王 明 李麗慧 廖小輝 黃北秀 王學良 陳子干楊福華 劉建立

( ①中國科學院地質與地球物理研究所，中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室 北京 100029)

( ②中國科學院地球科學研究院 北京 100029)

( ③中國科學院大學地球與行星科學學院 北京 100049)

( ④衢州學院建筑工程學院 衢州 324000)

( ⑤浙江省神仙居旅游集團有限公司 臺州 317300)

( ⑥南京林業(yè)大學土木工程學院 南京 210037)

( ⑦北京京巖工程有限公司 北京 100028)

0 引 言

地質災害的發(fā)生是地質體演化到一定階段的必然產物。地質災害的防治，實質上是通過人工的手段使已處于不平衡或臨界平衡狀態(tài)的地質體重新回到一種新的平衡狀態(tài)( 黃潤秋等，1999) 。由于經濟的快速發(fā)展，對奇峰峻嶺等復雜地貌的旅游開發(fā)以及大規(guī)模的工程建設和資源開發(fā)使得高陡邊坡的崩塌災害頻繁發(fā)生。然而對于高陡邊坡以及高位危巖，因無法近距離接觸，危巖體尺寸及巖體結構面的分布和發(fā)育等物性特征難以精確獲取，從而對地質體的演化狀態(tài)無法精確把握，具有極高的危害性，也大大地增加了治理難度( 劉昌軍等，2012; 陳宙翔等，2019) 。為了有效治理高陡邊坡崩塌災害，地質勘察和巖體穩(wěn)定性評估工作非常必要，但是對高陡邊坡的勘察和地質地形信息的獲取一直屬于工程難題，從地質－力學角度出發(fā)的穩(wěn)定性評估也需要建立相應的物理力學模型并輔以模擬計算分析( 黃潤秋等，2002; 鄧小龍等，2017) 。對于高陡邊坡而言，有效而精確的地形數(shù)據(jù)更是難以獲取。

對于復雜地形的高陡邊坡而言，傳統(tǒng)的地形、邊坡測量以及結構面信息獲取手段如羅盤、全站儀等因其操作難度大、精度低，已經不再適用。近年來，由于信息技術不斷發(fā)展，三維激光掃描技術、近景攝影技術、無人機遙感測繪技術等一系列新興手段被應用在邊坡測量中。其中三維激光掃描技術以其激光測距原理，可以對高陡邊坡等復雜地質體表面幾何形狀的點云數(shù)據(jù)進行快速獲取( 鄧小龍等，2017) ，受到了許多研究人員的青睞。如使用三維激光掃描儀對高陡邊坡進行地質調查及危巖體的識別( 董秀軍等，2006; 劉昌軍等，2012; 黃江等，2013; 江顏等，2013) ，邊坡變形監(jiān)測( 李秋等，2006; 劉文龍等，2009; 徐進軍等，2010) 等均有著良好的應用。但是由于三維激光掃描儀造價高昂，并且測量過程中需要進行測站選擇以及儀器固定等特性，致使三維激光掃描只適用于淺部巖體結構的調查測繪( 董秀軍等，2006; 董秀軍，2007; 鄧小龍等，2017) ，對于過高的陡峭山體或復雜邊坡以及大范圍的復雜地形則有一定的局限性。無人機遙感測繪技術利用GPS 差分定位技術以及無人駕駛飛行器技術、遙測通訊技術等，能夠實現(xiàn)自動快速的獲取所測區(qū)域的空間遙感信息( 王新，2010; 張涵，2014) 。通過無人機搭載鏡頭進行近景攝影，具有小巧靈活、機動性強、成本低且能獲取高精度遙感影像等特點，是在不同環(huán)境條件下進行傳統(tǒng)野外測繪和標準空中測量的有效替代方案( Colomina et al.，2014; Manconi et al.，2019) 。基于無人機遙感測繪技術或近景傾斜攝影技術并結合多種圖像處理軟件和三維建模軟件可以用來進行地質調查和巖體結構面特征識別及信息獲取( 劉海洋等，2017; 孫娟娟等，2017; 張騫棋，2018; 趙明宇等，2018; 陳宙翔等，2019) ; 進行邊坡監(jiān)測( Lin et al.，2016) ; 實現(xiàn)坡面精細模型的建立( Manconi et al.，2019) ; 運用SfM-MVS 算法，生成復雜地質體完整、致密的三維點云，對復雜地質體自動提取表面形貌( Westoby et al.，2012; Brunier et al.，2016; Ferreira et al.，2017) ;許志華等( 2016) 結合DTM 三角網差值法對礦山工程量進行計算; 孫娟娟等( 2017) ，劉海洋等( 2017) ，陳宙翔等( 2019) 還將無人機航攝與數(shù)值模擬軟件Rockfall 結合對危巖體崩塌運動過程進行預測分析。無人機航測結合地形制圖軟件還可以進行大比例尺地形圖的繪制( 王華俊等，2017; 李天，2019; 楊智翔等，2019; 周光耀等，2019; 周小杰等，2019) 。對人力所不能及的高陡/直立邊坡以及復雜地形區(qū)域，往往缺少地形資料，選用無人機航測可以有效的解決這個問題。

