無人機攝影測量技術在危巖勘查中的應用

羅 崴，黃之巍

（廣西壯族自治區地質調查院，南寧 530023）

[關鍵字] 無人機攝影測量技術；危巖；三維模型；應用

0 引言

無人機技術最早出現并應用于軍事領域，但近年來隨著計算機技術、通信技術、控制技術、3S技術等各種技術迅速發展，無人機技術也取得了巨大的進步，使其應用范圍從單一軍事方面逐漸進入到民用和商用領域[1]。近年來，我國無人機測繪技術開始得到廣泛應用，尤其是在國土監察、農業與林業監控[2]、生態環境保護以及地理測繪等方面起到越來越大的作用[3]。無人機技術在地質勘查運用方面也從理論研究進入了實用化階段[4]，同時在地質災害快速測繪、三維建模、排查評估[5]具有明顯優越性。通過無人機攝影測量技術，構建危巖三維實景模型[6]，從而準確獲取危巖體參數數據，由此，無人機攝影測量技術將以其極大優越性、極強適應能力，在危巖勘查應用中發揮巨大作用。

1 無人機攝影測量技術方法

在地質災害防治工作中，以無人機對危巖進行勘查最為常見。2018年，為進一步完善地質災害信息系統和群測群防網絡體系，全面提升防災減災救災能力，廣西全面啟動縣（市、區）范圍地質災害詳查工作。羅城縣積極響應，成為第一批開展地質災害詳查的縣市之一。

羅城縣位于廣西北部，地勢總體北西高南東低，北面為中山峽谷、低山丘陵地貌，南面以巖溶喀斯特地貌為主，大面積分布著巖溶谷地、丘陵、峰林谷地和峰叢洼地，巖溶區面積1627 km2，約占全縣面積61%。羅城縣境內地層巖性分布較復雜，整體上北西部主要是碎屑巖、變質巖、巖漿巖分布區，南東部主要為碳酸鹽巖分布區。地質構造發育較強烈，主要受北北東—南南西向構造控制與影響。本次羅城縣地質災害詳查共調查到地質災害點228 處，其中危巖99 處、巖崩27 處，兩者占到災害總數55%。危巖為羅城縣最為常見的地質災害類型，主要分布于南面巖溶地貌區，規律明顯，突發性強，致災嚴重。危巖災害在羅城縣地質災害中日益突出，運用無人機新技術對其進行詳細勘查意義重大。本文以羅城縣地質災害詳查項目為依托，以無人機對羅城縣四把鎮白石下危巖點進行勘查為例，介紹了無人機攝影測量技術在危巖勘查中具體應用，為類似條件地區危巖勘查提供參考。

1.1 無人機參數

本次選用某四旋翼測繪級無人機作為航拍無人機，結合千尋基站定位信息，航測定位精度優于1 cm。無人機內置厘米級導航和定位系統，具有支持RTK 和PPK 高性能成像系統，精度達厘米級，外業操作簡便，內業成圖快捷，對于時間緊迫、任務繁重的測量任務，可有效地提高工作效率。羅城縣危巖災害突出，數量多，范圍廣，地形復雜，高差大，測量任務重，時間緊，精度要求高，綜合考慮項目成本等因素，無人機最適合運用到本次危巖勘查工作中，其參數見表1。

表1 無人機參數

1.2 工作流程

1.2.1 周圍環境確定

結合收集到的白石下危巖點的地質資料，開展實地踏勘，觀察危巖體及周圍植被覆蓋情況，確定是否符合航測作業。白石下危巖點位于羅城縣四把鎮白石下屯東北部的山體上，山體的正下方是一個采礦區，采礦造成了上方的山體塌陷，塌陷處上方的山體整體劃分為危巖體，塌陷的山體形成3 條明顯的斷裂（見圖1 中①②③），山體存在崩塌和塌陷的安全隱患。山體東南方向較松散的部位已經有一定規模的崩塌，對東邊新遼屯和西邊的白石下屯造成較大威脅。經前期踏勘，危巖山體植被以雜草灌木為主，植被覆蓋適中，陡崖處基巖大面積裸露，適合使用無人機對危巖進行航測。

1.2.2 航線規劃及像控點布置

根據危巖與周圍環境情況，白石下危巖山體面積約10 000 m2，測量面積較小，山頂標高最高約700 m，相對地面高差300 m，因此，根據大疆自帶的飛行APP，本次飛行相對高度設置為330 m，選擇RTK坐標系，設置照片比例尺1∶2500，點選3個邊界點生成測繪區域，自動規劃航線見圖1，航線為弓字型路線，共7條航帶，線路航向與山體延伸方向垂直，設置覆蓋度航向80%，旁向70%。為獲取精準地面坐標，拍攝前需要進行控制點的布設，分別于白石下、新遼及兩者之間共布設3個控制點（見圖1中K1、K2、K3），并采用RTK進行控制點坐標的精確測量。

