周 聰，吳 桐，楊海華

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

0 引言

廣東省丘陵山地多，地勢(shì)起伏大，部分山坡陡峭，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，同時(shí)受人類(lèi)工程活動(dòng)影響，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)多發(fā)、威脅嚴(yán)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(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，韶關(guān)、河源、梅州、茂名、肇慶、清遠(yuǎn)、云浮等地尤為集中。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(shì)依舊嚴(yán)峻。傳統(tǒng)的削坡建房等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)治理方法智能化水平較低，通常需攜帶水準(zhǔn)儀、卷尺等設(shè)備和材料，依靠純?nèi)斯ち繙y(cè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，單次作業(yè)范圍較小，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高，且具有一定的作業(yè)危險(xiǎn)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(wú)人機(jī)手段，拓展應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行削坡建房風(fēng)險(xiǎn)排查工作，實(shí)現(xiàn)大范圍高效航測(cè)；在保證數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的情況下搭建風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)全景三維模型；通過(guò)軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)覆蓋網(wǎng)頁(yè)端和客戶(hù)端的全流程監(jiān)管平臺(tái)。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(jìn)”的總體思路，實(shí)現(xiàn)地災(zāi)隱患點(diǎn)防治全流程智能化、精細(xì)化、可視化、規(guī)范化，顯著提升風(fēng)險(xiǎn)排查工作效率，減少人力物力消耗，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和實(shí)效性，有效助力防災(zāi)減災(zāi)工作，具有顯著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 排查方法

1.1 傳統(tǒng)排查方法的局限性

過(guò)去由于受到科技水平的限制，只能通過(guò)人工的方式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排查，但隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人工排查方法的局限性逐漸暴露出來(lái)，具體包括下列幾個(gè)方面：

⑴排查效率低下。以水準(zhǔn)測(cè)量的2人小組為例，由于削坡建房這一測(cè)量場(chǎng)景中需測(cè)量坡長(zhǎng)、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(shí)需經(jīng)常上坡下坡，有時(shí)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(xiǎn)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(cè)量位置時(shí)很難準(zhǔn)確地反映真實(shí)削坡情況，可能會(huì)對(duì)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(lái)越高。由于削坡建房風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)眾多，排查效率較低，若采取純?nèi)斯し绞剑瑒趧?wù)成本將極其昂貴，相關(guān)部門(mén)和企業(yè)很可能無(wú)法承擔(dān)，最終導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)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(duì)這部分的重視程度不夠，無(wú)法實(shí)現(xiàn)各類(lèi)數(shù)據(jù)資料的電子留檔及統(tǒng)一管理。

綜上，有必要開(kāi)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(lái)越多智能化、數(shù)字化手段被運(yùn)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(wú)人機(jī)和云平臺(tái)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(jìn)”的總體思路開(kāi)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(wú)人機(jī)進(jìn)行高效航測(cè)作業(yè)的同時(shí)，及時(shí)將數(shù)據(jù)傳回后方，同步開(kāi)展數(shù)據(jù)整理、三維建模、地形圖繪制、報(bào)告編寫(xiě)等內(nèi)業(yè)工作，最大程度縮短工作時(shí)長(zhǎng)，減輕人員負(fù)擔(dān)。

⑵硬件軟件協(xié)同。借助無(wú)人機(jī)和多功能移動(dòng)智能作業(yè)平臺(tái)5G 智能檢測(cè)車(chē)［5］，實(shí)現(xiàn)硬件軟件協(xié)同，在航測(cè)的同時(shí)為圖形數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、儲(chǔ)存提供軟件支持。開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多功能管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、儲(chǔ)存、展示、量測(cè)；添加報(bào)告管理功能，實(shí)現(xiàn)排查報(bào)告的自動(dòng)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(jìn)。技術(shù)上，通過(guò)優(yōu)化航測(cè)路線、優(yōu)化圖形處理流程、進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方式顯著提升工作效率；管理上，按照行政區(qū)劃、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、邊坡類(lèi)型等多個(gè)屬性，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及三維模型進(jìn)行歸類(lèi)，將所有附件資料按風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)編號(hào)進(jìn)行排序整理以備查看，實(shí)現(xiàn)全流程規(guī)范化管理。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)建模

