傾斜攝影實景三維技術在道路邊坡生態修復中的應用

席春芳，許 哲

（佰信藍圖（山西）科技有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

山西南太行區域，承載著得天獨厚的太行文化旅游資源和優勢，自然景觀風貌優質，生態系統功能完善。更好挖掘旅游資源，發展全域旅游，實現交通旅游融合發展，建設太行一號旅游公路，實現“城景通、景景通”的暢游網絡是時代發展的需求，也是人們不斷追求美好生活的迫切愿望。太行一號國家風景道陵川段支線，作為太行一號旅游公路新建路段之一，在建設過程中造成部分山體損毀，植被破壞，加之暴雨侵蝕，沿線形成多處地質災害點位。采用先進技術手段探明損毀范圍及程度，是當前迫切之舉，制定科學有效生態修復措施，是長久之治。

傾斜攝影實景三維技術，對“三生”空間，實現了真實、有序、多維反映，通過高密度采集、人機交互、物聯感知，實現了數字世界和真實空間高度關聯，形成了統一的空間架構和數據基礎，是面向未來提供新型數字服務、高端地理信息服務、稀缺生態產品服務的新技術、新途徑。

在自然資源領域，實景三維技術可實現多階段、多場景、多尺度的應用，針對不同使用階段、使用場景、使用尺度，可根據需要實現數據提取、分析、分類以及不同情景下的應用。

本研究在場地尺度上，以太行一號國家風景道陵川段支線王莽嶺至馬武寨段為研究對象，利用傾斜攝影技術形成的具有高精度、高信息屬性的數字正射影像圖（DOM），精準獲取地災損毀區范圍；利用數字高程模型（DEM）制作地災損毀區數字地貌，對損毀區坡度、坡向、地勢起伏有更直觀地認識；而數字線化地圖（DLG）集合空間信息和屬性信息，是開展地災治理和生態修復工程設計的底圖，用于建設規劃、工程施工、項目驗收各個階段。

1 研究區概況

1.1 區位情況

研究區位于太行山南端絕頂，為太行一號國家風景道陵川段支線，東起王莽嶺西至馬武寨，道路長度約25 km。此段位于王莽嶺景區內，處于景區的核心位置邊緣，道路以外山體植被景觀優美，自然風光奇秀，項目起點高程1278.0 m，終點高程1296.0 m，相對高差18.0 m。區位情況如圖1 所示。

圖1 研究區區位圖

線路走廊帶內按巖層組合及地貌特征劃分4 個地貌單元，分別為侵蝕、剝蝕基巖低中山區、河谷沖積窄谷區、黃土覆蓋基巖低中山區和山間基巖窄谷區。

1.2 數據來源及用途

研究區所需基礎資料獲取渠道包括研究區資料收集、工程地質調查、測繪及室內試驗等，取得研究區基本信息及野外勘查成果，目的是查明研究區土地利用、地形地貌、地層巖性、地質構造、地震、水文地質以及巖溶、滑坡、崩塌、砂土液化等不良物理地質現象［1］。具體如表1 所示。

表1 研究區數據來源及用途表

1.3 技術路線

充分利用傾斜攝影實景三維技術及其地理信息產品（DOM、DEM、DLG），高效精準確定研究區損毀點位，并在工程實施后，實現生態修復效果可視化，制定技術路線，如圖2 所示。

圖2 傾斜攝影技術應用技術路線圖

2 研究區生態問題

2.1 傾斜攝影數據采集

以研究區2020 年遙感影像為基礎，結合研究區地質災害監測數據，初步判斷研究區發生生態系統損傷的區域，以此確定無人機航飛區域。在此基礎上確定設計航高，規劃航飛線路、野外布設像控點，之后開展無人機傾斜攝影外業工作，獲取航飛影像和像控點數據等外業成果。對影像成果進行加工預處理后，使用ContextCapture軟件進行內業空中三角測量，刺點平差［2］，最后形成區域的實景三維模型。

在實景三維模型上仔細判讀地物，準確繪出定位點或地物外輪廓線，過程中不遺漏，不變形移位，并賦予地物相應的要素代碼，獲得二維矢量數據。相比于傳統攝影測量只能獲取垂直俯視視角，傾斜攝影測量獲取的多角度地物信息更加直觀立體，紋理更加豐富，地物判讀更加準確快速；而相較外業實地測量，省去了大量人力成本，同時避免了地質環境中的危險因素，作業效率更高。

無人機選用大疆精靈4RTK，搭載2000 萬像素的相機，像元大小為2.41 μm，焦距為8.8 mm，云臺可調節的角度為-90°～30°［3］，獲取1 個垂直視角、4個傾斜視角共5 個視角航拍影像，可以滿足傾斜攝影測量基本要求。根據研究地災損毀分布點位及地形特色，共劃分7 個航飛區域。航線規劃設計選用DJI GS Pro 軟件，無人機的航向重疊率和旁向重疊率均設置為80%，設計相對航高90 m［4］。

