多種測(cè)繪方法在張家界天門(mén)洞崩塌地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用研究

李力宏 歐陽(yáng)紅軍

摘??要：以張家界市天門(mén)洞國(guó)家5A級(jí)景點(diǎn)的崩塌地質(zhì)災(zāi)害為研究案例，利用不同測(cè)量技術(shù)快速獲取研究區(qū)多角度影像數(shù)據(jù)，通過(guò)Context?Capture軟件構(gòu)建不同格式實(shí)景三維模型，同時(shí)運(yùn)用CloudCompare、Trimble?realworks?viewer等軟件，對(duì)災(zāi)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別分析和信息提取，進(jìn)而完成研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與評(píng)估和地質(zhì)災(zāi)害勘查任務(wù)。多種測(cè)繪方法的應(yīng)用研究為解決高位和特高危巖體的分析識(shí)別工作提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞：崩塌地質(zhì)災(zāi)害?危巖勘查?架站式三維激光掃描儀?貼近攝影測(cè)量?實(shí)景三維模型?實(shí)景點(diǎn)云模型

中圖分類(lèi)號(hào)：P694

Research?on?the?Application?of?Various?Surveying?and?Mapping?Methods?in?the?Geological?Hazard?of?Tianmen?Cave?Collapse?in?Zhangjiajie

LI?Lihong??OUYANG?Hongjun*

Hunan?Provincial?Geological?Disaster?Survey?and?Monitoring?Institute，Changsha，Hunan?Province，410004?China

Abstract：This?article?takes?the?geological?disaster?of?the?collapse?of?the?Tianmen?Cave，?a?National?5A?scenic?spot，?in?Zhangjiajie?City?as?a?research?case，?uses?different?measurement?techniques?to?quickly?obtain?the?multi-angle?image?data?of?the?research?area，?and?constructs?the?real?3D?models?of?different?formats?by?Context?Capture?software.?At?the?same?time，?it?uses?software?such?as?CloudCompare?and?Trimble?realworks?viewer?to?identify?and?analyze?the?hidden?risks?of?geological?disasters?in?the?disaster?area?and?extract?information，?so?as?to?complete?the?tasks?of?geological?hazard?investigation?and?assessment，?as?well?as?geological?hazard?exploration?in?the?research?area.?The?application?research?of?various?surveying?and?mapping?methods?provides?a?new?idea?for?solving?the?analysis?and?identification?of?high-level?and?extra-high?dangerous?rock?masses.

Key?Words：Geological?hazards?of?collapse；Dangerous?rock?exploration；Stand-up?3D?laser?scanner；?Proximity?photogrammetry；Real?3D?model；Real?point?cloud?model

崩塌是陡坡上巖土體在重力作用下脫離母體發(fā)生崩落、滾動(dòng)、堆積在坡腳或溝谷的一種地質(zhì)現(xiàn)象。具有發(fā)生時(shí)間不確定、崩落速度極快、主要沿垂直方向墜落等特點(diǎn)，可在短時(shí)間內(nèi)造成大傷害[1]。崩塌地質(zhì)災(zāi)害勘查工作的核心任務(wù)是獲取危巖體的特征參數(shù)、評(píng)價(jià)危巖體的穩(wěn)定性、預(yù)測(cè)危巖體的發(fā)展趨勢(shì)，提出可行的防治建議[2]。對(duì)于低位危巖勘查，尚可以利用地面調(diào)查、地球物理勘探、鉆探、山地工程和取樣試驗(yàn)等勘查手段。高位崩塌因具有發(fā)育位置高、斜坡坡度陡、距離地面高差大等特點(diǎn)，靠人工進(jìn)行地面調(diào)查難度大，且容易存在調(diào)查盲區(qū)，以往常規(guī)勘查方法難以達(dá)到理想的勘查效果。