如何對復雜地形的高陡/直立邊坡進行快速測量獲取地形地質信息，如何高效的建立復雜地形的高陡/直立邊坡三維精細模型，這對于復雜地形的高陡/直立邊坡以及復雜地質體的研究有著重要意義，將極大地促進我們對于復雜地形的高陡/直立邊坡及復雜地質體地質地形資料的快速獲得以及對于災害演化過程的再現(xiàn)。已有研究者通過三維激光掃描技術對復雜地質體的三維數(shù)值建模進行了良好的嘗試( 鄧小龍等，2017) ，作者在總結前人對高陡邊坡地質災害及復雜地質體建模分析研究的基礎上，以浙江省仙居縣神仙居景區(qū)內一高陡近乎直立的復雜邊坡為例，致力于尋求一種快速便捷的地形測量技術和三維精細建模技術并應用于FLAC3D進行巖體穩(wěn)定性分析的方法。

1 快速地形測量技術

近年來，隨著航空航拍測量技術的飛速發(fā)展，低空無人機由于其小巧靈活，機動性強，維護成本低，可以獲取高分辨率影像，對區(qū)域范圍及一些有著特殊地形地勢的地點在信息獲取方面有很大優(yōu)勢而被許多研究者采用( 蔡舒翔，2016) 。當然無人機也有其相應的缺點，在無人機飛行過程中由于各種因素如風力、降雨以及信號接收等問題，易導致飛行過程中飛機姿態(tài)不穩(wěn)定，致使航攝影像存在畸變、旋片角大等現(xiàn)象( 周小杰等，2019) ?；谝陨蠁栴}，使用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件對無人機航攝數(shù)據(jù)進行處理時，會導致工作量大、工作周期長等問題，影響工作進度。由Agisoft 公司出品的Photoscan 軟件根據(jù)多視圖三維重建技術，可以任意選取照片的拍攝位置，不需要設置初始值及相機檢校，基于影像自動生成高質量三維實景模型。該軟件配合上無人機航攝極大地加快了地形測量和地質調查的工作效率。

1.1 無人機航空攝影航線設計

為了獲取復雜地形地貌區(qū)域的精細的地形地質信息，我們可以充分利用無人機的形體小巧、機動性強的特點，設計合理的航線進行航攝。為了確保建模精確度可以考慮采用以下兩種拍攝方法: ( 1) 按設計的合理的無人機航線對目標區(qū)域進行航行拍照，但要注意需保證照片重疊度，航向重疊度也即同一航線相鄰照片之間的重疊度應大于60%，旁向重疊度也即相鄰兩條航線之間照片的重疊度應大于30%，重疊度越高，相應建模精度也越高。( 2) 采用興趣點環(huán)繞拍攝的方法，針對目標區(qū)域設計合理航線拍攝4K 視頻，再利用“Free Video to JPG Converter”軟件，也可采用其他相關的從視頻中提取照片的軟件，根據(jù)實際精度要求，從視頻中按幀數(shù)提取照片。

