多維反映，通過高密度采集、人機(jī)交互、物聯(lián)感知，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字世界和真實(shí)空間高度關(guān)聯(lián)，形成了統(tǒng)一的空間架構(gòu)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是面向未來提供新型數(shù)字服務(wù)、高端地理信息服務(wù)、稀缺生態(tài)產(chǎn)品服務(wù)的新技術(shù)、新途徑。

在自然資源領(lǐng)域，實(shí)景三維技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多階段、多場景、多尺度的應(yīng)用，針對不同使用階段、使用場景、使用尺度，可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提取、分析、分類以及不同情景下的應(yīng)用。

本研究在場地尺度上，以太行一號國家風(fēng)景道陵川段支線王莽嶺至馬武寨段為研究對象，利用傾斜攝影技術(shù)形成的具有高精度、高信息屬性的數(shù)字正射影像圖（DOM），精準(zhǔn)獲取地災(zāi)損毀區(qū)范圍；利用數(shù)字高程模型（DEM）制作地災(zāi)損毀區(qū)數(shù)字地貌，對損毀區(qū)坡度、坡向、地勢起伏有更直觀地認(rèn)識；而數(shù)字線化地圖（DLG）集合空間信息和屬性信息，是開展地災(zāi)治理和生態(tài)修復(fù)工程設(shè)計的底圖，用于建設(shè)規(guī)劃、工程施工、項目驗收各個階段。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)位情況

研究區(qū)位于太行山南端絕頂，為太行一號國家風(fēng)景道陵川段支線，東起王莽嶺西至馬武寨，道路長度約25 km。此段位于王莽嶺景區(qū)內(nèi)，處于景區(qū)的核心位置邊緣，道路以外山體植被景觀優(yōu)美，自然風(fēng)光奇秀，項目起點(diǎn)高程1278.0 m，終點(diǎn)高程1296.0 m，相對高差18.0 m。區(qū)位情況如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖

線路走廊帶內(nèi)按巖層組合及地貌特征劃分4 個地貌單元，分別為侵蝕、剝蝕基巖低中山區(qū)、河谷沖積窄谷區(qū)、黃土覆蓋基巖低中山區(qū)和山間基巖窄谷區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及用途

研究區(qū)所需基礎(chǔ)資料獲取渠道包括研究區(qū)資料收集、工程地質(zhì)調(diào)查、測繪及室內(nèi)試驗等，取得研究區(qū)基本信息及野外勘查成果，目的是查明研究區(qū)土地利用、地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地震、水文地質(zhì)以及巖溶、滑坡、崩塌、砂土液化等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象［1］。具體如表1 所示。

表1 研究區(qū)數(shù)據(jù)來源及用途表

1.3 技術(shù)路線

充分利用傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)及其地理信息產(chǎn)品（DOM、DEM、DLG），高效精準(zhǔn)確定研究區(qū)損毀點(diǎn)位，并在工程實(shí)施后，實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)效果可視化，制定技術(shù)路線，如圖2 所示。

圖2 傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用技術(shù)路線圖

2 研究區(qū)生態(tài)問題

2.1 傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

以研究區(qū)2020 年遙感影像為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)，初步判斷研究區(qū)發(fā)生生態(tài)系統(tǒng)損傷的區(qū)域，以此確定無人機(jī)航飛區(qū)域。在此基礎(chǔ)上確定設(shè)計航高，規(guī)劃航飛線路、野外布設(shè)像控點(diǎn)，之后開展無人機(jī)傾斜攝影外業(yè)工作，獲取航飛影像和像控點(diǎn)數(shù)據(jù)等外業(yè)成果。對影像成果進(jìn)行加工預(yù)處理后，使用ContextCapture軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)空中三角測量，刺點(diǎn)平差［2］，最后形成區(qū)域的實(shí)景三維模型。

在實(shí)景三維模型上仔細(xì)判讀地物，準(zhǔn)確繪出定位點(diǎn)或地物外輪廓線，過程中不遺漏，不變形移位，并賦予地物相應(yīng)的要素代碼，獲得二維矢量數(shù)據(jù)。相比于傳統(tǒng)攝影測量只能獲取垂直俯視視角，傾斜攝影測量獲取的多角度地物信息更加直觀立體，紋理更加豐富，地物判讀更加準(zhǔn)確快速；而相較外業(yè)實(shí)地測量，省去了大量人力成本，同時避免了地質(zhì)環(huán)境中的危險因素，作業(yè)效率更高。