1?概況

天門(mén)洞景點(diǎn)是國(guó)家5A級(jí)旅游景區(qū)-張家界市天門(mén)山景區(qū)標(biāo)志性地質(zhì)遺跡景觀。2022年8月20日凌晨發(fā)生了約600?m?的特高位（相對(duì)高度大于100?m）崩塌，崩塌巖體為洞頂附近斷層充填方解石脈。為查明天門(mén)洞洞內(nèi)及洞口附近危巖體的分布，分析其穩(wěn)定性，本次除了采用地面調(diào)查進(jìn)行驗(yàn)證外，首先搜集并采用地面全站儀（萊卡T02）和RTK進(jìn)行了1∶1?000、1∶500和1∶200地形測(cè)量，采用無(wú)棱鏡測(cè)繪技術(shù)對(duì)洞壁臺(tái)階與洞頂進(jìn)行了裂縫和危巖體測(cè)繪；采用專(zhuān)業(yè)攝影師長(zhǎng)焦高清攝影，利用大疆精靈?4?RTK無(wú)人機(jī)搭載睿鉑DG?3傾斜攝影測(cè)量影像資料第一次建立三維實(shí)景模型，為天門(mén)洞崩塌地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估工作提供了依據(jù)；在應(yīng)急勘查階段，利用不同測(cè)量技術(shù)快速獲取研究區(qū)多角度影像數(shù)據(jù)，通過(guò)Context?Capture軟件構(gòu)建不同格式實(shí)景三維模型結(jié)合，同時(shí)運(yùn)用CloudCompare、Trimble?realworks?viewer等軟件構(gòu)建三維點(diǎn)云模型，精確化了地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估階段發(fā)現(xiàn)的6處危巖體，新增兩處危巖體。在室內(nèi)模型分析過(guò)程中，地面調(diào)查、長(zhǎng)焦超清攝影、三維激光掃描、正射和傾斜攝影測(cè)量無(wú)法克服洞內(nèi)臺(tái)階和溶洞內(nèi)部盲區(qū)（黑洞、空洞）的等現(xiàn)象；在詳細(xì)勘查階段，為解決前期問(wèn)題，采用M300RTK搭載賽爾五鏡頭傾斜相機(jī)、M300RTK搭載大疆禪思P1相機(jī)、大疆御3無(wú)人航攝系統(tǒng)結(jié)合華星A10RTK布置像控點(diǎn)，進(jìn)行了貼近飛行攝影測(cè)量，建立了高精度的三維實(shí)景模型、三維點(diǎn)云模型。

2?可采用的測(cè)繪方法

2.1常規(guī)地形測(cè)繪

常規(guī)的地形測(cè)繪方法通常采用全站儀配合測(cè)圖軟件進(jìn)行，按照布設(shè)控制網(wǎng)→布設(shè)圖根控制點(diǎn)→控制點(diǎn)上安置儀器測(cè)繪的程序進(jìn)行地形圖測(cè)繪。全站儀要求測(cè)站與碎部點(diǎn)間通視，受視距限制，工作效率不高。GPS-RTK技術(shù)開(kāi)發(fā)后，以其定位技術(shù)具有精度高、速度快、施測(cè)靈活、點(diǎn)間不必通視等優(yōu)點(diǎn)受到了快速推廣和運(yùn)用[3]。

本次采用徠卡TS02系列結(jié)合華星A10RTK，測(cè)繪并編制了比例尺為1∶1?000和1∶500工作區(qū)平面圖，洞內(nèi)及洞口采用比例尺為1∶200無(wú)棱鏡測(cè)繪技術(shù)對(duì)洞壁與洞頂進(jìn)行了裂縫和危巖體測(cè)繪。

2.2常規(guī)無(wú)人機(jī)航攝測(cè)量

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的成熟，無(wú)人機(jī)搭載攝像頭的無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用到工程測(cè)繪中。其技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)日顯突出，測(cè)繪工作效率與精度得到顯著提升[4]。專(zhuān)業(yè)攝影測(cè)量無(wú)人機(jī)主要有固定翼無(wú)人機(jī)和大型多旋翼無(wú)人機(jī)；單體地質(zhì)災(zāi)害或小區(qū)域地形測(cè)量常常采用小型四旋翼無(wú)人機(jī)。隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的不斷成熟，結(jié)合地面攝影補(bǔ)充，經(jīng)過(guò)紋理完善和修復(fù)，實(shí)景三維模型更加精細(xì)。