實際上第1 種方案按設計航線攝取照片比第2種方案拍攝視頻并從視頻中按幀數(shù)截取照片精度更高，但相應的需要較好的操作水平以及耗費時間也更多，而視頻拍攝則較為簡單快捷并且清晰度也足夠滿足要求。拍攝完之后，選擇多個具有明顯特征的位置，采用GPS、RTK 等工具測量并記錄其位置及高程信息，以便于對后期生成的點云數(shù)據(jù)的位置及高程信息進行校正。當然也可在航拍前預先設置好多個易識別的標靶，并測量標靶的坐標信息。另外，如果拍攝目標較大或較復雜，單條航線單個角度拍攝無法獲取所有細節(jié)，為使模型更加精細準確，可以采取設計多條航線以多個拍攝角度進行航攝，最后多條航線航攝照片進行結合處理。

1.2 建立三維仿真實景模型

通過無人機按設計航線獲取目標區(qū)域的高精度航空影像后，再借助Photoscan 軟件進行三維實景模型的建立，建模流程如下:

( 1) 添加照片。工作流程里選添加照片將無人機航攝得到的照片添加進去，或者照片單獨放在一個文件夾，添加整個文件夾。如果采用的多航線多角度拍攝，照片量太大，一起進行后續(xù)運算對電腦配置要求較高，耗時較長，可以分多個區(qū)塊進行處理，不同航線不同角度放在一個區(qū)塊，保證相同區(qū)塊也即相同航線的航攝影像有著一定的航向和旁向重合度，最后再進行區(qū)塊結合，成為一個更加精細的整體。

( 2) 對齊照片。進行相機標定和影像排列，并重建疏點云; 精度從最低到最高有5 個選項，如果對模型精度有極高的要求，可以選到最高，但解算流程較費時間，且對電腦配置要求較高，質量越高解算時間呈幾何倍數(shù)增長，因此建議選中等精度; 成對預選禁用; 關鍵點限制選默認值40 000; 連接點限制選默認值4000; 另外勾選Adaptive camera model fitting 選項; 最后確認進行運算。疏點云建立后，可對疏點云進行修剪，刪去不必要或者多余的邊角區(qū)域，選取所需范圍進行建模，提高運算效率。

( 3) 建立密集點云。質量選擇如上一步的精度選擇，可以根據(jù)需要自行選擇; 深度過濾選禁用，保證模型細節(jié)準確度。

( 4) 生成網格。表面類型選任意，因為是復雜模型，包含多種不同類型點; 源數(shù)據(jù)選密集點云; 面數(shù)可根據(jù)需要選擇; 高級設置選用默認值。

( 5) 生成紋理，模型建立。選通用映射模式，默認混合模式，勾選Enable hole filling。計算完成后，三維仿真模型建立完成，還可導出正射影像及DEM模型。

模型生成后，可以將之前選取的特征點和控制點的測量數(shù)據(jù)導入并校正，形成真實坐標的三維模型。

1.3 地形圖快速生成

以上我們可以通過Photoscan 三維重構得到精細的密集點云數(shù)據(jù)，作者基于Geomagic Studio 強大的點云處理功能對密集點云進行修理，再使用南方CASS 軟件提取修正后的點云高程數(shù)據(jù)，利用其地形制圖功能快速生成地形圖。具體流程如下:

1.3.1 從Photoscan 中導出點云數(shù)據(jù)

將通過Photoscan 三維重構得到的密集點云以XYZ Point Cloud( * .txt) 格式導出，并用Geomagic Studio 打開，導入點云時可以選擇保持全部數(shù)據(jù)進行采樣，或者從1%～100%選擇特定的采樣比率進行采樣選擇，具體可依據(jù)精度要求以及電腦解算速度而定。

