謝志偉，謝維安，單慧媚，彭三曦＊，劉 路

（1.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)，廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學(xué)，巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004）

我國是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國家。每年有數(shù)百人死于地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著人民生命財(cái)產(chǎn)安全，制約著地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。其中，危險(xiǎn)礦體崩塌是山區(qū)高陡邊坡的主要地質(zhì)災(zāi)害類型之一，顯著特點(diǎn)是發(fā)生時(shí)間不確定、運(yùn)動速度極快[4]，其在短時(shí)間內(nèi)可造成巨大破壞，極大程度威脅礦區(qū)周邊人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。盡管，我國在1990年建立的群體性監(jiān)測防治體系在地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域取得了較好的效果減輕了大量損失，但該預(yù)防體系對于特大地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防處置收效甚微[5]。災(zāi)害發(fā)生后，應(yīng)急調(diào)查作為地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處理的首要和基本環(huán)節(jié)，即在盡可能短的時(shí)間內(nèi)為科學(xué)確定減災(zāi)計(jì)劃提供盡可能準(zhǔn)確、完整、詳細(xì)的相關(guān)信息[6]。然而，我國眾多地區(qū)地形地貌復(fù)雜，很難在短時(shí)間內(nèi)將災(zāi)害信息全面反饋，為救災(zāi)指揮部提供決策支持[7，8]。為克服這一問題，衛(wèi)星遙感技術(shù)迅速發(fā)展起來，國內(nèi)衛(wèi)星技術(shù)和激光雷達(dá)技術(shù)日益廣泛用于重大地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急調(diào)查和監(jiān)測[9]。但衛(wèi)星遙感存在重訪周期長、云層遮擋嚴(yán)重等困難缺點(diǎn)，嚴(yán)重阻礙了應(yīng)急工作的有效開展[10]。當(dāng)前，無人機(jī)以其操作簡單、響應(yīng)迅速、高分辨率和機(jī)動靈活等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于土地測繪[22]、地質(zhì)調(diào)查[23]、災(zāi)害監(jiān)測[24]、氣象探測[25]、電力監(jiān)測[26]、農(nóng)業(yè)植保[27]等領(lǐng)域，其中，在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測領(lǐng)域日益受到關(guān)注[11]。

小型無人機(jī)的應(yīng)用最早開始于20世紀(jì)80年代，隨著通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種新型傳感器的出現(xiàn)，其性能不斷的提高，通過搭載不同遙感傳感器、GPS差分定位系統(tǒng)、通信設(shè)備，可以快速、精準(zhǔn)獲取各種環(huán)境遙感信息[12]。小型無人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中主要應(yīng)用于滑坡早期識別、災(zāi)害調(diào)查、變形監(jiān)測等方面，已經(jīng)成為衛(wèi)星遙感不可缺少的補(bǔ)充手段[13]。以無人機(jī)為平臺，傾斜攝影建模技術(shù)通過傳感器等設(shè)備進(jìn)行信息的收集與儲存及傳輸?shù)?，從多個(gè)角度進(jìn)行航拍，并記錄下圖像的高度、方向、坐標(biāo)等信息，得到正射影像和傾斜影像，進(jìn)而在建模軟件中對照片進(jìn)行歸并處理，建立三維模型[14-16]。

無人機(jī)應(yīng)用于不同類型礦山地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查或監(jiān)測時(shí)，不同建模方法導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果存在不同程度的計(jì)算精度問題，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致錯誤的評價(jià)?；诖耍疚囊晕ｋU(xiǎn)礦體崩塌這一常見的地質(zhì)災(zāi)害為例，通過對目前應(yīng)用較多的Pix4D、Smart3D、PhotoScan建模軟件對危險(xiǎn)礦體調(diào)查情況進(jìn)行對比評價(jià)，重點(diǎn)總結(jié)小型無人機(jī)傾斜攝影在該領(lǐng)域的主要應(yīng)用方法和存在問題，從而為地質(zhì)災(zāi)害的有效調(diào)查和防治提供理論和技術(shù)支持。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在危險(xiǎn)礦體調(diào)查中的應(yīng)用

