無人機在滑坡調查中的應用研究

孫 萌，丁占穩，秦 飛

（1.華北水利水電大學 地球科學與工程學院，鄭州 450000；2.河南省地礦建設工程（集團）有限公司，鄭州 450000）

現階段傳統地質災害調查工作存在一些問題：①野外工作效率低。在傳統的野外地質調查中，主要依賴于人工，做不到精細化處理，只能劃分重點區域和一般區域。尤其在許多工作條件艱苦的地區，比如荒漠區、高寒區和無人區等，人工很難采集到地質數據。②采集資料的精度不夠。在野外地質調查中，傳統的技術手段主要包括測量、照相、取樣和描述等，獲取的地質資料精度有限。在環境不適宜的考察點，時間緊張，無法展開精確的地質工作。一般在重點考察點處的資料詳細，精度高，在其他地方獲取的資料精度較低。③傳統地質調查存在一定危險性，許多地區野外地質工作條件艱苦，很多地形十分危險，會對調查者的人身安全造成很大的威脅。

隨著無人機在地質災害調查中的應用，解決了上述的大部分問題，既提高了野外工作的精度和效率，又保障了地質工作者的生命安全。面對應急調查（如鄭州“7·20”特大暴雨、汶川地震等），需要快速對現場進行勘察，此時無人機的優勢就更加明顯。周林輝用無人機采集研究區域的地質點、線、面和體等信息，提高了地質調查的速度和精度。鄭昕提出了一種基于無人機影像和高程數據的地形構造線的確定方法。馬娟等采用無人機技術、地理信息技術和圖像融合技術，實現采集流程全自動化。張晶晶等通過無人機獲取傾斜影像資料，構建了實景三維模型。無人機建模可以產生三維點云、正射影像等多種數據，能更加真實地反映地形地貌。通過無人機獲取的高精度數據，其時效性、真實性和可靠性都能得到保證。

1 滑坡地質概況

1.1 研究背景

新安縣引畛濟澗工程位于河南省洛陽市新安縣境內，自畛河引小浪底庫水經過引水隧洞進入新安縣城南側的澗河。工程任務為新安縣城提供生產、生活用水，充分利用小浪底庫區庫容。滑坡位于小浪底水庫下游畛河右岸。

1.2 地形地貌

滑坡位于洛陽市新安縣引畛濟澗工程畛河右岸進水口附近，在地貌單元上屬低山丘陵區和黃土塬區地形起伏大，溝谷切割強烈，大部分地區被第四系松散系松散地層覆蓋，少部分地區出露基巖地層。

畛河右岸山嶺北高南低，一般山嶺高程250～420 m，溝底高程245～300 m，相對高差60～220 m。畛河河谷較寬，呈對稱“U”型，局部發育階地，河床高程250 m 左右，小浪底水庫非汛期蓄水后，畛河河床多被淹沒于庫水位之下。新安縣引畛濟澗工程進水口距離滑坡區50 m，滑坡位置如圖1 所示。

圖1 滑坡位置

1.3 地層巖性

滑坡區及其附近出露奧陶系、石炭系和二疊系。地層由老到新如下。

1.3.1 古界奧陶系（O）

中統馬家溝組（O2m）：底部為黃色或黃綠色砂礫巖、頁巖及泥灰巖，厚2～20 m，下部為深灰色（表面風化色為灰白色）厚層石灰巖；上部為厚層灰巖夾白云質灰巖及泥灰巖。該巖組厚約74 m，與石炭系本溪組平行不整合接觸，主要出露于澗河南岸。

1.3.2 古生界石炭系（C）

中統本溪組（C2b）：下部巖性主要為雜色頁片狀鐵鋁質泥巖、褐紅色頁片狀鐵質鋁土巖及灰白色鋁土礦層; 上部為灰白色薄層含礫粗粒石英砂巖及雜色頁片狀鋁質泥巖，頂部為灰白色泥巖。該巖組厚約15 m，平行不整合于奧陶系馬家溝組巖層之上，主要出露于畛河南岸。

1.3.3 古生界二疊系（P）

下統山西組（P1s）：底部一般為灰白色厚層粗粒長石石英砂巖（厚3～35 m），有時相變為砂質頁巖、硅質泥巖;其上為鋁土頁巖、炭質頁巖夾細砂巖，區內該巖組厚20～90 m，主要出露于澗河南岸。

下統下石盒子組（P2x）：底部為厚約20 m 的灰白色石英砂巖（局部相變為2 層砂巖夾粉砂質頁巖），其上以泥巖（圖2）為主，夾長石石英砂巖，一般呈黃綠色；主要出露于西北部畛河岸邊。