2.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)航測(cè)建模技術(shù)發(fā)展迅速。通過(guò)在搭載多個(gè)攝像頭，無(wú)人機(jī)可從垂直、傾斜等不同角度采集目標(biāo)影像，并在對(duì)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(wú)人機(jī)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(gè)領(lǐng)域［6-7］。在工程領(lǐng)域的實(shí)際巡飛作業(yè)中，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量能夠快速準(zhǔn)確捕捉并構(gòu)建目標(biāo)物的三維模型（見(jiàn)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(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，借助點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維實(shí)景建模軟件對(duì)復(fù)雜地形的邊坡實(shí)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形的高陡/直立邊坡的精細(xì)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(wú)人機(jī)三維模型示例Fig.2 The Example of UAV 3D Model

2.2 在削坡建房風(fēng)險(xiǎn)排查中的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)航測(cè)建模技術(shù)在農(nóng)村地區(qū)削坡建房風(fēng)險(xiǎn)排查工作中的應(yīng)用過(guò)程可分為3個(gè)步驟：現(xiàn)場(chǎng)航測(cè)、數(shù)據(jù)回傳、三維建模，具體內(nèi)容如下：

⑴現(xiàn)場(chǎng)航測(cè)。借助5G 智能檢測(cè)車(chē)攜帶裝載了攝像頭的無(wú)人機(jī)設(shè)備到達(dá)事前確定的風(fēng)險(xiǎn)排查點(diǎn)，設(shè)置好飛行路線，按照“一坡一測(cè)，高效作業(yè)”的原則進(jìn)行巡飛航測(cè)，獲取空間坐標(biāo)信息并拍攝多張高清照片，照片通過(guò)飛控及圖傳技術(shù)傳至車(chē)上軟件平臺(tái)暫時(shí)儲(chǔ)存，等待進(jìn)一步處理。

⑵數(shù)據(jù)回傳。在現(xiàn)場(chǎng)獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸和人工攜帶的方式傳回后方電腦設(shè)備，由專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的預(yù)處理，為后續(xù)三維建模做準(zhǔn)備。

⑶三維建模。技術(shù)人員利用專(zhuān)業(yè)三維建模軟件ContextCapture（以下簡(jiǎn)稱(chēng)CC）對(duì)經(jīng)預(yù)處理的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模工作，并在模型上進(jìn)行坡高、坡角、坡腳到房屋距離等空間數(shù)據(jù)的量測(cè)，填入排查認(rèn)定表和報(bào)告中。所得削坡建房風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)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(tái)開(kāi)發(fā)

3.1 必要性

削坡建房風(fēng)險(xiǎn)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(guò)智能化、數(shù)字化的形式更好地將其儲(chǔ)存留檔，以備隨時(shí)查看。

在本項(xiàng)目中，由于風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)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(dá)10TB以上，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速度下，較難實(shí)現(xiàn)整體上云。為最大程度實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能，本次平臺(tái)開(kāi)發(fā)擬采用“桌面端+網(wǎng)頁(yè)端”的形式。其核心思想是在桌面端實(shí)現(xiàn)全部模型展示功能和部分資料管理功能，在網(wǎng)頁(yè)端實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，提升管理效率。

3.2 技術(shù)簡(jiǎn)介

本次開(kāi)發(fā)基于超圖軟件SuperMap IDesktop 10i和SuperMap iServer，前者用于桌面端開(kāi)發(fā)，后者用于網(wǎng)頁(yè)端開(kāi)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(biāo)繪等功能的桌面端開(kāi)發(fā)軟件，支持海圖、在線地圖服務(wù)訪問(wèn)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(kāi)發(fā)；

⑵SuperMap iServer 是基于高性能跨平臺(tái)GIS 內(nèi)核、分布式、可擴(kuò)展的服務(wù)器GIS 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。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(kuò)展開(kāi)發(fā)。同時(shí)，還提供強(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)排查的實(shí)際需求，本次平臺(tái)開(kāi)發(fā)在桌面端和網(wǎng)頁(yè)端中分別設(shè)置了不同的功能模塊，簡(jiǎn)介如下：