1.1 危險(xiǎn)礦體宏觀分析

目前國內(nèi)消費(fèi)級無人機(jī)的限高高度為500m，基本滿足無人機(jī)對危險(xiǎn)礦體的航空拍攝需求。在該高度下，無人機(jī)基本可拍攝到危險(xiǎn)礦體清晰的全貌圖像。而傳統(tǒng)的現(xiàn)場人工測量在此方面耗費(fèi)時(shí)間長，工作量大，工作風(fēng)險(xiǎn)性高。即便是使用廣泛使用的衛(wèi)星遙感技術(shù)，其獲取的圖像存在較大的滯后性，不能及時(shí)的服務(wù)于現(xiàn)場。例如在范宣梅等人對于貴州納雍“8·28”崩塌災(zāi)害的研究中，谷歌地球衛(wèi)星影像對于貴州納雍地區(qū)的最新影像為2014年，而通過無人機(jī)獲取的危險(xiǎn)礦體正射影像清晰度甚至比衛(wèi)星遙感影像更為及時(shí)準(zhǔn)確。借助這些成果可以快速地對區(qū)域的整體地形地貌、危險(xiǎn)礦體分布特征、危險(xiǎn)礦體與危害對象的空間位置關(guān)系等形成宏觀分析，對危險(xiǎn)礦體的性狀和形成機(jī)理也可以建立初步的認(rèn)識。

圖1 “納雍‘8·28”崩塌’谷歌地圖衛(wèi)星影像與無人機(jī)正射影像對比”

1.2 危險(xiǎn)礦體體節(jié)理裂隙識別和測量

在礦體穩(wěn)定性評價(jià)中，如何有效獲取礦體結(jié)構(gòu)面信息是評價(jià)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)面信息包含產(chǎn)狀、間接及裂隙等參數(shù)。目前，礦體結(jié)構(gòu)面野外勘察主要方法仍是使用地質(zhì)羅盤和皮尺進(jìn)行接觸式的測窗量測。這種傳統(tǒng)的方法準(zhǔn)確性高、可靠性強(qiáng)，但也存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)在：測量工作量大、人為因素干擾強(qiáng)、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、甚至還有一定的危險(xiǎn)性。例如：在高陡邊坡勘察中，很多構(gòu)造點(diǎn)是勘察人員無法到達(dá)進(jìn)行接觸測量的；在開挖邊坡現(xiàn)場，高危邊坡下量測的勘察人員具有潛在的傷害威脅。

目前可通過無人機(jī)航拍技術(shù)，對于獲取影像進(jìn)行識別與解譯，建立目標(biāo)體的三維模型，進(jìn)而提取目標(biāo)體的三維坐標(biāo)及結(jié)構(gòu)面幾何信息，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)影像數(shù)據(jù)的獲取→處理→應(yīng)用的完整作業(yè)流程。由于無人機(jī)拍攝的影像上每一個(gè)像素點(diǎn)都有其經(jīng)緯度信息。所以可通過軟件瀏覽危險(xiǎn)礦體三維模型并直接讀取巖體結(jié)構(gòu)面的經(jīng)緯度和高程信息。

根據(jù)不在同一直線上的三點(diǎn)確定一個(gè)平面的原理，則地質(zhì)體結(jié)構(gòu)面的平面方程式為：

（1）A=0時(shí)，則

（2）當(dāng)A≠0時(shí)，則

其中

通過該方法結(jié)合少量的地面補(bǔ)充調(diào)查，可得到危險(xiǎn)礦體的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息，采用赤平投影法即可對危險(xiǎn)礦體進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)。

1.3 危險(xiǎn)礦體體積計(jì)算

在傳統(tǒng)的高位危險(xiǎn)礦體積測量中，通過測量礦體的長度、寬度和高度來計(jì)算體積。由于測量方法的限制，結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系往往被忽略。崩塌體的規(guī)模由主要控制結(jié)構(gòu)面的空間組合、間距和延伸特征決定。傳統(tǒng)勘探方法難以準(zhǔn)確獲取高位危險(xiǎn)礦體結(jié)構(gòu)面的姿態(tài)信息，無法準(zhǔn)確計(jì)算崩塌體體積。無人機(jī)攝影測量技術(shù)能夠準(zhǔn)確獲取危險(xiǎn)礦體的空間結(jié)構(gòu)特征并計(jì)算危險(xiǎn)礦體體積。