本研究先后采用大疆精靈4RTK無(wú)人機(jī)搭載睿鉑DG3和千尋X1無(wú)人機(jī)搭載SONYILCE-6000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，實(shí)現(xiàn)較高精度的實(shí)景三維信息獲取，通過(guò)實(shí)景三維影像信息較精確識(shí)別、提取地質(zhì)災(zāi)害隱患信息，為地質(zhì)災(zāi)害隱患識(shí)別與分析提供支持。無(wú)人機(jī)航攝測(cè)量建模時(shí)，因拍攝的照片重疊度、像控點(diǎn)的準(zhǔn)確度不夠，在數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，存在信息缺失的問(wèn)題，模型易出現(xiàn)扭曲變形、紋理不清晰等現(xiàn)象[5-6]。本研究采用了多次建模和手動(dòng)處理，建立了精度達(dá)到部件級(jí)三維實(shí)景模型。并對(duì)崩塌前的三維實(shí)景模型和崩塌后建立的三維實(shí)景模型進(jìn)行了對(duì)比（如圖1所示）分析。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：崩塌前的三維實(shí)景模型，洞內(nèi)采用了較高精度的貼近攝影測(cè)量，三維模型進(jìn)行了紋理修復(fù)，達(dá)到部件級(jí)；崩塌后建立的三維實(shí)景模型，精度稍差，未進(jìn)行紋理修復(fù)，達(dá)到城市級(jí)；利用貼近攝影測(cè)量建立的三維實(shí)景模型經(jīng)過(guò)勻光勻色和紋理修復(fù)處理，具有最高的精度和清晰度（精細(xì)級(jí)）。

2.3架站式三維激光掃描

架站式三維激光掃描是目前較尖端的測(cè)繪儀器。這些更加先進(jìn)的儀器和技術(shù)手段的應(yīng)用，解決了測(cè)量山區(qū)復(fù)雜地形中精度無(wú)法保證、效率難以提高的問(wèn)題，因其每個(gè)測(cè)站可采集體量龐大的矢量數(shù)據(jù)，有效測(cè)距可大于600?m，目前架站式三維激光掃描儀得到了普遍應(yīng)用。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，這些手段的應(yīng)用，為測(cè)量人員的人身安全提供了有力保障[7]。

在應(yīng)急勘查階段，我們結(jié)合飛馬D2000-OP3000和千尋X1無(wú)人機(jī)傾斜攝影，天寶SX10、X7等架站式三維激光掃描儀掃描，飛馬SLAM100手持式掃描，飛馬D20-LIDAR22和飛馬D2000-LIDAR2000無(wú)人機(jī)載激光系統(tǒng)飛行掃描等手段，構(gòu)建了實(shí)景三維模型和三維點(diǎn)云模型。在此基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)景三維模型和三維點(diǎn)云模型進(jìn)行了分析，結(jié)合地面調(diào)查、地面全站儀測(cè)量，精確化了地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估階段發(fā)現(xiàn)的6處危巖體，并結(jié)合模型新增2處危巖體。雖然通過(guò)架站式三維激光掃描儀等手段建立了三維點(diǎn)云模型（點(diǎn)云數(shù)據(jù)充分，精度可達(dá)毫米級(jí)），但洞高超過(guò)百米，洞壁直立、臺(tái)階多級(jí)，仍無(wú)法克服洞內(nèi)臺(tái)階和溶洞內(nèi)部盲區(qū)（黑洞、空洞）的等現(xiàn)象（如圖2所示）。

2.4貼近攝影測(cè)量

高位崩塌具有地面高差大、突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，難以對(duì)其做出準(zhǔn)確的預(yù)警預(yù)報(bào)，因此開(kāi)展高位崩塌早期識(shí)別對(duì)防災(zāi)減災(zāi)意義重大。依靠人工對(duì)高位崩塌進(jìn)行實(shí)地調(diào)查難度大、效率低，容易存在調(diào)查盲區(qū)，現(xiàn)有調(diào)查技術(shù)手段難以有效獲取巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、節(jié)理組合特征和裂隙幾何特征等關(guān)鍵參數(shù)[8]。貼近攝影測(cè)量是將貼近攝影測(cè)量高分辨率和“多角度”探測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于高位崩塌早期識(shí)別，基于貼近攝影測(cè)量技術(shù)能夠識(shí)別巖體亞厘米級(jí)裂縫，尤其適用于高位和特高位崩塌調(diào)查和早期識(shí)別工作[8]。張家界地貌（武陵源等景區(qū)）中的砂巖地貌，各石柱、石墻、方山等相對(duì)高差300?m以上的比比皆是，張家界天門(mén)山、七星山等景區(qū)的懸崖峭壁高差200～500?m的景觀隨處可見(jiàn)。應(yīng)用貼近攝影測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖壁、洞頂?shù)葞r體對(duì)象表面超高清分辨率影像的高效快速采集，并進(jìn)行攝影測(cè)量處理，恢復(fù)被攝對(duì)象的精確坐標(biāo)，正是山區(qū)地質(zhì)調(diào)查所需要的測(cè)繪手段。在無(wú)人機(jī)航攝時(shí)，洞內(nèi)信號(hào)的缺失、航線受阻等困難區(qū)域，采取手控補(bǔ)拍，獲取覆蓋拍攝對(duì)象的亞厘米級(jí)甚至毫米級(jí)超高分辨率影像，通過(guò)攝影測(cè)量處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精細(xì)化三維重建[9]。