⑴桌面端。在桌面端中，可按風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)編號(hào)實(shí)現(xiàn)三維模型的導(dǎo)入和查看；可在模型上直接進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的量測(cè)，包括坡長(zhǎng)、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(dòng)識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；利用認(rèn)定表出具功能，可直接出具滿(mǎn)足排查要求的認(rèn)定表，如圖4所示。

圖4 桌面端主頁(yè)面Fig.4 Main Page of Desktop Site

⑵網(wǎng)頁(yè)端。在網(wǎng)頁(yè)端中，含大屏展示統(tǒng)計(jì)頁(yè)面，可直觀查看全省各地風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分布情況；在管理頁(yè)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(fēng)險(xiǎn)排查認(rèn)定表、臺(tái)賬、報(bào)告等，覆蓋削坡建房風(fēng)險(xiǎn)排查整改全流程，規(guī)范文檔管理，提高工作效率；針對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的個(gè)別風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，可上傳相應(yīng)的三維模型，像桌面端一樣進(jìn)行模型查看和量測(cè)，如圖5～圖8所示。

圖5 網(wǎng)頁(yè)端統(tǒng)計(jì)頁(yè)面Fig.5 Statistics Page of Web Site

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

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

圖8 風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)信息編輯頁(yè)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(guó)各個(gè)農(nóng)村地區(qū)的削坡建房風(fēng)險(xiǎn)排查工程中。目前，僅廣東省就有約6.5 萬(wàn)戶(hù)削坡建房風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，現(xiàn)有方法將極大推動(dòng)相關(guān)工作進(jìn)度，顯著降低成本，并能通過(guò)快速的報(bào)告出具協(xié)助相關(guān)部門(mén)進(jìn)行整改決策。第一版系統(tǒng)平臺(tái)已交付有關(guān)方使用，獲得高度認(rèn)可。

⑵該方法對(duì)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(jìn)行推廣，其運(yùn)用的模型優(yōu)化和系統(tǒng)開(kāi)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(lái)，智慧城市成為城市管理的主流趨勢(shì)。其依賴(lài)的CIM（City Information Modeling）便是以收集多類(lèi)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(jī)綜合體［10-12］。與智慧城市類(lèi)似，未來(lái)農(nóng)村建設(shè)也將向智能化、數(shù)字化方向邁進(jìn)，若能持續(xù)優(yōu)化現(xiàn)有工作方法，則可在未來(lái)智慧農(nóng)村建設(shè)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

5 存在問(wèn)題

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

⑴ 三維模型上云難。由于削坡建房風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)眾多，三維模型的數(shù)據(jù)量級(jí)也十分巨大，可達(dá)TB以上，這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和電腦顯示性能提出了極高要求。在當(dāng)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(wèn)題，后續(xù)考慮通過(guò)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(wú)人機(jī)航測(cè)的工作方法目前較適配削坡建房風(fēng)險(xiǎn)排查，但地質(zhì)災(zāi)害防治還有很多細(xì)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(chǎng)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(lái)研究及應(yīng)用中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

⑶工作標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害防治的相關(guān)省標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)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(biāo)準(zhǔn)，則可真正實(shí)現(xiàn)有據(jù)可依，對(duì)該領(lǐng)域的研究及應(yīng)用起到極大促進(jìn)作用。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前農(nóng)村地區(qū)削坡建房風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的特點(diǎn)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(tái)的工作方法，該方法創(chuàng)造無(wú)人機(jī)航測(cè)的新應(yīng)用場(chǎng)景、搭建全流程管理的新系統(tǒng)平臺(tái)，具有專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高、可視性強(qiáng)、功能性廣的特點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)有效提高削坡建房風(fēng)險(xiǎn)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(jià)值，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

總體上來(lái)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(wèn)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(shì)下，該方法具有較高的研究和應(yīng)用價(jià)值，未來(lái)將有廣闊的發(fā)展空間。