針對危險(xiǎn)礦體體積計(jì)算有規(guī)則體計(jì)算方法和不規(guī)則體計(jì)算方法。

危險(xiǎn)礦體結(jié)構(gòu)面聯(lián)合體積測量理論有以下基本假設(shè)：①結(jié)構(gòu)面是貫穿礦體的平面，通過實(shí)際模型測量可以得到結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀；②切割形成的塊體為剛體，不考慮塊體本身的損壞；③礦體失穩(wěn)是在荷載作用下沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切滑移。對于受結(jié)構(gòu)面控制的危險(xiǎn)礦體，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系確定其體積。

在實(shí)際應(yīng)用中，對軟件擬合的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分組，找出危險(xiǎn)礦體的主要控制結(jié)構(gòu)面。通過擴(kuò)展結(jié)構(gòu)面，可以通過空間組合關(guān)系得到危險(xiǎn)巖體的體積。一般情況下，利用ploywork點(diǎn)云處理軟件對三組結(jié)構(gòu)面進(jìn)行擴(kuò)展，并將結(jié)構(gòu)面組合成危險(xiǎn)礦體。王棟通過危險(xiǎn)礦體結(jié)構(gòu)面聯(lián)合體積測量理論對成昆鐵路吉爾木隧道所處的高山峽谷上方規(guī)則危險(xiǎn)礦體體進(jìn)行了測算（圖2）。

圖2 采用聯(lián)合結(jié)構(gòu)面進(jìn)行測算的危險(xiǎn)礦體與切割體結(jié)構(gòu)面組合示意圖（JA、JB、JD結(jié)構(gòu)面控制危險(xiǎn)礦體）

危險(xiǎn)礦體結(jié)構(gòu)面聯(lián)合體積測量理論主要應(yīng)用于規(guī)則的礦體，而對于不規(guī)則的礦體，由于其形狀不受到結(jié)構(gòu)面的控制，如果依舊使用規(guī)則體的計(jì)算方法，產(chǎn)生的誤差較大。而Smart3D可在三維建模后，在模型體中假定一個(gè)破裂面，軟件會自動對平面進(jìn)行擬合，并對危險(xiǎn)礦體進(jìn)行切割，提取出危險(xiǎn)礦體體積。如圖3對不規(guī)則的危險(xiǎn)礦體進(jìn)行了體積測算。

圖3 Smart軟件中對于危險(xiǎn)礦體假定平面的劃定及自動計(jì)算

2 無人機(jī)建模軟件與方法

無人機(jī)傾斜攝影測量獲得的三維模型，可全方位無死角的快速再現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害體及其周圍的真實(shí)場景，清晰顯示地質(zhì)災(zāi)害體的類型、規(guī)模、區(qū)域范圍和地形，直觀、準(zhǔn)確地識別地質(zhì)災(zāi)害體的形態(tài)特征。

通過三維模型可讀取任意點(diǎn)的高程值和任意兩點(diǎn)之間的高差、坡度、坡向等信息，為研究大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害提供了三維參數(shù)。結(jié)合地面調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以快速解釋和評價(jià)地質(zhì)災(zāi)害體的特征和影響，為現(xiàn)場應(yīng)急調(diào)查和分析提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

目前市場上應(yīng)用比較廣的傾斜攝影建模軟件有：美國 的Pictometry， 法 國 的Smart3D（ContextCapture）、StreetFactory，瑞士的Pix4DMapper，以色列的VisionMap等。國內(nèi)用的最多的是Pix4D、Smart3D和Photoscarn。主流的建模軟件為Pix4D和Smart3D，目前的建模精度已經(jīng)符合《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，可以應(yīng)用到大部分實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目中。

結(jié)合表1可發(fā)現(xiàn)，目前無人機(jī)傾斜攝影建模應(yīng)用主要是基于建立真實(shí)紋理三維模型，由于傾斜攝影測量建模方法的特殊性，即數(shù)據(jù)一體性，生成的三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)為一個(gè)完全整體。綜合對比評價(jià)Pix4D的操作更為簡便快捷，而Smart3D的處理穩(wěn)定性更好更適合大型項(xiàng)目，二者在不同的項(xiàng)目需求中各自有優(yōu)勢。

