周 聰，吳 桐，楊海華

（廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司 廣州 510500）

0 引言

廣東省丘陵山地多，地勢起伏大，部分山坡陡峭，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，同時受人類工程活動影響，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)多發(fā)、威脅嚴重?；洊|西北地區(qū)地形多為中、低山地和丘陵區(qū)，人多地少，居民建房多依山削坡而建，存在大量削坡建房風險點，韶關(guān)、河源、梅州、茂名、肇慶、清遠、云浮等地尤為集中。據(jù)不完全統(tǒng)計，廣東省2013～2019 年地質(zhì)災(zāi)害造成人員死亡數(shù)量為102人，其中，削坡建房造成人員死亡數(shù)量82人，占總數(shù)的80.4%［1］，安全形勢依舊嚴峻。傳統(tǒng)的削坡建房等地質(zhì)災(zāi)害風險治理方法智能化水平較低，通常需攜帶水準儀、卷尺等設(shè)備和材料，依靠純?nèi)斯ち繙y，費時費力，單次作業(yè)范圍較小，數(shù)據(jù)準確度不高，且具有一定的作業(yè)危險性。

基于上述現(xiàn)狀，本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新使用無人機手段，拓展應(yīng)用場景進行削坡建房風險排查工作，實現(xiàn)大范圍高效航測；在保證數(shù)據(jù)精準度的情況下搭建風險點全景三維模型；通過軟件技術(shù)開發(fā)覆蓋網(wǎng)頁端和客戶端的全流程監(jiān)管平臺。本方法的研究及應(yīng)用貫徹“外業(yè)內(nèi)業(yè)同步、硬件軟件協(xié)同、技術(shù)管理并進”的總體思路，實現(xiàn)地災(zāi)隱患點防治全流程智能化、精細化、可視化、規(guī)范化，顯著提升風險排查工作效率，減少人力物力消耗，保證數(shù)據(jù)準確性和實效性，有效助力防災(zāi)減災(zāi)工作，具有顯著經(jīng)濟和社會效益。

1 排查方法

1.1 傳統(tǒng)排查方法的局限性

過去由于受到科技水平的限制，只能通過人工的方式進行風險排查，但隨著時代的發(fā)展和科技的進步，人工排查方法的局限性逐漸暴露出來，具體包括下列幾個方面：

⑴排查效率低下。以水準測量的2人小組為例，由于削坡建房這一測量場景中需測量坡長、坡高、坡角、坡底到房屋的距離等多種數(shù)據(jù)，人工作業(yè)時需經(jīng)常上坡下坡，有時還要跨越水系，單次作業(yè)的范圍很小，效率較為低下。另外，農(nóng)村地區(qū)地形復(fù)雜，常有高坡、陡坡，人工排查常伴隨一定的危險性。

⑵數(shù)據(jù)精度不足。由于削坡周邊地形常常較為復(fù)雜，選取測量位置時很難準確地反映真實削坡情況，可能會對后期整改管理造成誤導(dǎo)。

⑶人工成本較高?，F(xiàn)如今，人工勞務(wù)成本在固定成本中的占比越來越高。由于削坡建房風險點眾多，排查效率較低，若采取純?nèi)斯し绞?，勞?wù)成本將極其昂貴，相關(guān)部門和企業(yè)很可能無法承擔，最終導(dǎo)致風險排查工作被擱置，造成不利影響。

⑷ 管理手段粗放。外業(yè)排查將產(chǎn)生大量的文字、圖片甚至模型數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的排查方法管理手段較為粗放，對這部分的重視程度不夠，無法實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)資料的電子留檔及統(tǒng)一管理。

綜上，有必要開發(fā)一種新的排查手段，提高作業(yè)效率，保障數(shù)據(jù)精度，降低固定成本，規(guī)范管理流程。

1.2 新排查方法總體思路

隨著物聯(lián)網(wǎng)和軟件技術(shù)的發(fā)展，越來越多智能化、數(shù)字化手段被運用于災(zāi)害防治領(lǐng)域，取得良好的應(yīng)用效果［2-4］。本研究基于無人機和云平臺的新方法可有效突破傳統(tǒng)方法的局限，按照“外業(yè)內(nèi)業(yè)同步、硬件軟件協(xié)同、技術(shù)管理并進”的總體思路開展排查工作，具體如圖1所示。