無人機(jī)選用大疆精靈4RTK，搭載2000 萬像素的相機(jī)，像元大小為2.41 μm，焦距為8.8 mm，云臺可調(diào)節(jié)的角度為-90°～30°［3］，獲取1 個垂直視角、4個傾斜視角共5 個視角航拍影像，可以滿足傾斜攝影測量基本要求。根據(jù)研究地災(zāi)損毀分布點(diǎn)位及地形特色，共劃分7 個航飛區(qū)域。航線規(guī)劃設(shè)計選用DJI GS Pro 軟件，無人機(jī)的航向重疊率和旁向重疊率均設(shè)置為80%，設(shè)計相對航高90 m［4］。

2.2 傾斜攝影數(shù)據(jù)處理

獲取研究區(qū)的像控點(diǎn)及航拍影像等外業(yè)數(shù)據(jù)獲取后，進(jìn)行預(yù)處理調(diào)整影像亮度、對比度、飽和度，然后進(jìn)行空中三角測量運(yùn)算，刺加像控點(diǎn)進(jìn)行平差處理，生產(chǎn)實(shí)景三維模型、數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）等地理信息產(chǎn)品，其中實(shí)景三維模型地面分辨率為3 cm，正射影像圖（DOM）地面分辨率為5 cm。

數(shù)據(jù)提取：根據(jù)研究區(qū)生態(tài)保護(hù)和修復(fù)這一特定需求，確定擬進(jìn)行實(shí)景三維建設(shè)的范圍、地理實(shí)體類型，在三維模型DOM 和DEM 基礎(chǔ)上，提取相關(guān)地理要素信息（地形、河流水系、居民地、獨(dú)立地物、道路交通、土質(zhì)植被等），制作各類要素三維地理實(shí)體及二維平面數(shù)字線劃圖（DLG）。

2.3 損毀點(diǎn)位確定

通過對傾斜攝影形成地理信息產(chǎn)品（DEM、DOM、DLG）所提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出太行一號國家風(fēng)景道陵川段支線王莽嶺至馬武寨段沿線共有7 個點(diǎn)位（9 個創(chuàng)坡）山體損毀嚴(yán)重，是本次生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)區(qū)域。創(chuàng)面總面積為1.41 hm2，涉及馬武寨、諸神觀村、東廟華村、榆樹溝村4 個行政村，具體點(diǎn)位分布如圖3 所示。

圖3 研究區(qū)生態(tài)損毀點(diǎn)位分布圖

2.4 生態(tài)問題梳理

對7 個點(diǎn)位進(jìn)行現(xiàn)場踏勘及地質(zhì)采樣，梳理研究區(qū)存在的生態(tài)問題。研究區(qū)建設(shè)過程中均為露天施工，此過程不可避免會破壞下墊面植被、土壤，改變原始地形地貌，影響區(qū)域自然景觀效果，造成嚴(yán)重的水土流失［5］。形成的生態(tài)問題主要包括以下3 個方面：

1）地質(zhì)災(zāi)害加劇。2020 年7 月降雨量較往年明顯增多，導(dǎo)致太行一號國家風(fēng)景道陵川段支線王莽嶺至馬武寨段問題集中暴露：滑坡、崩塌等地災(zāi)隱患；水土流失、創(chuàng)面破損、巖層滲水等不同程度的生態(tài)問題。

2）地貌景觀破壞。建設(shè)過程中由于表土剝離、廢土石渣堆積、地下水疏干等問題，造成山體表土嚴(yán)重破壞，大片植被毀損，并產(chǎn)生一系列與邊坡破壞活動密切相關(guān)的次生地質(zhì)災(zāi)害［6］。

3）土地資源浪費(fèi)。毀壞地面樹木和草地等附著物，破壞土地資源。另外，邊坡開采剝離的廢土、廢石排放，建筑碎石加工產(chǎn)生的廢渣排放及碎石加工場地、成品料場、礦山工業(yè)場地等還占用了大量土地資源，使土地失去了原有功能，造成土地資源浪費(fèi)。

針對以上生態(tài)問題，統(tǒng)籌考慮研究區(qū)內(nèi)道路以外山體生態(tài)環(huán)境整體保護(hù)、道路邊坡地質(zhì)災(zāi)害防治系統(tǒng)修復(fù)、道路邊坡生態(tài)環(huán)境綜合治理。

3 生態(tài)修復(fù)方案

按照研究區(qū)不同點(diǎn)位生態(tài)問題情況，擬定有針對性的工程修復(fù)方案。制定的生態(tài)修復(fù)方案技術(shù)路線如圖4 所示。

圖4 生態(tài)修復(fù)方案技術(shù)路線圖

3.1 擬定治理效果

1）消除地質(zhì)災(zāi)害隱患：通過地災(zāi)治理，可治理9處邊坡坍塌，投影面積約21.3 hm2，損毀創(chuàng)面邊坡危巖、峭壁、亂石得到有效而科學(xué)的處置；合理設(shè)計排水系統(tǒng)，有效地解決降水侵蝕和排泄問題，保障了修復(fù)山體的安全。