表1 國內(nèi)常用傾斜攝影建模軟件對比

3 無人機(jī)傾斜攝影測量應(yīng)用現(xiàn)狀與存在問題

危險(xiǎn)礦體是潛在的崩塌體。其主要特點(diǎn)是：①所處的位置通常是高差大或坡體是孤立陡峭的山嘴，坡體前有巨大臨空面的凹形陡坡；②危險(xiǎn)礦體內(nèi)裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)不完整，有大量與斜坡傾向一致或平行延伸的裂隙或軟弱帶；③危險(xiǎn)礦體上二部已有拉張裂隙出現(xiàn)，并不斷擴(kuò)展。崩塌災(zāi)害主要發(fā)生在云南、貴州、四川、廣西、湖南、湖北、江西等省份。

針對危險(xiǎn)礦體的主要特點(diǎn)，無人機(jī)傾斜攝影測量獲取的高分辨率影像資料和真實(shí)的三維模型可實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)礦體形狀分布特征和微區(qū)地形特征的準(zhǔn)確描述，準(zhǔn)確提取地質(zhì)災(zāi)害屬性信息。例如通過無人機(jī)航拍傾斜攝影提取的山體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對礦體的裂隙、結(jié)構(gòu)面等幾何特征進(jìn)行快速識別，分析潛在崩塌災(zāi)害。

此類應(yīng)用主要推廣應(yīng)用于例如高原復(fù)雜山區(qū)對于危險(xiǎn)礦體的識別、高陡邊坡體上危險(xiǎn)礦體的識別等相較傳統(tǒng)勘察手段低效難度大的項(xiàng)目地區(qū)，可以大大降低勘查人員的工作危險(xiǎn)。

此外，多次連續(xù)飛行獲得的圖像和三維模型還可以監(jiān)測災(zāi)害體并掌握其隨時(shí)間變化的特征，測算危險(xiǎn)礦體傾向傾角陡傾變化，實(shí)現(xiàn)對于危險(xiǎn)礦體的監(jiān)測。

我國崩塌地質(zhì)災(zāi)害大部分分布于西南山區(qū)，山區(qū)特點(diǎn)主要是地形地貌起伏較大，植被覆蓋度高。無人機(jī)在獲取影像時(shí)，大部分鏡頭受光源條件影響較大，存在弱光條件下曝光不足或山體陰影遮擋目標(biāo)等問題，這是無法通過人工補(bǔ)光解決。

另外，植被覆蓋度較大的山區(qū)，紋理比較單一，而山區(qū)有較多危險(xiǎn)礦體被草木覆蓋，其識別效果較差。部分山體起伏較大，無人機(jī)影像較容易出現(xiàn)幾何畸變，在提取特征點(diǎn)時(shí)會存在著較多的粗差點(diǎn)，影響影像的匹配。

4 結(jié)論與展望

我國關(guān)于無人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)在于危險(xiǎn)礦體的勘察評價(jià)應(yīng)用中已經(jīng)逐步推廣，目前無人機(jī)傾斜攝影三維建模的應(yīng)用停留于幾何應(yīng)用方面。這是由于無人機(jī)傾斜攝影測量建模的數(shù)據(jù)一體性所決定的，即在建模的過程中不能一并將地質(zhì)體信息錄入并在模型中進(jìn)行演算。導(dǎo)致利用無人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)進(jìn)行危險(xiǎn)礦體調(diào)查評價(jià)工作強(qiáng)烈依賴于地面調(diào)查和人工測量基礎(chǔ)。

由于危險(xiǎn)礦體本身具備的隱蔽性，加上無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)本身受到光源條件、氣象條件的影響，即在兩者條件惡劣的情況下所拍攝航片會影響建模精度，因此，在某些程度上無人機(jī)傾斜攝影無法完全替代人工勘察。今后的研究中，應(yīng)著重發(fā)展無人機(jī)建模與數(shù)值分析模擬的融合技術(shù)，進(jìn)一步提高無人機(jī)技術(shù)的穩(wěn)定性，解決其獲取影像時(shí)光源問題，例如，建模時(shí)減少影像的畸變等。從而為小型無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在危險(xiǎn)礦體的精準(zhǔn)識別和科學(xué)建模提供便利，拓展其在危險(xiǎn)礦體防治工作的應(yīng)用前景。