2.2 傾斜攝影數據處理

獲取研究區的像控點及航拍影像等外業數據獲取后，進行預處理調整影像亮度、對比度、飽和度，然后進行空中三角測量運算，刺加像控點進行平差處理，生產實景三維模型、數字表面模型（DSM）、數字正射影像圖（DOM）等地理信息產品，其中實景三維模型地面分辨率為3 cm，正射影像圖（DOM）地面分辨率為5 cm。

數據提取：根據研究區生態保護和修復這一特定需求，確定擬進行實景三維建設的范圍、地理實體類型，在三維模型DOM 和DEM 基礎上，提取相關地理要素信息（地形、河流水系、居民地、獨立地物、道路交通、土質植被等），制作各類要素三維地理實體及二維平面數字線劃圖（DLG）。

2.3 損毀點位確定

通過對傾斜攝影形成地理信息產品（DEM、DOM、DLG）所提取的數據進行分析，得出太行一號國家風景道陵川段支線王莽嶺至馬武寨段沿線共有7 個點位（9 個創坡）山體損毀嚴重，是本次生態修復重點區域。創面總面積為1.41 hm2，涉及馬武寨、諸神觀村、東廟華村、榆樹溝村4 個行政村，具體點位分布如圖3 所示。

圖3 研究區生態損毀點位分布圖

2.4 生態問題梳理

對7 個點位進行現場踏勘及地質采樣，梳理研究區存在的生態問題。研究區建設過程中均為露天施工，此過程不可避免會破壞下墊面植被、土壤，改變原始地形地貌，影響區域自然景觀效果，造成嚴重的水土流失［5］。形成的生態問題主要包括以下3 個方面：

1）地質災害加劇。2020 年7 月降雨量較往年明顯增多，導致太行一號國家風景道陵川段支線王莽嶺至馬武寨段問題集中暴露：滑坡、崩塌等地災隱患；水土流失、創面破損、巖層滲水等不同程度的生態問題。

2）地貌景觀破壞。建設過程中由于表土剝離、廢土石渣堆積、地下水疏干等問題，造成山體表土嚴重破壞，大片植被毀損，并產生一系列與邊坡破壞活動密切相關的次生地質災害［6］。

3）土地資源浪費。毀壞地面樹木和草地等附著物，破壞土地資源。另外，邊坡開采剝離的廢土、廢石排放，建筑碎石加工產生的廢渣排放及碎石加工場地、成品料場、礦山工業場地等還占用了大量土地資源，使土地失去了原有功能，造成土地資源浪費。

針對以上生態問題，統籌考慮研究區內道路以外山體生態環境整體保護、道路邊坡地質災害防治系統修復、道路邊坡生態環境綜合治理。

3 生態修復方案

按照研究區不同點位生態問題情況，擬定有針對性的工程修復方案。制定的生態修復方案技術路線如圖4 所示。

圖4 生態修復方案技術路線圖

3.1 擬定治理效果

1）消除地質災害隱患：通過地災治理，可治理9處邊坡坍塌，投影面積約21.3 hm2，損毀創面邊坡危巖、峭壁、亂石得到有效而科學的處置；合理設計排水系統，有效地解決降水侵蝕和排泄問題，保障了修復山體的安全。

2）恢復山體植被：對邊坡及上邊坡開展生態修復，建設種植槽約1963 m，栽植爬藤植物，改善坡面植被覆蓋情況。種植的喬灌草形成立體植被結構，可以較全面地恢復道路沿線地區的森林-灌木-草本植被的生態功能。

3）改善生態環境質量：遵循“山水林田湖草生命共同體”理念，通過喬灌草立體種植等多要素多工法的技術集成，改善研究區范圍生態環境面貌，消除巖石外露、植被稀疏退化現象，恢復研究區自然景觀。

3.2 制定生態修復措施

3.2.1 地災治理措施

根據7 個點位、9 個邊坡的不同損毀情況，運用修整坡面、SNS 防護網、錨桿框架梁、漿砌塊石護面墻、排水、攔水帶等不同工程措施的有效組合，修復地災損毀點位。

1）在1 號點位設置一、二兩級邊坡漿砌塊石護面墻，一級邊坡護面墻地面以上墻高12 m，二級邊坡護面墻地面以上墻高10 m，在墻頂邊坡出露位置種植綠植。

2）2 號點位選用修整坡面+錨桿框架梁+漿砌塊石護面墻+排水+攔水帶的治理方式。在2 號邊坡底部灰巖處設置漿砌塊石護面墻，地面以上墻高2.5 m；在護面墻高度處設置馬道，馬道處設置排水溝，防止坡面受到沖刷，對邊坡坡面進行修整，使用錨桿框架梁進行護面，框架梁中預留存土位置，為后期的生態修復做準備；在邊坡坡頂設置攔水帶。

3）3 號點位左側發生局部掉塊，右側下部巖體軟弱，左側選用掛主動防護網的支護方式，右側選擇素混凝土護面墻+主動防護網的支護方式，素混凝土護面墻離地面以上墻高6 m。

