王浩

(天水三和數(shù)碼測(cè)繪院有限公司,甘肅 天水741000)

公路地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別是公路防災(zāi)減災(zāi)業(yè)務(wù)的重要工作,更是公路全生命周期管理中不可忽視的必要環(huán)節(jié)。全國(guó)發(fā)生危害公路交通設(shè)施的地質(zhì)災(zāi)害頻起,對(duì)經(jīng)濟(jì)和人民生命造成直接及間接的巨大損失。因此建設(shè)一套公路地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別體系可以安全高效的提出地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警,填補(bǔ)國(guó)內(nèi)公路預(yù)警技術(shù)體制的空白。傳統(tǒng)的勘察設(shè)計(jì)手段已經(jīng)無(wú)法滿足新形勢(shì)下的公路工程建設(shè)需求,在勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、后期運(yùn)營(yíng)各階段中,迫切需要對(duì)工程具有重要影響的不良地質(zhì)體進(jìn)行實(shí)時(shí)查看和判別,以減少地質(zhì)災(zāi)害對(duì)公路施工及后期的影響。

傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù),該技術(shù)目前在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。但是,在我國(guó)仍然存在較大的空白,傾斜影像技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用,可以使目前高昂的三維建模成本大大降低。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)具有成本低、速度快、易操作等優(yōu)勢(shì),已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)、災(zāi)害應(yīng)急與三維重建等領(lǐng)域中[1-3]。

利用無(wú)人機(jī)搭載傾斜相機(jī),對(duì)地質(zhì)災(zāi)害地區(qū)進(jìn)行航拍,獲取原始影像,通過(guò)三維建模軟件對(duì)原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,獲得實(shí)景三維模型,通過(guò)在三維模型上測(cè)量及評(píng)估,結(jié)合地質(zhì)專家意見(jiàn),得到該地質(zhì)的災(zāi)害預(yù)警信息。同時(shí)還可以給設(shè)計(jì)提供參考,并指導(dǎo)任務(wù)區(qū)域的施工及后期運(yùn)維情況。

1 整體方案

1.1 整體構(gòu)架

傳統(tǒng)攝影測(cè)量采用下視攝影,這種攝影方式可以很好的觀測(cè)到地表和被攝物體頂部的特征[4]。傾斜攝影測(cè)量的采集方式是使相機(jī)安裝與地面呈一定的夾角,這樣可以更加完整的采集到被測(cè)物體的側(cè)面紋理信息,最終生成的模型信息更加豐富,結(jié)構(gòu)更加完整,紋理更加真實(shí)。

1.2 硬件設(shè)備

項(xiàng)目所用無(wú)人機(jī)為六旋翼無(wú)人機(jī),無(wú)人機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1 所示。操作人員根據(jù)地面站提示,選擇對(duì)應(yīng)的相機(jī)型號(hào),框選作業(yè)區(qū)域,軟件自動(dòng)形成航線,操作人員根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整航線至合理,輸入飛行比例尺,軟件自動(dòng)計(jì)算出飛行高度及航程和時(shí)間,然后設(shè)置好各項(xiàng)應(yīng)急保護(hù)參數(shù),最大程度的保證飛機(jī)在多種不定因素下的安全。

表1 無(wú)人機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 流程簡(jiǎn)介

某項(xiàng)目地處云貴高原與四川涼山接壤地帶,位于川滇南北向構(gòu)造- 小江斷裂帶之東緣與其東側(cè)的北東向構(gòu)造的結(jié)合部位,路線走廊帶滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育,該項(xiàng)目在勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)以及后期的運(yùn)營(yíng)階段中針對(duì)各種不良地質(zhì)體的判識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、穩(wěn)定性計(jì)算以及處置措施等問(wèn)題亟待解決。

圖1 測(cè)區(qū)影像空三提點(diǎn)后點(diǎn)云及像控點(diǎn)分布圖

圖2 技術(shù)流程

2.2 航飛方案

如圖1 所示,該地高程起伏落差大,測(cè)區(qū)高程最低點(diǎn)海拔625m,最高點(diǎn)海拔1293m,為了獲取0.05m 以下的高精度三維模型,無(wú)人機(jī)航飛相對(duì)高度設(shè)置為180m,測(cè)區(qū)高程落差668m,大于無(wú)人機(jī)的航飛相對(duì)高度180m,導(dǎo)致不能采用同一航飛高度航飛完整個(gè)測(cè)區(qū),要對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行不同高度的分層航飛。圖1 中綠色航帶為分層航飛的分布情況。像控點(diǎn)布設(shè)應(yīng)均勻分布在整個(gè)測(cè)區(qū),測(cè)區(qū)最高點(diǎn)最低點(diǎn)及極高點(diǎn)極低點(diǎn)均需要加布像控點(diǎn)。最后通過(guò)三維建模軟件進(jìn)行空三,得到圖1 的測(cè)區(qū)影像空三提點(diǎn)后點(diǎn)云,導(dǎo)入像控點(diǎn)坐標(biāo)并進(jìn)行像控點(diǎn)標(biāo)記及空三平差,得到圖1 黃色圓圈狀的的像控點(diǎn)分布圖。