圖1 新排查方法流程Fig.1 Process of New Investigation Method

⑴外業(yè)內(nèi)業(yè)同步。利用無人機進行高效航測作業(yè)的同時，及時將數(shù)據(jù)傳回后方，同步開展數(shù)據(jù)整理、三維建模、地形圖繪制、報告編寫等內(nèi)業(yè)工作，最大程度縮短工作時長，減輕人員負擔。

⑵硬件軟件協(xié)同。借助無人機和多功能移動智能作業(yè)平臺5G 智能檢測車［5］，實現(xiàn)硬件軟件協(xié)同，在航測的同時為圖形數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、儲存提供軟件支持。開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多功能管理平臺，實現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、儲存、展示、量測；添加報告管理功能，實現(xiàn)排查報告的自動生成和導(dǎo)入導(dǎo)出；設(shè)置監(jiān)管模塊，為后續(xù)整改階段的文件管理提供便利。

⑶技術(shù)管理并進。技術(shù)上，通過優(yōu)化航測路線、優(yōu)化圖形處理流程、進行系統(tǒng)開發(fā)等方式顯著提升工作效率；管理上，按照行政區(qū)劃、風險等級、邊坡類型等多個屬性，按照相關(guān)標準對風險點及三維模型進行歸類，將所有附件資料按風險點編號進行排序整理以備查看，實現(xiàn)全流程規(guī)范化管理。

2 無人機航測建模

2.1 技術(shù)簡介

近年來，無人機航測建模技術(shù)發(fā)展迅速。通過在搭載多個攝像頭，無人機可從垂直、傾斜等不同角度采集目標影像，并在對傾斜影像數(shù)據(jù)處理及整合其他地理信息后，輸出正射影像、地形圖、三維模型等［5］。由于相關(guān)技術(shù)日趨成熟，無人機三維模型被廣泛應(yīng)用于城鄉(xiāng)規(guī)劃、地質(zhì)勘察、建筑工程、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域［6-7］。在工程領(lǐng)域的實際巡飛作業(yè)中，無人機傾斜攝影測量能夠快速準確捕捉并構(gòu)建目標物的三維模型（見圖2），為后續(xù)工作提供重要參考依據(jù)。王明等人［8］基于低空無人機傾斜攝影技術(shù)，借助點云數(shù)據(jù)和三維實景建模軟件對復(fù)雜地形的邊坡實現(xiàn)快速地形成圖，然后利用曲面建模功能，重構(gòu)邊坡閉合CAD 曲面模型并網(wǎng)格化，實現(xiàn)復(fù)雜地形的高陡/直立邊坡的精細三維數(shù)值模型的建立。周邊環(huán)境三維模型的建立將為邊坡工程中相關(guān)的數(shù)值模擬提供更多可能性。

圖2 無人機三維模型示例Fig.2 The Example of UAV 3D Model

2.2 在削坡建房風險排查中的應(yīng)用

無人機航測建模技術(shù)在農(nóng)村地區(qū)削坡建房風險排查工作中的應(yīng)用過程可分為3個步驟：現(xiàn)場航測、數(shù)據(jù)回傳、三維建模，具體內(nèi)容如下：

⑴現(xiàn)場航測。借助5G 智能檢測車攜帶裝載了攝像頭的無人機設(shè)備到達事前確定的風險排查點，設(shè)置好飛行路線，按照“一坡一測，高效作業(yè)”的原則進行巡飛航測，獲取空間坐標信息并拍攝多張高清照片，照片通過飛控及圖傳技術(shù)傳至車上軟件平臺暫時儲存，等待進一步處理。

⑵數(shù)據(jù)回傳。在現(xiàn)場獲取的數(shù)據(jù)通過實時遠程傳輸和人工攜帶的方式傳回后方電腦設(shè)備，由專業(yè)人員進行圖像數(shù)據(jù)的預(yù)處理，為后續(xù)三維建模做準備。

