無人機技術在高陡邊坡地質調查中的應用

李 磊，焦龍進，吳禮浩，權芹鋼

（江蘇省地質礦產(chǎn)局第三地質大隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212001）

在開展諸如地質災害調查、礦山復墾復綠、金屬礦山開采工程、鐵路建設工程和公路建設等大規(guī)模工程的時候，最常見的一種工程結構就是高陡邊坡，這種工程結構也是最常見的風險來源。評價高陡邊坡是否具有穩(wěn)定性的時候需要掌握和描述邊坡的地質條件。在鎮(zhèn)江新區(qū)某高陡邊坡中，復雜的地質工作環(huán)境對于工作人員的長期深入工作產(chǎn)生了一定程度的影響，也在后期的地質探測過程中產(chǎn)生了阻礙的作用。

另外，工程項目在建設的過程中需要在最短的時間之內編錄地質環(huán)境，并且將結果反饋給相關的技術部門。在鎮(zhèn)江新區(qū)某高陡邊坡中的調查現(xiàn)場，存在著很多松動的巖石，為工作人員埋下了很大的安全隱患。所以說，想要突破傳統(tǒng)的巖石結構測量、調查方法，擺脫地質地形條件的約束，就要適當?shù)囊M新的地質調查技術。無人機傾斜攝影測量技術在使用中精度高、效率高，對于被測物體的性質有著較為清晰的還原能力，逐漸被應用于高陡邊坡地質調查中[1]。

1 以立體視覺為基礎重建三維地質模型

傳統(tǒng)的單鏡頭無人機在拍攝的時候存在的弊端還是相當明顯的，它只能在同一個時刻之內獲取一個方向的單張數(shù)字相片，同時還因為小型無人機的實際重量比較輕，所以其所搭載的相機往往都是畫幅比較小的，要嚴格按照一定的順序和時間間隔進行相片拍攝。在本文中進行探討的工作過程是利用同一飛行平臺上搭載的5個鏡頭進行垂直、傾斜等5個角度的拍攝工作。目的是進行多鏡頭、多角度的地形地物的觀察工作，從而對于被觀察的物體形成多角度的清晰圖像，客觀反映地形地物的實際情況，便于后期工作中的具體使用[2]。

在多鏡頭傾斜影像拍攝工作中，與正射影像不同，在配套軟件的使用之下可以更加清晰的對于地質行業(yè)調查中高度、長度、面積、角度等一系列參數(shù)進行精準的分析工作，使得后期工作分析更加精準。在此基礎上的重建三維地質模型工作，以立體視覺為主要的工作基礎，與多鏡頭傾斜影像的有效結合使得相機拍攝部位和目標場景進行清晰的構建工作。具體流程包括三步：

第一，提取特征點。無人機拍攝相片的時候，會出現(xiàn)比較大的畸形，傳統(tǒng)的拍攝技術在提取時以紋理特征和幾何特征為基礎，在使用當中是存在很大難度的，于是采用尺度不發(fā)生變化的特征點提取算法（scale invariant feature transform，SIFT）成為最好的選擇。特征點提取算法具備旋轉、縮放等多種特性，能夠對日光變化和視點的變換形成一定的抗拒力。使用特征點提取算法的主要工作思路是利用無人機航拍圖像空間尺寸的表示方法進行空間尺度圖像的極值點搜索工作，使得被選中的極值點作為圖像的特征點進行后續(xù)的工作[3]。

第二，影像匹配工作。單一的特征點提取算法匹配影響工作速度是相對比較慢的，通過使用無人機傾斜攝影技術進行采集，在采集工作中可以收集到圖像中GPS坐標位置數(shù)據(jù)和IMU所提供的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，作為后期圖像處理工作的最基本的數(shù)據(jù)可以建立其影響之間的拓撲結構，在之后的工作中主要是利用最鄰近方法尋找圖像特征點之間的關系。因此可以形成具有幾何約束性的匹配特征點的集合工作，在空間中篩選的坐標點逐漸構成了被測地區(qū)的三維點云。

第三，運動恢復結構。以照相機成像的基本原理作為依據(jù)，把相片中的相點投射到空間坐標之中，定義誤差函數(shù)是重投影誤差的平方之和，具體目標函數(shù)可以表示為：f（P（Ci，Xj），qij）2。在公式中，Cp={C1，C2，C3……Cn}，表示的是相機參數(shù)。vij在公式中表示的是變量，其基本含義就是空間點Xi在相機Ci中是否可見。字母n所表示的內容是相片綜述，字母m所表示的內容是精匹配特征點的實際個數(shù)，函數(shù)f（P（Ci，Xj），qij）2所表示的含義是相機Ci中點Xj的投影誤差。