采用無(wú)人機(jī)搭載傾斜云臺(tái)進(jìn)行航飛,獲得的原始傾斜照片采用三維建模軟件快速建模,獲得的實(shí)景三維模型在三維模型基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)量,得到大比例尺地形圖,同時(shí)可以測(cè)量坡度距離等信息,同時(shí)可以直觀看到地質(zhì)情況,得到結(jié)論,給設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

利用無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行航飛,無(wú)人機(jī)作為先進(jìn)的生產(chǎn)工具和作業(yè)手段,與傳統(tǒng)勘測(cè)方式相比較具有多方面優(yōu)勢(shì)：

2.3.1 精度高。目前無(wú)人機(jī)所搭載的專業(yè)單反數(shù)碼相機(jī),有效像素優(yōu)于6 千萬(wàn)像素,通過(guò)計(jì)算,航飛地面分辨率優(yōu)于0.05m,搭載在無(wú)人機(jī)上所拍攝的高清晰度數(shù)碼航片經(jīng)數(shù)字化處理后,可以快速的生成實(shí)景三維模型,并繪制出精確的大比例尺的地形圖。

2.3.2 快速。無(wú)人機(jī)航飛相比于傳統(tǒng)人工建模獲取數(shù)據(jù)更加快速,不用再用傳統(tǒng)的測(cè)量手段進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量。

2.3.3 直觀性。獲取的三維實(shí)景模型從地物信息及顏色形態(tài)都跟實(shí)際對(duì)應(yīng),得到的三維實(shí)景模型更加直觀與真實(shí),同時(shí)還可以直接在模型基礎(chǔ)上進(jìn)行量測(cè)[5]。

2.4 最終成果

通過(guò)三維建模軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到OSGB、OBJ、FBX 等等多種格式的實(shí)景三維模型,為該項(xiàng)目最終實(shí)景模型成果,可以在多種三維平臺(tái)進(jìn)行瀏覽和測(cè)量。三維平臺(tái)可以對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行加載、測(cè)量,近而得到地質(zhì)體的幾何特性。

3 地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用

3.1 地質(zhì)災(zāi)害簡(jiǎn)介

我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),損失巨大,其中常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害有山體滑坡、泥石流、堰塞湖、巖石崩塌、地裂縫、道路塌陷等等。高速公路修建時(shí)途徑路段采用三維傾斜攝影,對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行一個(gè)預(yù)判,可以減少損失,提升綜合防災(zāi)減災(zāi)能力,保障國(guó)土安全。同時(shí),對(duì)整個(gè)地形進(jìn)行航飛,可以解決困難地區(qū)人員無(wú)法到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)以及危險(xiǎn)地區(qū)人員勘察困難的難題,可以輕松在室內(nèi)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行識(shí)別及預(yù)判。

3.2 技術(shù)路線(圖2)

在實(shí)景三維模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)三維地理信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行加載,由于目前模型精度可優(yōu)于0.05m,可以直接在模型上非常清楚看到項(xiàng)目區(qū)地表的地質(zhì)構(gòu)造,同時(shí)可以用測(cè)量工具對(duì)裂縫進(jìn)行測(cè)量,在模型上,人工對(duì)地災(zāi)點(diǎn)進(jìn)行不良地質(zhì)體的判識(shí)并標(biāo)注,地表覆蓋情況可以完整體現(xiàn)并提供報(bào)告素材,最后進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、穩(wěn)定性計(jì)算以及處置措施。

3.3 傾斜攝影應(yīng)用在地質(zhì)災(zāi)害的優(yōu)勢(shì)

改進(jìn)了傳統(tǒng)二維地圖識(shí)別解譯方式,使二維平面走向三維立體,實(shí)現(xiàn)了公路地質(zhì)災(zāi)害可視化,建立自動(dòng)化的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析與預(yù)測(cè)模型系統(tǒng),取代以往需要專家到現(xiàn)場(chǎng)判別地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)模式,實(shí)現(xiàn)高效化、數(shù)字化、自動(dòng)化的公路地質(zhì)災(zāi)害協(xié)同預(yù)判。

4 結(jié)論

本文針對(duì)無(wú)人機(jī)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行航飛及三維建模方式進(jìn)行詳細(xì)介紹,包括無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)和操作的便捷性,并概括了三維模型的優(yōu)勢(shì),同時(shí)詳述了傾斜攝影的航飛過(guò)程和數(shù)據(jù)處理的簡(jiǎn)易流程。最后列舉地質(zhì)災(zāi)害類型及傾斜攝影在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用,通過(guò)人工判別地質(zhì)災(zāi)害,對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警分析,傾斜攝影技術(shù)是現(xiàn)在公路地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域勘察以及設(shè)計(jì)不可缺少的手段。