⑶三維建模。技術(shù)人員利用專業(yè)三維建模軟件ContextCapture（以下簡稱CC）對經(jīng)預(yù)處理的圖像數(shù)據(jù)進行三維建模工作，并在模型上進行坡高、坡角、坡腳到房屋距離等空間數(shù)據(jù)的量測，填入排查認定表和報告中。所得削坡建房風險點三維模型如圖3所示。

圖3 CC軟件中削坡建房三維模型Fig.3 3D Model of Slope Cutting and Building House in Context Capture

3 云平臺開發(fā)

3.1 必要性

削坡建房風險排查所得數(shù)據(jù)是農(nóng)村地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)、消除安全隱患的的重要依據(jù)，具有十分重要的意義，有必要通過智能化、數(shù)字化的形式更好地將其儲存留檔，以備隨時查看。

在本項目中，由于風險點眾多，導(dǎo)出的三維模型較多。這些三維模型的數(shù)據(jù)量十分巨大，可達10TB以上，在當前網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速度下，較難實現(xiàn)整體上云。為最大程度實現(xiàn)預(yù)設(shè)功能，本次平臺開發(fā)擬采用“桌面端+網(wǎng)頁端”的形式。其核心思想是在桌面端實現(xiàn)全部模型展示功能和部分資料管理功能，在網(wǎng)頁端實現(xiàn)全部資料管理功能和部分模型展示功能，二者相互配合使用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，提升管理效率。

3.2 技術(shù)簡介

本次開發(fā)基于超圖軟件SuperMap IDesktop 10i和SuperMap iServer，前者用于桌面端開發(fā)，后者用于網(wǎng)頁端開發(fā)：

⑴SuperMap IDesktop 10i 是具備二三維一體化的數(shù)據(jù)管理與處理、編輯、制圖、分析、二三維標繪等功能的桌面端開發(fā)軟件，支持海圖、在線地圖服務(wù)訪問及云端資源協(xié)同共享，提供可視化建模，可用于空間數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、加工、分析和行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)快速定制開發(fā)；

⑵SuperMap iServer 是基于高性能跨平臺GIS 內(nèi)核、分布式、可擴展的服務(wù)器GIS 軟件開發(fā)平臺。他可以提供全功能的GIS 服務(wù)發(fā)布、管理與聚合能力，并支持多層次的擴展開發(fā)。同時，還提供強大的空間大數(shù)據(jù)、GeoAI 和三維等相關(guān)的Web 服務(wù)，支持海量的矢量、柵格數(shù)據(jù)“免切片”發(fā)布［9］。

3.3 功能模塊

根據(jù)削坡建房風險排查的實際需求，本次平臺開發(fā)在桌面端和網(wǎng)頁端中分別設(shè)置了不同的功能模塊，簡介如下：

⑴桌面端。在桌面端中，可按風險點編號實現(xiàn)三維模型的導(dǎo)入和查看；可在模型上直接進行空間數(shù)據(jù)的量測，包括坡長、坡角、坡底到房屋距離等，相關(guān)數(shù)據(jù)可直接錄入系統(tǒng)并保存，自動識別風險等級；利用認定表出具功能，可直接出具滿足排查要求的認定表，如圖4所示。

圖4 桌面端主頁面Fig.4 Main Page of Desktop Site

⑵網(wǎng)頁端。在網(wǎng)頁端中，含大屏展示統(tǒng)計頁面，可直觀查看全省各地風險點分布情況；在管理頁面中可使用全部資料管理功能，包括上傳、查看、編輯、出具、下載風險排查認定表、臺賬、報告等，覆蓋削坡建房風險排查整改全流程，規(guī)范文檔管理，提高工作效率；針對重點關(guān)注的個別風險點，可上傳相應(yīng)的三維模型，像桌面端一樣進行模型查看和量測，如圖5～圖8所示。

