無人機傾斜攝影三維全景技術在地質災害調查中的應用

鄧念東 代育朝

（西安科技大學地質與環境學院，陜西 西安710045）

在陜北府谷- 神木地區，地形地貌復雜多變，黃土梁峁溝壑發育，縱橫交錯，人跡罕至的地方交通困難，地質災害發育強烈，黃土高原由于溝多壑深，在進行地質災害調查時，傳統的調查手段難以及時的、有效的、全面的了解地質災害的分布及發育狀況，再加上區域地勢險要，黃土疏松，裸露基巖風化剝蝕嚴重，人工調查具有一定的危險性；故而，對于長距離、大跨度、工期短的多災點線狀工程，在野外進行地質災害調查方面急需引進新的調查技術。

近年來，隨著無人機傾斜攝影測量技術的迅速發展，其在各行各業均得到了廣泛的應用，并取得良好的應用成果，隨著技術的更新迭代，其應用的領域更加的廣闊；目前無人機傾斜攝影技術已經在城市規劃建設、災害防治、國土資源調查等領域進行了應用，并取得的一定的成果；朱海斌[1]等把無人機傾斜攝影技術應用于煤炭露天剝挖礦區的精準測量中，結果表明可以利用無人機傾斜攝影技術進行露天礦測繪數據采集工作，產生的數據成果能夠在露天礦生產中得到有效的利用；管建軍,王俊豪[2]等，驗證了無人機傾斜攝影開展黃土地區泥石流災害調查與評價是可行的，獲取的信息比地面調查數據更科學合理；陳昕[3]把無人機傾斜攝影技術運用于城市建筑規劃竣工測繪中，通過實際生產驗證了其有效性與適應性；彭大雷，許強[4]等把無人機低空攝影測量技術應用于黃土滑坡調查中，結果表明在區域滑坡及單體滑坡調查中可以很好的認識其空間分布規律和發育特征；黃海峰,易武[4]等引入小型無人機遙感的滑坡應急治理勘查設計方法，結果表明，在滑坡應急治理工程勘查設計中引入小型無人機遙感技術，既能大大減輕現場工作時間、強度和風險，也可顯著提升工作效率和成果精度，還能豐富勘查設計過程及成果的形象直觀表達，可以實現滑坡勘查設計目標。

現階段，無人機傾斜攝影測量技術在地質災害調查領域多應用于單體災害，在長距離、多災點的線路工程中應用較少，故本文以無人機傾斜攝影技術為依托，運用傾斜攝影的三維全景技術，對陜北神府地區黃土梁峁溝壑區域的地質災害發育特征進行了調查研究，獲得了整個線路的全景圖，總結了災害的分布特征及發育規律，再結合地面野外調查數據對比調整，對后續工程的可行性研究及工程設計提供了有力的技術參考，明確了無人機傾斜攝影測量技術在長距離、多災點的線狀工程調查中應用的可行性。

1 傾斜攝影的三維全景圖制作

全景圖原理：

360°全景圖，即為模擬人眼觀看四周360°全方位視角的一種以點看面的三維影像全景視覺技術；其實現過程為通過拍攝360°的全方位圖片，用軟件拼接起來后，形成一張2:1 的全景圖，然后通過專業軟件觀看或上傳至網絡上可在線瀏覽，給人一種身臨其境第一視角觀感，任何人都可以通過自己的雙手或鼠標控制觀看視角的方位，恰似親臨現場觀看一樣；全景圖制作流程見圖1。

圖1 全景圖制作流程圖

1.1 影像采集

本文全景制作采用的是PTgui 軟件，數據采集設備采用的是大疆悟2 無人機，鏡頭像素2400 萬，無人機采集影像資料簡單方便，不受地形控制，可大范圍廣視角的采集影像資料。拍攝過程中在一個點的同一水平面分別采用平視、斜視及下視拍攝方法每一個拍攝角度連續旋轉360°拍攝照片，每個視角拍攝的照片重疊1/4，總計拍三圈，拍攝時每張照片左右重疊1/3 拍攝，每個拍攝角度重疊1/3（詳見圖2）。

圖2 無人機拍攝角度示意圖

1.2 數據處理

用PTgui 軟件對所采集的影像數據進行識別、分類、排序、矯正，并對其模糊的照片進行剔除，對影像資料特征進行分析，為后續控制點的生成做準備。

1.3 同點匹配

數據分析后，進行同點匹配，軟件根據相鄰照片重疊區域的影像像素特征在每張照片上生成僅限于相鄰照片之間共同的控制點（同點），控制點越多，后期融合效果及精度越好，若軟件未能對個別相鄰照片生成控制點，后期可以手動添加控制點。

1.4 疊加融合

生成控制點后，軟件對相鄰照片重疊的部位進行疊加，對重疊區域不同照片的明暗進行自動優化融合，分選出每張照片的重疊區域，形成一個個疊瓦碎片，然后把所有疊瓦碎片拼接起來，使得相鄰瓦片銜接處過渡清晰平滑，所有疊瓦碎片連接在一起即可生成長寬2：1 的全景圖。

1.5 全景制作及發布

在對所有照片處理分析、控制點匹配及調整融合后，即可提交生成2:1 的全景影像圖片，由于拍攝過程中頭頂天空為無人機拍攝的視野盲區，在全景圖生成后，可用其他軟件（Photoshop 等）對天空進行補漏，在對天空補漏后，用專業軟件瀏覽或上傳至網絡上在線瀏覽。

2 工程應用

2.1 工程實例簡介

本次研究項目依托榆林市黃河東線馬鎮引水工程，調查區域橫跨陜西省榆林市神木市及榆陽區，總計長度約125km，引水工程采用管道隧洞模式鋪設，所經過區域神木地段地質環境條件情況復雜多變，沿線溝谷發育，地質災害發育程度強烈，由于溝寬谷深，傳統人工調查方式時間長、成本高、危險大，本次調查引入無人機全景影技術，極大的縮減了調查時間，基本摸清了沿線災害發育規律及發育程度。

本次調查采大疆悟2 無人機，其具有體積小、質量輕、操控簡便、起降要求低、轉場靈活等特點，其自身攜帶的GPS 及紅外距離傳感器可實時讀取當前位置的與地面的相對高度以及地理坐標，調查人員可實時記錄災點的位置及高度等信息，通過實時影像確認災點災害發育情況，把人工調查的危險性降到了最低。無人機主要技術參數見表1。

表1 大疆悟2 主要技術指標

2.2 災點分析評估

根據擬建輸水管線的擬建標高及區域地形地質圖初步確定了露出地表的管線可能遭受地質災害影響的地段，并根據衛圖解譯擬定了擬建工程的重點調查區域。

通過野外調查及室內成圖解譯分析，可清晰地了解到調查點節理裂隙是否發育、是否局部已發生崩塌、裸露基巖風化程度從而判定災害的規模、發育程度、威脅對象、危害程度以及危險性。

本次評估主要以災害的發育程度、威脅對象、危害程度作為評估指標，最終對擬建工程可能受到各種災害的危險性進行預測評估，如表2 所示。

表2 擬建工程預測評估表

3 結論

3.1 地質災害調查中引入無人機傾斜攝影技術，方便快捷，準確全面，極大地降低了調查的成本，保證了作業人員的人身安全。

3.2 地質災害調查中全景圖的引入可以方便后期災害治理設計時設計人員全方位的了解災點的規模大小以及發育規律，對室內專家論證分析提供準確的視角參考。