1.3.2 將點云數(shù)據(jù)導入Geomagic Studio 中進行修整

點云封裝，封裝之后，可以清晰的看到模型表面的特征。在等高線繪制過程中植被茂密區(qū)域及人工構筑物會使等高線繪制存在較大誤差，因此我們可以在Geomagic Studio 中對植被及構筑物區(qū)域的點云進行修整，減少植被及構筑物等對高程的影響，提高地質體高程信息的準確度以及模型的精細程度，使得高程信息更加接近實際。修理完畢后，再將封裝模型轉化為點云數(shù)據(jù)，另存為AutoCAD 可打開的* .dxf 格式的DXF 文件。

1.3.3 在南方CASS 中生成地形圖

將* .dxf 格式文件在南方CASS 中打開，由于點云數(shù)據(jù)中包含有高程等坐標信息，將南方CASS 中數(shù)據(jù)點導出為無編碼高程點，通過高程點數(shù)據(jù)建立DTM 并繪制三角網，再生成等高線并進行圖面整飾，加入原有的地物特征、比例尺及圖例等形成完整的地形圖件，建模流程見圖1。

2 三維數(shù)值建模方法

圖1 快速地形測量及三維數(shù)值建模流程Fig. 1 Rapid topographic measurement and 3D numerical modeling flow diagram

以上基于無人機能快速獲取高精度遙感影像的基礎上，借助Photoscan 的多視圖三維重建技術可以獲取目標的密集點云，結合Geomagic Studio 強大的點云處理及曲面建模功能，我們可以建立該復雜陡峭邊坡的三維數(shù)值模型并應用于FLAC3D進行坡體穩(wěn)定性分析。

具體流程如下: 在無人機獲取影像，Photoscan重建密集點云，以及Geomagic Studio 點云修整之后，以Geomagic Studio 強大的曲面建模功能生成CAD 閉合曲面封裝模型。Geomagic Studio 曲面建模步驟如下: ①點云數(shù)據(jù)封裝重建三角網格曲面; ②網格醫(yī)生修復多邊形網格缺陷; ③對三角網格進行精確曲面片編輯處理; ④模型參數(shù)化曲面分片處理; ⑤柵格化并擬合成CAD 模型; ⑥保存為Hypermesh 可以讀取的* .igs 數(shù)據(jù)格式。CAD 曲面封裝模型建模完成后，再將* .igs 格式文件用Hypermesh 打開，以Hypermesh 平臺強大的布爾運算能力及網格劃分功能對模型進行處理，建立可計算的三維有限元模型。最后通過FLAC3D內嵌的Fish 語言編輯簡單指令，即可生成FLAC3D可以讀取的* .Flac3D 文件( 鄧小龍等，2017) 。再將該文件導入FLAC3D，并根據(jù)野外考察資料、室內巖石力學試驗，賦予相關的物理力學參數(shù)，進行模擬計算分析。

圖2 鐮刀洞Fig. 2 Scythe Cave

3 研究實例

3.1 研究區(qū)工程地質條件

神仙居景區(qū)位于浙江省仙居縣，景區(qū)內具有典型的火山碎屑巖地貌景觀( 浙江省地質礦產局，1989) 。受強烈的斷塊運動和巖漿活動的影響，景區(qū)內地形切割強烈，最大切割深度達800 m，地形坡度變化急劇，地勢南高北低，中部和南部多懸崖峭壁，地形陡峭，局部坡度可以達到80°以上( 浙江省區(qū)域地質調查大隊，1978) 。