圖5 網(wǎng)頁端統(tǒng)計頁面Fig.5 Statistics Page of Web Site

圖6 網(wǎng)頁端三維模型頁面Fig.6 3D Model Page of Web Site

圖7 網(wǎng)頁端數(shù)據(jù)管理面板Fig.7 Data Management Panel of Web Site

圖8 風險點信息編輯頁面Fig.8 Risk Point Information Editing Page of Web Site

4 應(yīng)用前景

⑴該方法可應(yīng)用于全國各個農(nóng)村地區(qū)的削坡建房風險排查工程中。目前，僅廣東省就有約6.5 萬戶削坡建房風險點，現(xiàn)有方法將極大推動相關(guān)工作進度，顯著降低成本，并能通過快速的報告出具協(xié)助相關(guān)部門進行整改決策。第一版系統(tǒng)平臺已交付有關(guān)方使用，獲得高度認可。

⑵該方法對建設(shè)工程領(lǐng)域相關(guān)科研工作也有重要意義，可作為地質(zhì)災(zāi)害防控研究領(lǐng)域的一種基礎(chǔ)手段進行推廣，其運用的模型優(yōu)化和系統(tǒng)開發(fā)等智能化手段在建設(shè)工程其他研究領(lǐng)域也具有廣泛應(yīng)用前景。

⑶近年來，智慧城市成為城市管理的主流趨勢。其依賴的CIM（City Information Modeling）便是以收集多類信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立起三維城市空間和城市信息的有機綜合體［10-12］。與智慧城市類似，未來農(nóng)村建設(shè)也將向智能化、數(shù)字化方向邁進，若能持續(xù)優(yōu)化現(xiàn)有工作方法，則可在未來智慧農(nóng)村建設(shè)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

5 存在問題

現(xiàn)階段，在取得一定效果的同時，基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺的農(nóng)村地區(qū)削坡建房風險排查方法還存在一些問題有待解決，具體如下：

⑴ 三維模型上云難。由于削坡建房風險點眾多，三維模型的數(shù)據(jù)量級也十分巨大，可達TB以上，這就對網(wǎng)絡(luò)帶寬和電腦顯示性能提出了極高要求。在當前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和電腦配置下，全部三維模型上云十分困難，也是該方法亟待解決的首要問題，后續(xù)考慮通過輕量化模型、修改系統(tǒng)配置、增加帶寬等方式解決。

⑵適用領(lǐng)域需拓展。本文基于無人機航測的工作方法目前較適配削坡建房風險排查，但地質(zhì)災(zāi)害防治還有很多細分領(lǐng)域，所需要的軟硬件設(shè)備、工作流程和要求也不盡相同。因此，如何持續(xù)完善現(xiàn)有方法，不斷拓寬應(yīng)用場景，使之能夠成為地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域的通用方法，是在未來研究及應(yīng)用中需要重點關(guān)注的問題。

⑶工作標準待完善。目前，廣東省內(nèi)尚缺乏利用智能化、數(shù)字化手段進行地質(zhì)災(zāi)害防治的相關(guān)省標或行業(yè)標準，無法從根源上規(guī)范相關(guān)技術(shù)和管理流程。若能制定相關(guān)標準，則可真正實現(xiàn)有據(jù)可依，對該領(lǐng)域的研究及應(yīng)用起到極大促進作用。

6 結(jié)語

針對當前農(nóng)村地區(qū)削坡建房風險點的特點和排查整治工作的要求，本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺的工作方法，該方法創(chuàng)造無人機航測的新應(yīng)用場景、搭建全流程管理的新系統(tǒng)平臺，具有專業(yè)性強、準確性高、可視性強、功能性廣的特點，通過系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)有效提高削坡建房風險排查管理效率，在農(nóng)村地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域有較高的推廣應(yīng)用價值，經(jīng)濟和社會效益顯著。

總體上來看，該方法為地質(zhì)災(zāi)害防治提供了新思路、新方法。雖然目前該方法還有一些問題亟待解決，但在建設(shè)工程和災(zāi)害防治領(lǐng)域整體向智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)變的大趨勢下，該方法具有較高的研究和應(yīng)用價值，未來將有廣闊的發(fā)展空間。