第四，采用通用稀疏光束法平差法（sparse bundler adjustmenu）逐步迭代，不斷的將投影點最小化，仔細觀察圖像點所表現(xiàn)出來的重投影誤差，計算出相機最好的位置和場景三維點云坐標。

2 采集現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)和后期數(shù)據(jù)處理工作

本次現(xiàn)場試驗，選取了鎮(zhèn)江新區(qū)某高陡邊坡，使用無人機傾斜攝影測量技術進行三維地質模型數(shù)據(jù)獲取，其大體的工作流程可以分為四步：

第一步，進行現(xiàn)場勘查：沿著被勘測現(xiàn)場區(qū)域大體了解區(qū)域邊坡走向，這里以采石場為主，地勢坑洼不平，積水較多，且有兩個比較大的蓄水石坑，在此地步行艱難，通過人工測量面臨的任務是十分艱巨的。

第二步，規(guī)劃拍攝航線：在規(guī)劃拍攝航線的時候在地面控制軟件中進行，航向的重疊率控制在80%，旁向的重疊率也控制在65%，根據(jù)地形的特點和拍攝質量要求，將無人機飛行高度控制在150米的航高，總航線長度為1765米，飛行時間約為8分鐘，將整個采石場的邊坡予以覆蓋。

第三步，開展飛行作業(yè)：在本次試驗中，使用的是一架多旋翼加載5鏡頭的無人機開展飛行作業(yè)，使用無人機自動飛行模式，根據(jù)已經(jīng)設定好的無人機航線開始全自動飛行并拍照，將被測區(qū)域的實際情況進行航拍，獲取相片。

第四步，處理拍攝數(shù)據(jù)：按照規(guī)定的數(shù)據(jù)處理流程整理獲取的照片，根據(jù)他整點提取的算法提取每張照片的特征點，搭建相片拓撲關系。通過使用運動恢復結構算法和多視立體視覺算法匹配特征點對拍攝的照片進行綜合處理。計算點云數(shù)據(jù)的三維坐標所參照的多為無人機所承載的GPS傳感器在測量過程中所形成的空間三維坐標系，也就是在測量工作中通常使用的WGS84大地坐標系。由此可見，這些點云信息幾乎是包含了所有的巖體結構的外部集合特征，能夠識別和提取點云數(shù)據(jù)建設而成的虛擬巖體結構面。

圖1 鎮(zhèn)江新區(qū)某高陡邊坡稠密點云

3 三維地質建模、數(shù)據(jù)提取

業(yè)內一般采用Context Capture軟件對勘測數(shù)據(jù)進行運算處理，按照“空三計算、聯(lián)合約束平差、瓦片分割、三維重建、成果輸出”作業(yè)流程完成實景模型成果輸出。在評估平面精度工作時，所用到的公式為三個：

在公式中，RMSX和RMSY所表示的內容分別是在X坐標方向和Y坐標方向上的均方根誤差，而Xobs和Yobs所表示的內容分別是在不同的檢查點在X坐標方向和Y坐標方向上的坐標殘差值。Xmean和Ymean所表示的內容是在X坐標方向和Y坐標方向上檢查點的坐標殘差均值。RMSXY所表示的內容是在XY平面上的均方根誤差，N為檢查點點數(shù)。

圖2 鎮(zhèn)江新區(qū)某高陡邊坡三維建模圖

通過對鎮(zhèn)江新區(qū)某高陡邊坡三維建模圖的結果來看，三維地質模型能夠較為全面的將高陡邊坡結構面的幾何出露形態(tài)真實的反應出來。其中三維建模不僅能夠比較明顯真實的反映出了高陡邊坡結構面產(chǎn)狀，還能直觀的獲取高陡邊坡的高度、長度、面積、角度、坡度等數(shù)據(jù)，為該地區(qū)下一步地質調查、礦山復墾復綠、高陡邊坡地質災害設計提供了豐碩的基礎資料和有益參考。

4 結語

以研究鎮(zhèn)江新區(qū)某高陡邊坡為立足點，探索無人機技術在高陡邊坡地質調查中的應用是本次論文討論的重點內容，在討論過程中，也提出了在應用無人機傾斜攝影測量技術在測量、調查巖體結構面產(chǎn)狀的一般應用方式，并對相關的分析數(shù)據(jù)的流程進行總結，在使用無人機測量的時候，要與立體視覺三維重建算法相結合，并且配合有多鏡頭的小型無人機，能夠對被勘測地形具有良好的適應能力，能夠在比較復雜的地形條件下完成高陡邊坡的攝影測量及調查任務，并且結果能夠具備比較高的實用價值。