在工程詳細(xì)勘查階段，為解決前期遺留問(wèn)題，采用M300RTK+賽爾五鏡頭傾斜相機(jī)、M300RTK+大疆禪思P1相機(jī)、大疆御3無(wú)人航攝系統(tǒng)結(jié)合華星A10RTK布置像控點(diǎn)，進(jìn)行了貼近飛行攝影測(cè)量（如圖3所示）。此階段，在水平距離不到100?m的天門(mén)洞內(nèi)和洞口完成了超過(guò)5萬(wàn)張高清照片，建立了高精度的三維實(shí)景模型、三維點(diǎn)云模型。

3?幾種數(shù)據(jù)采集方法對(duì)比

3.1長(zhǎng)焦高清攝影

優(yōu)點(diǎn)是能夠從視覺(jué)上認(rèn)清崩塌部位遺留痕跡，能給地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)估做參考，缺點(diǎn)是需要現(xiàn)場(chǎng)控制（像控點(diǎn)）。通常不能用來(lái)建立精確度高的三維模型，數(shù)據(jù)提取不便。國(guó)內(nèi)采用的影像窗口調(diào)查方法[10]需要按現(xiàn)場(chǎng)控制－數(shù)字?jǐn)z影－坐標(biāo)解譯－產(chǎn)狀計(jì)算這一思路進(jìn)行分析，對(duì)高位和超高位危巖，無(wú)法標(biāo)示像控點(diǎn)，故而定量分析困難。

3.2架站式三維激光掃描

優(yōu)點(diǎn)是能快速建立大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建精細(xì)三維實(shí)景模型（毫米級(jí)）。通過(guò)模型能夠定量分析，結(jié)合CloudCompare、Trimble?realworks?viewer、ContextCapture?Viewer、大勢(shì)智慧等軟件，都能獲取工程地質(zhì)參數(shù)（長(zhǎng)度、面積、體積、節(jié)理產(chǎn)狀等），給危巖體識(shí)別和分析工作提供便利。缺點(diǎn)是架站式三維激光掃描因架站位置受限，對(duì)高位特別是特高位危巖體內(nèi)部的節(jié)理、空洞、裂縫等查詢存在盲區(qū)。

3.3貼近飛行攝影

貼近飛行攝影能獲得比長(zhǎng)焦鏡頭拍攝的相片更高分辨率的相片，解決架站式三維激光掃描難以克服的盲區(qū)和空洞現(xiàn)象，查清高位和特高位危巖體的裂縫等細(xì)節(jié)，建立的三維實(shí)景模型和三維點(diǎn)云模型細(xì)節(jié)真實(shí)、分辨率高，結(jié)合CloudCompare、Trimble?realworks?viewer、ContextCapture?Viewer、大勢(shì)智慧等軟件，都能獲取更加精確的工程地質(zhì)參數(shù)（長(zhǎng)度、面積、體積、節(jié)理產(chǎn)狀等），通過(guò)模型分析的數(shù)據(jù)后期提供給崩塌分析軟件進(jìn)行穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析，給地質(zhì)災(zāi)害勘查工作提供最大便利。

上述三種三維點(diǎn)云模型在同一部位的影像的截圖進(jìn)行對(duì)比（如圖4所示），在清晰度上，貼近攝影測(cè)量三維點(diǎn)云模型＞長(zhǎng)焦高清攝影＞三維激光掃描模型。