1.2.3 航拍作業

由于危巖山體面積較小，危巖與周圍環境高差大，本次采用四旋翼智能無人機根據航線進行危巖數據采集。無人機根據規劃好的航線進行低空攝影，對危巖進行多角度高覆蓋的拍攝。為更豐富地捕捉危巖細節信息，除按規劃航線采集數據外，根據危巖形態和構造特征，還對危巖上的斷裂、巖崩、塌陷、陡崖危巖等地方進行手動的加密航拍（見圖1）。

圖1 白石下危巖點位置及航線規劃圖

1.2.4 數據處理

航拍數據處理主要步驟包括照片質量審核、數據預處理、幾何校正、區域網聯合平差、真正射糾正、三維建模、三維數據生成及多格式輸出等。驗證合格的數據通過無人機處理軟件及點云處理軟件，完成傾斜影像自動空中三角測量、傾斜影像密集匹配和傾斜影像的拼接等。數據處理后可得到正射影像、DSM和真實三維模型。處理好的危巖三維再通過點云軟件和平面制圖軟件的處理，可對危巖結構面、體積等進行量測，獲得危巖所需的測量數據，包括危巖體邊界、結構面產狀、地形圖、剖面圖、危巖體尺寸及體積等。具體流程見圖2。

圖2 無人機攝影及數據處理流程

2 測量結果

2.1 危巖點正射影像圖

根據無人機航測數據處理成果，以危巖體及威脅對象為主體，生成反映危巖周邊環境和受威脅對象的位置且比例尺為1∶2500的垂直正射影像圖（見圖3），能夠完整體現危巖與受威脅對象的關系，其中危巖點與東南部的新遼屯距離最近。為了反映危巖點的臨空狀態及與母巖的分離狀態，根據無人機對危巖點斷裂拍攝測量得到兩張斷裂正射影像圖（圖3）。

圖3 白石下危巖點正射影像圖

2.2 危巖點的DSM

根據無人機航測數據處理成果，生成白石下危巖點及其周邊的DSM（見圖4），通過DSM 的數值可以直觀得到，危巖點所處位置高程大概在550～700 m，東南部的新遼屯所處的地勢位于400～450 m。可以看出從山頂到山體東南的新遼屯高差變化大，危巖點對村莊構成巨大威脅。根據DSM 提取相應的等高線數據，生成等高線差為5 m 等高線圖（見圖4）。根據等高線分布的疏密情況可知，危巖點的坡度較陡，高差變化大，陡坡是誘發危巖地質災害的因素之一。

圖4 白石下危巖點DSM提取等高線圖

2.3 危巖點的三維模型

三維模型圖可用相關的三維視圖軟件打開（見圖5。白石下屯獲取的航測數據比較完整，是在相對高差330 m 處獲取的航拍影像，生成的三維模型質量較高，無明顯的空洞，從三維模型中可以直觀地看出危巖點與威脅對象的空間位置關系，整體的三維模型長度為1500 m，寬度為1460 m。

圖5 白石下危巖點三維模型圖

2.4 危巖點初始崩滑方向剖面圖

運用相關的軟件制作危巖體崩滑方向的剖面圖（見圖6），從剖面圖體現危巖與威脅對象的空間關系，反映危巖與受威脅對象的相對高度、水平距離及地形坡度變化。從剖面圖上獲取危巖點與最近村莊的水平距離約200 m，最大高差是110 m，危巖體所在的山體坡度約為30°。從這些參數可知，危巖體如果發生滑坡崩塌，極易威脅到下方的村莊，而且具有比較大的破壞力。

圖6 白石下危巖點初始崩滑方向剖面圖

2.5 危巖點周邊可見的結構面產狀

根據航拍影像形成的點云數據，運用點云處理軟件對危巖點的坡面、巖層、主要的斷裂等產狀進行測量，結果如下：

（1）邊坡：危巖邊坡坡向為43°、坡度45°。由于此處是塌陷斷面，邊坡測量的數據為危巖點初始滑動方向的坡向和坡度。

（2）巖層產狀：由點云處理軟件測得巖層面產狀為105°∠18°。

（3）斷裂：兩組大的斷裂，斷裂1，產狀為93°∠69°，延伸120～130 m，張開度1.5～10 m，形成明顯的斷裂面；斷裂2，產狀為36°∠72°，延伸200～250 m，張開度4～7.5 m。

2.6 白石下危巖點結構面赤平投影分析

根據結構面產狀測量的結果，通過平面制圖軟件制作出相應的赤平投影圖（見圖7）。由圖7可知，斷裂1 與斷裂2 相交點在邊坡的對側，對巖體的不穩定性貢獻較小，單塊結構體是比較穩定的結構體。但是此處由于地面下沉，整個山頭處于下沉的狀態，為不穩定的邊坡。幾組斷裂形成的錐形體都屬于不穩定的結構體。隨著地面的下沉，山體可能還會出現更多的新的斷裂面和不穩定結構體。

