無人機(jī)攝影測量技術(shù)在高位危巖地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化調(diào)查中的應(yīng)用

閆俊，張云衛(wèi)，袁曉路，麥松鋒

（湖北省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊，湖北 鄂州 436000）

1 引言

近年來，無人機(jī)近景攝影測量作為一項新技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍高分辨率圖像的快速采集， 在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究中得到了有效應(yīng)用。 特別是對于西南山區(qū)存在很多高位危巖地質(zhì)災(zāi)害的高陡山坡， 傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查手段已無法滿足該類地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查需求[1]。 而無人機(jī)攝影測量技術(shù)憑借其非接觸、高精度、高效率的優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域，特別是對于山區(qū)高位危巖地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查， 受到地質(zhì)工作者的喜愛和推廣，為高位地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查技術(shù)提供了新的解決方案。

2 研究區(qū)概況

該危巖帶位于興文縣周家鎮(zhèn)洛浦村3 組高陡崖壁上，地貌類型為構(gòu)造侵蝕、溶蝕中山地貌，整體坡向約165°，地形總體趨勢傾向呈南西向；陡坡上部近于垂直，中下部為崩塌堆積體，坡度為30°～50°；危巖帶頂部高程1 002～1 102 m，底部高程900～1 002 m。 該危巖帶總長約320 m，平均高120 m，危巖平均厚度約15 m，體積約5.7×105m3，屬大型崩塌。 危巖帶出露地層為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）紫紅色薄層-中厚層砂質(zhì)泥巖夾青灰色泥質(zhì)灰?guī)r，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，巖層產(chǎn)狀260°∠8°。

3 無人機(jī)攝影測量技術(shù)

3.1 無人機(jī)設(shè)備參數(shù)

選用1 臺大疆AIR 2S 和1 臺大疆M300 RTK 無人機(jī)進(jìn)行組合作業(yè)，前期采用大疆I AIR 2S 觀測調(diào)查區(qū)高壓線、錄制崩塌體實況和采集全景數(shù)據(jù)，外業(yè)數(shù)據(jù)采集上，采用飛行性能強(qiáng)大的M300 RTK，搭載DJI P1 鏡頭進(jìn)行作業(yè)。航測結(jié)合千尋基站定位信息，定位精度優(yōu)于1 cm。無人機(jī)內(nèi)置厘米級導(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，外業(yè)操作簡便，內(nèi)業(yè)成圖快捷。

該危巖帶屬于典型的高位危巖，危巖單體數(shù)量多、分布范圍廣、地形復(fù)雜、高差大。測量任務(wù)重、時間緊、精度要求高。綜合考慮項目成本等因素， 將該無人機(jī)應(yīng)用到本次危巖精細(xì)化調(diào)查工作中，其參數(shù)見表1。

表1 無人機(jī)及鏡頭參數(shù)

3.2 傾斜攝影測量技術(shù)

傾斜攝影測量技術(shù)通過5 個角度對地面情況進(jìn)行拍攝，獲得三維數(shù)據(jù)， 客觀地再現(xiàn)地物的外觀、 結(jié)構(gòu)以及高度等屬性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)遙感技術(shù)測量的不足，使傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用更為廣泛[2-3]。 其測量的數(shù)據(jù)帶有空間位置信息和各種影像數(shù)據(jù)，同時還可以輸出DSM、DOM、DLG 等數(shù)據(jù)成果，為地質(zhì)災(zāi)害的解譯和提取提供便利。

3.3 無人機(jī)工作流程

3.3.1 確定航測調(diào)查環(huán)境

通過實地踏勘觀察， 危巖測區(qū)范圍內(nèi)植被主要以雜草灌木為主，植被總體較低矮，危巖所處陡崖基巖裸露，附近電線分布稀疏，滿足無人機(jī)對危巖進(jìn)行航測的條件。