4?成果應(yīng)用分析對(duì)比

4.1?地形圖

無(wú)棱鏡測(cè)繪數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)化為DXF格式導(dǎo)入到三維點(diǎn)云模型（las格式）中使用。在三維點(diǎn)云模型建立以后，用處不大。

三維實(shí)景模型，主要使用obj和osgb格式，Dasviewer瀏覽軟件支持文件夾格式導(dǎo)入，用于瀏覽，可以用于地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急室內(nèi)分析指揮、調(diào)度，確定應(yīng)急路線，量測(cè)距離、周長(zhǎng)、面積，體積等。

4.2?三維點(diǎn)云模型

las格式為通用格式，瀏覽軟件推薦用Trimble?realworks?viewer。該軟件功能相對(duì)較強(qiáng)大，除可量測(cè)距離、周長(zhǎng)、面積，體積外，能夠以剪切盒的模式瀏覽隱蔽部位，對(duì)墜落時(shí)崩塌危巖體可直接確定垂直墜落位置和路徑（如圖5所示）；利用CloudCompare軟件和compass插件可分析識(shí)別和圈定危巖、描繪和量測(cè)裂縫、量測(cè)結(jié)構(gòu)面尺寸、產(chǎn)狀（如圖5所示），能自動(dòng)生成節(jié)理極射赤平投影圖；可以導(dǎo)入DXF格式的文件，在空間上進(jìn)行定位。通過(guò)三維點(diǎn)云模型，在CloudCompare軟件中進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，極大方便了巖土工程師的工作。

三維實(shí)景模型的建立和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，國(guó)內(nèi)外有相關(guān)方面的研究和應(yīng)用，如借助大疆智圖、Agisoft?Photoscan?等三維實(shí)景建模軟件和?Geomagic?Studio、ContextCapture?Center?Master、CloudCompare強(qiáng)大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理功能]；利用重建大師軟件融合傾斜影像和貼近攝影立面影像二次或多次建模，生成精細(xì)化的三維模型成果等[11-12]。將成果轉(zhuǎn)化為FLAC3D可識(shí)別的文件格式進(jìn)行計(jì)算分析，為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)支撐。

5?結(jié)語(yǔ)

基于多種測(cè)繪手段特別是后期利用貼近攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)張家界天門(mén)洞高位和特高位崩塌開(kāi)展識(shí)別工作，取得了較好的應(yīng)用效果，可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

（1）常規(guī)測(cè)量手段在高位和特高位危巖體的運(yùn)用受限，對(duì)洞室的測(cè)繪更是難以奏效；而貼近攝影測(cè)量技術(shù)是針對(duì)精細(xì)化測(cè)量需求提出的一種全新技術(shù)，因其高分辨率和多角度觀測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可近距離探測(cè)觀測(cè)對(duì)象，識(shí)別巖體亞厘米級(jí)和毫米級(jí)各類(lèi)結(jié)構(gòu)面細(xì)節(jié)，可滿足高位危巖體和洞頂與洞壁的細(xì)節(jié)分析的工作需要。

（2）利用不同測(cè)量技術(shù)快速獲取研究區(qū)多角度影像數(shù)據(jù)，通過(guò)?Context?Capture?軟件構(gòu)建不同格式實(shí)景三維模型，基于實(shí)景三維模型對(duì)研究區(qū)已發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害或者將要發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的隱患風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行識(shí)別分析、災(zāi)害信息提取，運(yùn)用CloudCompare、Trimble?realworks?viewer等軟件輔助地質(zhì)工作者完成高位危巖體的勘查，結(jié)果表明是可行的。

（3）利用三維點(diǎn)云模型，運(yùn)用適當(dāng)軟件定量獲取巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀更簡(jiǎn)便和快捷，更為方便的是選用適當(dāng)?shù)能浖ㄈ鏑loudCompare的Compass插件）進(jìn)行智能識(shí)別和自動(dòng)標(biāo)注。利用軟件還可進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和編制赤平投影圖、節(jié)理玫瑰圖。

（4）通過(guò)多種測(cè)繪方法的使用，結(jié)合各類(lèi)測(cè)繪軟件、三維點(diǎn)云和三維巖土軟件的運(yùn)用，可定量分析邊坡穩(wěn)定性，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，為解決高位危巖體的勘查提供了一項(xiàng)新思路。

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