圖7 危巖結構面赤平投影圖

2.7 白石下危巖點體積測量

體積通過截取三維模型上裂隙以及山腳輪廓來確定危巖體的邊界，采用軟件的體積測量工具來量取危巖體的體積。由于白石下危巖點是整個山體的塌陷，在測量時，將塌陷部分的山體一起測量。由此可量取危巖體的體積量為2 580 668 m3。

3 無人機對危巖勘查優勢與局限性

無人機攝影測量技術在危巖勘查中的應用具有顯著優勢：

（1）對已發現危巖勘查更精細化，測量數據更準確，為后期防治提供有力依據。對于高陡危巖，以往勘查手段基本上是用高清相機拍攝，危巖產狀、尺寸等數據多為肉眼估算。而無人機可通過數據采集，建立三維模型，準確得到危巖邊界、結構面產狀、危巖體尺寸及體積等數據，方便快捷。

（2）對潛在危巖排查更精準，提高災害預防有效性。在以往對危巖調查時，因無法直接觀察到潛在的危巖體，而將山高坡陡，植被發育的點作為易發村屯點。而近幾年新發生的巖崩地質災害多出于這些易發村屯點。通過無人機技術，對易發村屯進行全面排查，找出潛在危巖點，獲取相關參數，圈出危巖體威脅范圍，根據危巖特征參數，落實具體防治對策，提高危巖災害治理成效。

（3）有效減少外業工作量，提高安全保障。相比以往需攀爬靠近危巖體測量的方法，無人機技術外業操作簡單，獲取更多參數數據，有效降低高陡邊坡或災害頻發區相關調查人員發生傷亡的概率，極大改善危巖勘查工作條件，保障人員安全。

（4）靈活性強，自動化程度高，可視化監測，安全可靠。采用四旋翼智能無人機進行危巖勘查，起降方便，無需機場或發射裝置，靈活機動。采用飛控系統可按航線自動飛行，電量不足時自動返航。在航空攝影過程中可實時畫面監控，深度可視化。

同時，受科技水平、軟件能力和經濟條件等因素影響，本次無人機攝影測量技術在危巖勘查中應用也存在一些技術難題：①外業數據采集過程中，危巖點周邊山體高度都比較大，高程差較大，以周邊最高的山為基準點設計航線后，會造成正射及三維成果中危巖點偏小，效果較差；②危巖點山體高差比較大，危巖體周圍植被比較多，在三維建模數據處理過程中影像的拼接出現拉花現象，危巖體有時也會變形，造成大三維的山頂出現數據缺失，整體質量下降；③由于植被過于茂盛，造成有些照片無法通過空中三角計算，對正射和三維的完整性造成一定的影響；④由于無人機無法自動避障電線、樹枝等細小物體，無法靠近拍攝，危巖點的裂隙、分離面、懸空面等微細節拍的不夠細；⑤無人機續航時間普遍較短，難以滿足較大范圍危巖勘查，軟件運行對計算機配置要求較高。

可以看出，危巖山體高程差太大，植被過多，對無人機測量結果造成較大的影響，其中植被影響更甚。因此，在今后無人機對危巖勘查應用中，對于山體高程差過大的危巖點，可綜合考慮選擇適合的測量技術方法，提高危巖體測量數據采集的準確性。對于一些植被覆蓋或其他附屬雜物較多的地方，無法保證其測量精度時，還需進行人工補測；也可以選擇帶有雷達測量功能的無人機進行航測，從而盡可能降低植被對測量結果的影響。隨著科學技術不斷進步，通過研發改進，優化升級，多技術融合發展，規范管理，無人機技術在危巖勘查中的應用將取得更顯著成效，體現出更大的應用價值。

4 結語

長期以來，危巖勘查一直是地質災害調查工作的難點。根據無人機攝影測量工作流程，對羅城縣白石下危巖點進行具體應用，通過無人機攝影測量技術，可精準采集危巖體參數數據，生成危巖點正射影像圖、DSM、三維模型等，從而準確地獲取危巖體的尺寸、形狀、巖層產狀、構造特征、主滑方向以及體積等具體參數，為危巖防治提供有力基礎數據?？梢钥闯觯瑹o人機攝影測量技術能很好地解決高陡山體上的危巖地質參數的采集問題，大幅度提升危巖勘查的測量效率和測量精度，有效減少人力、物力以及時間的投入，產生良好效益。今后應用中，應當在保持無人機技術優勢的基礎上，科技創新，突破難題，將無人機技術更廣泛地應用于地質災害調查中，進一步促進地質災害勘查工作信息化、現代化發展。