3.3.2 航跡規(guī)劃

該危巖山體面積約32 000 m2，測量面積較大，山頂標(biāo)高最高海拔約1 102 m，危巖所在陡崖相對地面高差540 m，因此，根據(jù)航跡規(guī)劃軟件，設(shè)置本次航飛相對高度為600 m，選擇坐標(biāo)系，設(shè)置照片比例尺為1∶2 500，點選8 個邊界點生成測繪區(qū)域；自動規(guī)劃航線，航線為弓字形路線，共7 條航帶，線路航向與山體延伸方向平行；設(shè)置覆蓋度航向80%，旁向70%。 拍攝前需要進(jìn)行像控點的布設(shè)，分別于危巖所在山體下方道路上共布設(shè)3 個控制點， 并采用RTK 進(jìn)行控制點坐標(biāo)的精確測量。

3.3.3 航拍作業(yè)

該危巖總體分布較寬，危巖所在陡崖高差大，選擇的大疆M300RTK 是一種四旋翼智能無人機(jī)，航測按照規(guī)劃航線對危巖數(shù)據(jù)的采集和攝影， 從多個多角度去完成對覆蓋危巖的拍攝，實現(xiàn)精細(xì)化測量的目的。

4 危巖正射影像與傾斜三維模型

根據(jù)無人機(jī)航測數(shù)據(jù)，生成危巖航測區(qū)的正射影像圖，能夠從俯視角度呈現(xiàn)危巖與威脅對象的平面關(guān)系， 同時清晰地反映了危巖、 崩塌堆積體的平面范圍和距離威脅對象的水平距離。

通過航拍影像數(shù)據(jù)處理可生成危巖區(qū)的傾斜三維模型，該模型真實客觀地反映了危巖區(qū)的地形地貌、植被特征、威脅對象等位置關(guān)系。 該傾斜三維模型總體長800 m，寬1 000 m，如圖1 所示。

圖1 危巖傾斜三維模型

5 高位危巖精細(xì)化調(diào)查統(tǒng)計

5.1 高位危巖基本特征的精細(xì)化測量

通過模型處理軟件的測量功能， 在模型上對危巖體進(jìn)行尺寸的量測，可以快速準(zhǔn)確地獲取高位危巖體的長、寬、高、厚度、面積等幾何基本特征參數(shù)，同時還能夠快速計算出危巖體的體積，實現(xiàn)對高位危巖的快速精細(xì)調(diào)查[4-5]。

5.2 高位危巖控制結(jié)構(gòu)面的測量

可通過內(nèi)業(yè)軟件對危巖節(jié)理裂隙的長度、間距、產(chǎn)狀進(jìn)行快速精準(zhǔn)測量， 為高位危巖的結(jié)構(gòu)面測量統(tǒng)計提供快速精準(zhǔn)的解決方案。

5.3 高位危巖典型剖面的快速生成

根據(jù)對危巖結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的測量和統(tǒng)計， 生成結(jié)構(gòu)面赤平投影圖。 根據(jù)圖2 可知，控制危巖穩(wěn)定性的因素主要為3 組節(jié)理，分別為巖層的產(chǎn)狀260°∠8°、與邊坡平行的后緣裂隙133°∠68°，以及節(jié)理①349°∠80°、節(jié)理②227°∠13°。 節(jié)理將巖體切割成塊狀，隨著地震等作用，危巖體將會出現(xiàn)更多的裂隙或崩落。

圖2 火燒巖危巖典型剖面圖

該典型剖面長650 m，相對高差220 m，剖面根據(jù)實景三維模型生成，準(zhǔn)確反映了危巖區(qū)典型的地形特征，具有快速、準(zhǔn)確的特點。

6 結(jié)語

目前，無人機(jī)攝影測量技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查工作中， 無人機(jī)攝影測量技術(shù)和地質(zhì)技術(shù)整合在一起，更加便于調(diào)查與結(jié)果的一體化集成，實現(xiàn)調(diào)查統(tǒng)計的更高效化。 同時，將激光雷達(dá)技術(shù)與無人機(jī)技術(shù)更好地結(jié)合，解決地表植被覆蓋問題， 將對危巖的測量和調(diào)查產(chǎn)生更大的價值。