圖3 飛天瀑巖壁上危巖體Fig. 3 Dangerous rock mass on the rock wall of Feitian Waterfall

該景區(qū)內飛天瀑景點所在山體呈三面環(huán)繞態(tài)勢，瀑布三面環(huán)崖僅向西北方向開口，崖底多有落石。區(qū)域內微地貌由上至下為陡崖－斜坡的地貌組合，坡底有游路經過。鐮刀洞緊鄰飛天瀑，在飛天瀑西側崖體，整體分為頂洞、側洞和底洞3 部分; 頂洞與側洞之間連有兩個小洞，側洞呈透鏡體狀，長4 ～5 m; 底洞呈卵形，高1.8 m，深5 m; 底洞為主洞，洞內巖體較破碎( 圖2) 。飛天瀑東側陡崖坡向為255°，西側陡崖坡向340°，坡度為85°，高度差約為150 m。該處山體可見明顯的層面，產狀為傾向0°，傾角10°。飛天瀑崖壁受f1 至f5 5 條斷裂的共同作用，巖體結構比較復雜。西側崖壁巖體受節(jié)理和層面切割，并受風化、雨水侵蝕等作用影響，易發(fā)生墜落。相比于飛天瀑西側，危巖體主要集中分布于東側坡體( 圖3) 。受斷層f1 ～f5 的控制，危巖區(qū)2 及危巖區(qū)4 的巖體十分破碎，易產生崩塌滾石。坡腳處有早期崩塌形成的堆積體，作者對堆積體區(qū)域碎塊進行了調查統(tǒng)計，統(tǒng)計結果如表1 所示。

表1 飛天瀑落石統(tǒng)計表Table 1 Feitian waterfall rockfall statistics

調查發(fā)現(xiàn)堆積體暫時較為穩(wěn)定，但從歷史掉塊情況來看，該坡體存在很大的崩塌風險，應引起重視，并且坡體上方及坡面上仍有著諸多危巖體有著崩落的可能，這就亟需我們對于危巖體進行調查和計算分析，但近乎直立的陡坡以及超過百米的坡高人力難以進行考察且耗時耗力，極大阻礙了我們的調查與分析的進度，因此我們采用基于無人機等的一系列技術手段對于此等高陡邊坡進行準確詳細的調查，快速獲取地形特征并進行計算分析。

3.2 快速地形成圖流程

由于飛天瀑主體坡體近乎直立且三面環(huán)崖僅向西北方向開口，為了保證坡面信息采集精細完整，我們采用無人機直立上下飛行的航線，無人機搭載的鏡頭傾斜朝向坡面并拍攝視頻，充分利用了無人機形體小巧的特點。采用拍攝視頻的方法在這種地質地形復雜的區(qū)域更加快速便捷，并且避免了航向重疊度的控制問題，只需保證飛行過程中的旁向重疊度。航線設計如圖4 所示。

圖4 無人機航線圖Fig. 4 UAV route map

通過無人機獲取到坡面高精度影像后，經由Photoscan 處理我們可以得到該高陡邊坡的密集點云數(shù)據(jù)( 圖5) 和正射影像( 圖6) 。

圖5 密集點云數(shù)據(jù)Fig. 5 Dense point cloud data

再借助Geomagic Studio 對點云數(shù)據(jù)進行封裝修理( 圖7) ，圖7a 中綠色突出區(qū)域為植被覆蓋區(qū)，高于實際地表高程，應進行修理。以該模型能明顯識別出的出露的巖體表面為基本面，將局部植被區(qū)域摳除，然后基于出露的巖體表面按曲率、切線、平面3 種方式進行填補。圖7b 為植被修理后的模型。

圖6 正射影像圖Fig. 6 Orthophoto image

圖7 在Geomagic Studio 中進行點云封裝處理Fig. 7 Point cloud encapsulation in Geomagic Studio

植被修理完成后再轉化為點云數(shù)據(jù)，并以DXF文件格式保存。在南方CASS 中打開該文件，選擇“定顯示區(qū)”選中該模型的點云數(shù)據(jù)點，選擇“展高程點”得到點云中各點所包含的高程點數(shù)據(jù)，再建立DTM 繪制三角網，三角網繪制過程中會產生一些錯誤的連接，我們需手動進行修正，剔除錯誤連接的三角網( 圖8) ，最后生成等高線( 圖9) ，并進行圖面整飾( 圖10) 。該流程運行過程中如果點云數(shù)據(jù)量比較大，導入南方CASS 軟件處理時解算困難，可以將數(shù)據(jù)重新導入Geomagic Studio 軟件，并進行點云抽稀采樣，采樣率具體視精度要求而定。

圖8 三角網修正Fig. 8 Triangulation correction

3.3 快速三維建模

依據(jù)基于無人機航攝影像的快速建模流程，我們對目標區(qū)域建立了如圖11 所示的邊坡體Mohr-Coulomb 三維數(shù)值模型。該模型的尺寸( 長×寬×高) 為: 727 m×517 m×288 m，模型共有315 166 個節(jié)點，1 626 026 個網絡單元。

