無人機三維建模在邊坡地質調查中的應用

李俊

（廣東省建科建筑設計院有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

在大型的工程建設中，隨著工程項目的推進，場地的施工開挖，邊坡逐漸形成。在工程施工現場，邊坡是一種常見的工程結構，也是引發地質災害的主要安全隱患[1]。因此，為了有效的治理邊坡的滑坡災害，對邊坡的地質構造、高差及坡率等數據資料進行調查成為一項必不可少的工作。然而，由于邊坡現場復雜的地形條件，尤其是高陡型邊坡和高危邊坡無法近距離直接測量，傳統的地形測量手段（如全站儀、RTK測量）難以實施，地質調查人員無法獲取邊坡巖體結構面的分布位置，難以精確描述邊坡體的演化狀態，極大的增加了邊坡調查的難度。如何在不受地形影響的條件下快速調查邊坡的周邊環境和巖土體結構，已經成為邊坡地質調查中的一項難點。無人機低空攝影測量技術以其對起降場地要求低、數據獲取速度快、數據可視化效果好等特點，逐漸被應用于邊坡地質調查與巡檢工作中[2-4]。

1 無人機地質調查技術流程

根據邊坡地質調查需要，在無人機航拍前應進行測區踏勘、已有測量資料收集、確定項目飛行區域，然后在已有資料的基礎上對測區的無人機航線進行規劃設計和像控點布設。航攝作業階段應根據已設計的飛行區域及目標分辨率，設置合適的飛行高度和影像重疊度，進行航拍獲取影像數據并采集像控點坐標數據。數據采集工作完成后即可導入ContextCapture軟件進行空中三角測量及特征點云匹配，生成邊坡的三維模型。最后，基于三維數據對邊坡體進行遙感解譯和量測，獲取各巖土體結構的空間屬性數據進行量化分析。綜上所述，無人機邊坡地質調查的整體流程可簡要劃分為航測數據獲取、數據建模以及遙感解譯、邊坡穩定性分析4個階段。

2 研究區及無人機數據處理

2.1 研究區概況

本次研究區域位于清遠市職教城區，屬低矮丘陵地貌單元，處于沖積平原邊緣，地形起伏較大，現狀條件為經濟林、山地等。邊坡調查范圍內地形起伏較大，邊坡高程在38.99~115.99m之間，相對高差77.0m。場地內的邊坡主要是人工開挖整平后形成，總長約為350m，邊坡現狀為人工開挖的分級邊坡，寬約1.8~2.0m，坡頂標高介于92.00～115.99m，坡底標高介于 37.46～41.75m，走向北西，傾向北東，傾角為 60°～80°，局部近直立。

2.2 影像獲取

本次航拍工作選用的無人機為大疆精靈4PRO四旋翼無人機，攜帶FC6310數碼相機鏡頭，飛行區域總面積為1.2km2，覆蓋了整個邊坡和周邊建筑區域。進行航線規劃時，考慮到地形起伏較大，山體部分植被茂密，為了保證后期數據處理時不出現航攝漏洞，航向重疊度設置為85%，旁向重疊度設置為75%，總航線長度為5628m，飛行時間約12min。為保證三維模型紋理清晰，根據地形特點，相對航高設置為170m。本次無人機航拍，共獲得了106幅數字影像，其影像分辨率達到了4.7cm。

2.3 數據預處理

獲得邊坡航拍影像數據后，為保證三維立體模型成果的精度，在空中三角測量處理之前，首先需要對航攝影像進行預處理。將同一項目的所有原始影像放入同一文件夾內，并剔除不合格影像，然后對曝光不足或過度的影像進行勻光勻色和色彩增強，根據相機畸變參數對影像進行畸變矯正。最后整理機載定位定向系統（position orientation system，POS）的數據及像控點數據，將兩者統一至同一坐標系統下。