2）恢復(fù)山體植被：對邊坡及上邊坡開展生態(tài)修復(fù)，建設(shè)種植槽約1963 m，栽植爬藤植物，改善坡面植被覆蓋情況。種植的喬灌草形成立體植被結(jié)構(gòu)，可以較全面地恢復(fù)道路沿線地區(qū)的森林-灌木-草本植被的生態(tài)功能。

3）改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量：遵循“山水林田湖草生命共同體”理念，通過喬灌草立體種植等多要素多工法的技術(shù)集成，改善研究區(qū)范圍生態(tài)環(huán)境面貌，消除巖石外露、植被稀疏退化現(xiàn)象，恢復(fù)研究區(qū)自然景觀。

3.2 制定生態(tài)修復(fù)措施

3.2.1 地災(zāi)治理措施

根據(jù)7 個點(diǎn)位、9 個邊坡的不同損毀情況，運(yùn)用修整坡面、SNS 防護(hù)網(wǎng)、錨桿框架梁、漿砌塊石護(hù)面墻、排水、攔水帶等不同工程措施的有效組合，修復(fù)地災(zāi)損毀點(diǎn)位。

1）在1 號點(diǎn)位設(shè)置一、二兩級邊坡漿砌塊石護(hù)面墻，一級邊坡護(hù)面墻地面以上墻高12 m，二級邊坡護(hù)面墻地面以上墻高10 m，在墻頂邊坡出露位置種植綠植。

2）2 號點(diǎn)位選用修整坡面+錨桿框架梁+漿砌塊石護(hù)面墻+排水+攔水帶的治理方式。在2 號邊坡底部灰?guī)r處設(shè)置漿砌塊石護(hù)面墻，地面以上墻高2.5 m；在護(hù)面墻高度處設(shè)置馬道，馬道處設(shè)置排水溝，防止坡面受到?jīng)_刷，對邊坡坡面進(jìn)行修整，使用錨桿框架梁進(jìn)行護(hù)面，框架梁中預(yù)留存土位置，為后期的生態(tài)修復(fù)做準(zhǔn)備；在邊坡坡頂設(shè)置攔水帶。

3）3 號點(diǎn)位左側(cè)發(fā)生局部掉塊，右側(cè)下部巖體軟弱，左側(cè)選用掛主動防護(hù)網(wǎng)的支護(hù)方式，右側(cè)選擇素混凝土護(hù)面墻+主動防護(hù)網(wǎng)的支護(hù)方式，素混凝土護(hù)面墻離地面以上墻高6 m。

4）4 號點(diǎn)位有發(fā)生整體滑動可能，選擇預(yù)應(yīng)力錨索+主動防護(hù)網(wǎng)+素混凝土護(hù)面墻的支護(hù)方式。地面以上墻高5 m，墻背垂直，緊貼巖體；墻身設(shè)置排水管，保證水體排泄。

5）5-1 號點(diǎn)位有發(fā)生順層滑動可能，選擇素混凝土護(hù)面墻+預(yù)應(yīng)力錨索+主動防護(hù)網(wǎng)+截水溝的支護(hù)方式。素混凝土護(hù)面墻地面以上墻高6 m，墻背垂直，緊貼巖體；墻身設(shè)置排水管，保證水體排泄；在坡頂設(shè)置截水溝，攔截坡體雨水。

5-2 號點(diǎn)位整體穩(wěn)定性較高，選用錨桿框架梁+素混凝土護(hù)面墻+排水溝的治理方式。底部灰?guī)r處設(shè)置漿砌塊石護(hù)面墻地面以上墻高6 m，墻背垂直，緊貼巖體；在護(hù)面墻高度處設(shè)置馬道，馬道處設(shè)置排水溝，防止坡面受到?jīng)_刷；對邊坡進(jìn)行坡面修整，使用錨桿框架進(jìn)行防護(hù)，框架梁中預(yù)留存土位置，為后期的生態(tài)修復(fù)做準(zhǔn)備。

6）6 號點(diǎn)位目前頂部灰?guī)r懸空，有發(fā)生墜落式崩塌可能，選擇清除危巖+削坡+主動防護(hù)網(wǎng)+漿砌塊石護(hù)面墻+截排水溝的支護(hù)方式。邊坡底部泥頁巖區(qū)設(shè)置三級邊坡，在原有漿砌塊石護(hù)面墻基礎(chǔ)上新建2 級素混凝土護(hù)面墻，二級坡護(hù)面墻墻高5.5 m，三級坡護(hù)面墻墻高4 m，緊貼巖體，以防止暴雨沖刷導(dǎo)致巖體流失破壞；墻身設(shè)置排水管，保證水體排泄，在坡頂設(shè)置截水溝，防止雨水沖刷。