通過現(xiàn)場勘查并取巖樣進行室內物理力學試驗，可以得到邊坡體巖石的主要物理力學參數(shù)。在FLAC3D軟件中使用了interface 命令，在模型中建立了一系列節(jié)理面。巖體層面產狀: 飛天瀑東側陡崖坡向為255°，西側陡崖坡向340°，坡度為85°; 斷層產狀f1:250°∠60°，f2:270°∠80°，f3:180°∠30°，下方斷層產狀:f5:200°∠10°。

圖9 飛天瀑巖體等高線圖Fig. 9 Contour map of the Feitian waterfall rock mass

圖10 整飾后的地形圖Fig. 10 Topographic map after finishing

圖11 飛天瀑巖體有限單元網格模型Fig. 11 Finite element mesh model of Feitian waterfall rock mass

用FLAC3D軟件對設定完參數(shù)及結構面的有限單元網格模型進行數(shù)值模擬計算，得到計算結果。如圖12 為FLAC3D輸出的應力云圖。

圖12 應力云圖Fig. 12 Stress cloud map

可以看出，基于無人機的小巧機動并能獲取高精度影像的特點，極大地加速了我們對于高陡邊坡、復雜地質體的精確信息獲取。將無人機與點云數(shù)據(jù)處理技術結合起來，應用于巖土工程三維數(shù)值分析軟件FLAC3D，進行數(shù)值計算，可真正實現(xiàn)對復雜地形的高陡/直立邊坡災害發(fā)生過程的識別和監(jiān)控并進行巖體穩(wěn)定性分析，形成一套行之有效，快速精確的三維地質建模技術。

4 結 論

對于復雜地形的高陡/直立邊坡，往往人力所不能達，因而相應的地形地質資料空缺，難以獲取，以至對于災害的發(fā)生得不到好的預防和控制。無人機的出現(xiàn)，由于其小巧、機動性強、能獲取高精度的遙感影像等優(yōu)點，使人力無法到達的區(qū)域實現(xiàn)了地質地形資料的快速獲得。作者基于無人機的傾斜攝影技術，快速獲取復雜地形地質體的表面形態(tài)特征，借助Photoscan 的多視圖三維重建技術，以及Geomagic Studio 對于點云數(shù)據(jù)良好的處理功能，再結合優(yōu)秀的地形制圖軟件南方CASS，形成了一套地形圖快速生成技術，對于復雜地質體能夠實現(xiàn)精確快速的地形圖繪制?？梢钥焖偕纱竺娣e大區(qū)域的大比例尺地形圖，特別是對山區(qū)有著很好的效果，極大地提高了測繪效率和測繪精度。

基于無人機航攝結合Photoscan 的快速點云數(shù)據(jù)獲取手段，借助Geomagic Studio 強大的點云數(shù)據(jù)處理和CAD 曲面建模功能，通過Hypermesh 強大的幾何處理及網格劃分能力，實現(xiàn)對復雜地形的高陡/直立邊坡的精細三維數(shù)值模型的建立，并應用于FLAC3D進行數(shù)值分析計算。真正實現(xiàn)對復雜地形高陡/直立邊坡災害發(fā)生過程的識別和監(jiān)控，減少應對山區(qū)地質災害的盲區(qū)，形成一套行之有效，快速精確的三維地質建模技術。該方法具有簡單實用、快速便捷且實用性強的優(yōu)點。

致 謝:現(xiàn)場調查工作得到了中國科學院地質與地球物理研究所譚玉芳博士、劉海洋博士、孫娟娟博士、邵鵬碩士、王瑞琪碩士、高相波碩士，中國地質大學( 北京) 黎晨碩士，衢州學院范璐鑫、劉帥等人的幫助; 得到了中國科學院地質與地球物理研究所楊志法研究員，衢州學院建筑工程學院李燕教授、胡云世教授的現(xiàn)場指導; 在此表示感謝!