2.4 三維實景模型的建立

無人機影像數據預處理完成后，再借助ContextCapture軟件進行三維實景模型的建立，建模流程如下：

（1）添加照片。選擇本項目文件夾下的所有無人機航拍影像，或者將照片單獨放在一個文件夾，添加整個文件夾。

（2）導入照片POS數據及像片控制點數據，并完成像控點的刺點工作。

（3）建立密集點云。通過光束法平差迭代計算得到影像的精確外方位元素，恢復其空間位置，構成立體像對，利用多視影像密集匹配技術，識別出鄰近影像間的同名點，生成項目區地物的稠密點云。

（4）生成網格。根據稠密點云構建不規則三角網，生成無紋理網格模型。

（5）映射紋理，建立模型。通過計算得到的空間地物點與影像之間的投影關系，可得到最優投影影像，將影像紋理根據數學映射關系反投影到模型的三角面上，完成三維模型的紋理映射，生成邊坡三維模型，見圖1。

圖1 邊坡三維模型

3 邊坡解譯與穩定性評價

3.1 定性分析

綜合分析現場調查及遙感解譯三維模型的數據可知，場地現狀邊坡為人工邊坡，此類人工邊坡變形破壞機制為：由于人工切坡形成臨空面，破壞了原來的應力平衡，臨空面一側由于失去支擋，應力重新分布，從而產生卸荷作用，形成卸荷帶；加上坡體本身裂隙結構面和潛在軟弱面影響，破壞了坡體的完整性。由于邊坡局部裂隙發育，在降雨引發下，導致坡體強度降低，自重增加，邊坡局部被裂隙切割成“棱形”或“楔形”的巖塊，局部發生崩塌、滑移、掉塊等現象。

3.2 定量分析

影響邊坡穩定性的因素一般可分為內在因素和外在因素，內在因素包括：地層巖性、地質結構、地下水及地形地貌等；外在因素包括：人類工程活動、地震、降雨等。結合本次地質調查的情況進行分析，此處影響邊坡穩定性的主要因素是人類工程活動（場地平整），降雨。邊坡的穩定性計算可依據《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）[5]的相關規定，運用赤平投影法進行計算。

結合無人機航攝輔助現場地質調查顯示：該處山體自然斜坡坡度約34°，整體坡向315°。受人工開挖邊坡影響，邊坡已出露新鮮基巖面，植被覆蓋稀少，設置有防護網作坡面防護，開挖邊坡坡寬約300m，坡高最高69.3m，傾向334°，傾角54°，整體為巖質邊坡。野外調查期間，該區域在中部坡腳可見巖石裸露，巖性為中風化石灰巖，巖石節理裂隙較發育，見3組清晰且據代表性節理，L1：4°∠34°，2.5條/m，裂隙面較光滑平直；L2：242°∠63°，2.5 條/m，裂隙面較光滑平直；L3：125°∠18°，1.0 條/m，裂隙面較光滑平直。

從該點節理裂隙赤平極射投影，見圖2，L2節理裂隙面與坡面近似正交，構成斜坡面，L1、L3兩組節理裂隙面與坡面斜交。

圖2 邊坡節理裂隙產狀赤平投影

從節理裂隙面組合情況看，L1-L2組裂隙交線投影（傾向318°，傾角25°）、L2-L3 組裂隙交線投影（傾向 160°，傾角 15°）、L1-L3 組裂隙交線投影（傾向76°，傾角12°）與坡面近乎斜交，巖石分離塊體沿裂隙組合面滑移的空間小，邊坡目前處于基本穩定狀態。但若邊坡未采取支護措施，在暴雨或震動條件下，松散巖塊有可能風化剝蝕而滾落，從而引發巖石崩塌地質災害。

4 結論

無人機航測技術克服了傳統地形測量的方法受場地條件影響大的困難，在邊坡地質調查中具有較大的靈活性，可適應各種邊坡地形條件，有效降低了地質調查成本和減低了人員安全風險。無人機三維模型不僅具有良好的可視化效果，能充分的反映邊坡的整體形態和各結構面的幾何出露形態，同時模型的定位精度也能較好地滿足對邊坡進行量化分析的要求，具有廣闊的應用前景。