4）4 號點位有發生整體滑動可能，選擇預應力錨索+主動防護網+素混凝土護面墻的支護方式。地面以上墻高5 m，墻背垂直，緊貼巖體；墻身設置排水管，保證水體排泄。

5）5-1 號點位有發生順層滑動可能，選擇素混凝土護面墻+預應力錨索+主動防護網+截水溝的支護方式。素混凝土護面墻地面以上墻高6 m，墻背垂直，緊貼巖體；墻身設置排水管，保證水體排泄；在坡頂設置截水溝，攔截坡體雨水。

5-2 號點位整體穩定性較高，選用錨桿框架梁+素混凝土護面墻+排水溝的治理方式。底部灰巖處設置漿砌塊石護面墻地面以上墻高6 m，墻背垂直，緊貼巖體；在護面墻高度處設置馬道，馬道處設置排水溝，防止坡面受到沖刷；對邊坡進行坡面修整，使用錨桿框架進行防護，框架梁中預留存土位置，為后期的生態修復做準備。

6）6 號點位目前頂部灰巖懸空，有發生墜落式崩塌可能，選擇清除危巖+削坡+主動防護網+漿砌塊石護面墻+截排水溝的支護方式。邊坡底部泥頁巖區設置三級邊坡，在原有漿砌塊石護面墻基礎上新建2 級素混凝土護面墻，二級坡護面墻墻高5.5 m，三級坡護面墻墻高4 m，緊貼巖體，以防止暴雨沖刷導致巖體流失破壞；墻身設置排水管，保證水體排泄，在坡頂設置截水溝，防止雨水沖刷。

7）7-1 號點位整體穩定性良好，選用錨桿框架梁+素混凝土護面墻+排水溝的治理方式。底部白云巖處素混凝土護面墻地面以上墻高5 m，緊貼巖體；在護面墻高度處設置馬道，馬道處設置排水溝，防止坡面受到沖刷；對坡面進行修整，在二級邊坡上和三級邊坡處使用錨桿框架進行防護，框架梁中預留存土位置，為后期的生態修復做準備。

7-2 號點位頂部灰巖可能發生單平面滑動，選用錨桿框架梁+素混凝土護面墻+預應力錨索+主動防護網+截排水溝的治理方式。底部白云巖處設置素混凝土護面墻地面以上墻高5 m，緊貼巖體；在護面墻高度處設置馬道，馬道處設置排水溝，對坡面進行修整，在二級邊坡處使用錨桿框架進行防護，框架梁中預留存土位置，為后期的生態修復做準備；在邊坡中部設置馬道，馬道處設置排水溝，進行削坡，在三級邊坡處設置預應力錨索+SNS 主動防護網，在坡頂設置截水溝，防止雨水沖刷。

3.2.2 生態恢復措施

對9 處重點點位治理區域采取種植槽換土栽植方式進行坡面綠化，在漿砌塊石護面墻上下修筑種植槽，栽植爬山虎、迎春、扶芳藤、月季等植被；在主動防護網坡腳修筑種植槽，栽植爬山虎、迎春、扶芳藤、月季等植被，改善道路景觀。

3.3 疊加三維模型

使用DP-Modeler 和3dsMax 軟件聯合整飾實景三維模型。使用DP-Modeler 對初始三維模型（傾斜攝影數據采集階段形成）進行補洞、刪除碎片等初步修飾處理，根據修復措施，劃分不同整飾區域，在DP-Modeler 中采用不同整飾方法，主要有3 種：

1）修整坡面區域采用直接拉伸移動模型的方法；

2）植被綠化、安裝防護網等區域采用紋理貼圖替換方法；

3）整平需要進行工程建設的區域，預留出工程單體模型位置。

同時在3dsMax 軟件中，根據工程設計圖信息，進行三維建模、紋理映射，生成單體化工程模型。最后在DP-Modeler 中將修飾后的實景三維模型和工程單體模型融合，導出融合生態修復方案的最終模型。

3.4 掛接監測平臺

實景三維模型與感知設備、數據處理、綜合預警等技術耦合，直觀展示監測預警系統的多項功能，包括項目信息展示、實時監測數據處理及展示、警告信息等。通過在線監測邊坡體的地表位移、內部位移、地下水位、降雨量等信息，對邊坡體進行長期、穩定、不間斷監測，守護邊坡安全。

4 結語

本文以太行一號國家風景道陵川段支線邊坡生態修復為例，建立了研究區生態修復的實景三維模型，通過傾斜攝影測量獲取的多角度地物信息，更加直觀立體，紋理更加豐富，地物判讀更加準確快速，且省去了大量人力成本，并避免了地質環境中的危險因素，實現高效作業。后期疊加工程設計效果，豐富了生態修復效果的表達形式。在后期管理階段，嵌入監測數據，將安全預警情況以三維可視化形式進行展示，提高管理人員對監測預警判斷的準確度。