7）7-1 號點(diǎn)位整體穩(wěn)定性良好，選用錨桿框架梁+素混凝土護(hù)面墻+排水溝的治理方式。底部白云巖處素混凝土護(hù)面墻地面以上墻高5 m，緊貼巖體；在護(hù)面墻高度處設(shè)置馬道，馬道處設(shè)置排水溝，防止坡面受到?jīng)_刷；對坡面進(jìn)行修整，在二級邊坡上和三級邊坡處使用錨桿框架進(jìn)行防護(hù)，框架梁中預(yù)留存土位置，為后期的生態(tài)修復(fù)做準(zhǔn)備。

7-2 號點(diǎn)位頂部灰?guī)r可能發(fā)生單平面滑動，選用錨桿框架梁+素混凝土護(hù)面墻+預(yù)應(yīng)力錨索+主動防護(hù)網(wǎng)+截排水溝的治理方式。底部白云巖處設(shè)置素混凝土護(hù)面墻地面以上墻高5 m，緊貼巖體；在護(hù)面墻高度處設(shè)置馬道，馬道處設(shè)置排水溝，對坡面進(jìn)行修整，在二級邊坡處使用錨桿框架進(jìn)行防護(hù)，框架梁中預(yù)留存土位置，為后期的生態(tài)修復(fù)做準(zhǔn)備；在邊坡中部設(shè)置馬道，馬道處設(shè)置排水溝，進(jìn)行削坡，在三級邊坡處設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索+SNS 主動防護(hù)網(wǎng)，在坡頂設(shè)置截水溝，防止雨水沖刷。

3.2.2 生態(tài)恢復(fù)措施

對9 處重點(diǎn)點(diǎn)位治理區(qū)域采取種植槽換土栽植方式進(jìn)行坡面綠化，在漿砌塊石護(hù)面墻上下修筑種植槽，栽植爬山虎、迎春、扶芳藤、月季等植被；在主動防護(hù)網(wǎng)坡腳修筑種植槽，栽植爬山虎、迎春、扶芳藤、月季等植被，改善道路景觀。

3.3 疊加三維模型

使用DP-Modeler 和3dsMax 軟件聯(lián)合整飾實(shí)景三維模型。使用DP-Modeler 對初始三維模型（傾斜攝影數(shù)據(jù)采集階段形成）進(jìn)行補(bǔ)洞、刪除碎片等初步修飾處理，根據(jù)修復(fù)措施，劃分不同整飾區(qū)域，在DP-Modeler 中采用不同整飾方法，主要有3 種：

1）修整坡面區(qū)域采用直接拉伸移動模型的方法；

2）植被綠化、安裝防護(hù)網(wǎng)等區(qū)域采用紋理貼圖替換方法；

3）整平需要進(jìn)行工程建設(shè)的區(qū)域，預(yù)留出工程單體模型位置。

同時在3dsMax 軟件中，根據(jù)工程設(shè)計圖信息，進(jìn)行三維建模、紋理映射，生成單體化工程模型。最后在DP-Modeler 中將修飾后的實(shí)景三維模型和工程單體模型融合，導(dǎo)出融合生態(tài)修復(fù)方案的最終模型。

3.4 掛接監(jiān)測平臺

實(shí)景三維模型與感知設(shè)備、數(shù)據(jù)處理、綜合預(yù)警等技術(shù)耦合，直觀展示監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的多項功能，包括項目信息展示、實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及展示、警告信息等。通過在線監(jiān)測邊坡體的地表位移、內(nèi)部位移、地下水位、降雨量等信息，對邊坡體進(jìn)行長期、穩(wěn)定、不間斷監(jiān)測，守護(hù)邊坡安全。

4 結(jié)語

本文以太行一號國家風(fēng)景道陵川段支線邊坡生態(tài)修復(fù)為例，建立了研究區(qū)生態(tài)修復(fù)的實(shí)景三維模型，通過傾斜攝影測量獲取的多角度地物信息，更加直觀立體，紋理更加豐富，地物判讀更加準(zhǔn)確快速，且省去了大量人力成本，并避免了地質(zhì)環(huán)境中的危險因素，實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)。后期疊加工程設(shè)計效果，豐富了生態(tài)修復(fù)效果的表達(dá)形式。在后期管理階段，嵌入監(jiān)測數(shù)據(jù)，將安全預(yù)警情況以三維可視化形式進(jìn)行展示，提高管理人員對監(jiān)測預(yù)警判斷的準(zhǔn)確度。