圖2 泥巖

2 無人機航拍

本文用的無人機型號是DJ1 大疆精靈Phanto 4，如圖3 所示。精靈4 配備1 英寸2000 萬像素影像傳感器，搭載高分辨率多視角航空攝影儀。拍攝時，同步記錄相機拍攝瞬間的姿態角及地理坐標，后期通過航空攝影測量相關軟件對影像數據進行處理，主要經過密集匹配、三角網構建和紋理映射等步驟構建目標區域實景三維模型。DJ1 大疆精靈Phanto 4 技術參數見表1。

表1 DJ1 大疆精靈Phanto 4 技術參數表

圖3 DJ1 大疆精靈Phanto 4

無人機航拍前，要先收集無人機航拍區域內的地形圖等資料，現場考察，其是否滿足航拍要求。惡劣天氣（如大風、下雪、下雨和有霧）時勿飛行，而且要選擇開闊、周圍無高大建筑物的場所作為飛行場地。在航拍過程中，應隨時關注電池電量的情況，預留足夠的電量返航。

無人機航拍步驟如下：①組裝無人機。②開遙控器和無人機的電源。③打開機后將無人機與遙控器連接，然后輸入cors 號，連接RTK。④根據任務要求來規劃無人機的航拍路線。⑤開啟起飛模式。起飛時返航點已經記錄，如果信號受阻，無人機會與遙控器斷開連接，電量充足的情況下，無人機會自動返航。

3 無人機數據處理

無人機的數據處理包括空中三角測量處理和三維數字模型構建2 部分，處理完成后可以獲得正射影像圖和DSM 文件。數字正射影像圖是一種高分辨率、高精度的三維影像圖。正射影像作為一種數字測繪產品，同時具有幾何精度、數學精度和影像特征，信息量大，內容豐富，直觀真實。對于應急調查（突發地震或極端氣候導致的地質災害），可以直接在正射影像圖上計算出滑坡體的總體積（圖4），該滑坡體的總體積約為6.6827×104m3。數字地表模型（Digital Surface Model，縮寫DSM）是指包含了地表所有建筑，以及樹木等高度的地面高程模型。DSM 比DEM 包含的內容更多，包含了除地面以外的其他所有的地表信息的高程。在一些對建筑物高度有需求的領域，得到了很大程度的重視。

圖4 正射影像圖計算滑坡總體積

本文選用的數據處理軟件是Pix4D。①打開軟件，建立文件夾，把無人機數據導入，輸出坐標系選擇CGCS2000。②在處理菜單中設置生成三維網格紋理，在配置中選擇高分辨率，并且勾選OBJ 格式。③因需要的是正射影像圖，所以輸出選擇3D Maps。④處理數據前打開設置把自己電腦的顯卡勾選上啟動顯卡加速，一般的數據是沒問題的。如果不確定數據是否正確或者有像控點，一般只勾選第一步初始化處理，然后點擊確定，點擊開始處理就行。⑤創建完成后地圖視圖里顯示照片位置無錯亂就可以開始處理數據。⑥每完成一步都可以在處理選項下查看質量報告，確定沒問題再點擊下一步，因為精靈RTK 是實時差分，精度比較高。DSM 如圖5所示，部分點（高精度）數據導出見表2。

表2 無人機導出的點（高精度）數據

圖5 DSM

4 三維建模

犀牛軟件全稱為Rhino3D NURBS，是一款功能很強大的三維高級建模軟件，主要功能是三維造型建模、繪制二維圖形，并進行尺寸標注。這款軟件是由美國Robert McNeel 公司在1998 年推出的。犀牛軟件功能強大，可以非常流暢地進行建模。其可以創建、分析和編輯NURBS 曲面、曲線與實體，并在角度、尺寸方面沒有限制。其可以很快地將數據表示成圖形、制圖設計界面、3-D 制圖法設計圖符界面、工作中的透視視窗、無限制的圖形視見區、指定的視區和工具欄界面。

對于地質工作者來說，犀牛建模的基礎文件是投影坐標系下的等高線。三維地表網格生成的流程是線—點云—網格面—地表面。0.5 m 等高線如圖6 所示，點云如圖7 所示，網格面如圖8 所示。三維建模最核心的思想：建立具有分隔內部空間的密閉焊接網格集。善于利用點和線等物件輔助變動工具的操作，往往可以加快建模效率和提供建模準確性和成功率。簡單三維模型如圖9 所示。

圖6 等高線

圖7 點云

圖8 網格面

圖9 簡單三維模型

5 結束語

在地質調查中，使用無人機采集地質數據，不僅提高了地質工作者的工作效率，還提高了獲取的地質數據的精度。正射影像圖是同時具有地圖幾何精度和影像特征的圖像，不僅能直觀真實地反映地形地貌，而且能快速計算出研究體的方量。在犀牛軟件強大的網格建模功能下，由等高線到三維模型的建立變得簡單而又高效。