文超

(四川鹽業(yè)地質(zhì)鉆井大隊(duì)，四川 自貢 643000)

1 引 言

目前，地質(zhì)災(zāi)害中邊坡失穩(wěn)是形成滑坡的主要原因，對(duì)地災(zāi)滑坡進(jìn)行測(cè)繪可以有效地識(shí)別邊坡的穩(wěn)定性，不僅能夠保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，也在一定程度上為邊坡工程防治提供了數(shù)據(jù)支撐[1]。

傳統(tǒng)地災(zāi)滑坡測(cè)繪主要依靠人工測(cè)量，不但效率低，精度差，而且有著次生危害發(fā)生的危險(xiǎn)。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是一種利用無(wú)人機(jī)靈活度高、精度高優(yōu)勢(shì)的現(xiàn)代化測(cè)量技術(shù)，能夠克服交通中斷、次生災(zāi)害危害等一系列不利因素，及時(shí)有效地采集數(shù)據(jù)，通過(guò)采集的數(shù)據(jù)生產(chǎn)災(zāi)區(qū)的正射影像、DEM等，構(gòu)建三維模型，為現(xiàn)場(chǎng)指揮應(yīng)急救援工作及時(shí)提供了真實(shí)可靠的圖形文件[2～4]。劉建勛以太原山體滑坡為例，在從應(yīng)急預(yù)案、航攝作業(yè)和數(shù)據(jù)處理三個(gè)方面研究了無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，證明了無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的及時(shí)性、安全性和有效性[5]。杜陽(yáng)陽(yáng)利用無(wú)人機(jī)技術(shù)，通過(guò)運(yùn)用三維數(shù)據(jù)建立GIS模型，實(shí)現(xiàn)了鐵路災(zāi)后的應(yīng)急測(cè)繪和滑坡災(zāi)害位置的識(shí)別，對(duì)鐵路災(zāi)害應(yīng)急救援具有重要意義[6]。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)具有數(shù)據(jù)采集速度快、時(shí)效性強(qiáng)、靈敏性高、能多角度采集等特點(diǎn)，非常適用于應(yīng)急測(cè)繪保障工作[7]。

本研究以樂(lè)山市福川鹽業(yè)有限責(zé)任公司天宮山鹽礦二期輸鹵及淡鹽水回送管道建設(shè)工程-青龍村7組豆芽坡滑坡應(yīng)急測(cè)繪項(xiàng)目為例，對(duì)其開(kāi)展基于無(wú)人機(jī)航測(cè)的地災(zāi)滑坡應(yīng)急測(cè)繪技術(shù)研究。該建設(shè)工程所在區(qū)域由于受到2020年夏季暴雨影響，工程管道安裝地段出現(xiàn)滑坡問(wèn)題，為確保管道安全通過(guò)滑坡區(qū)域，進(jìn)行本工程應(yīng)急測(cè)繪和治理勘察設(shè)計(jì)。該滑坡區(qū)域長(zhǎng) 300m，面積 10 180 m2，滑坡落差約 90 m、滑坡土方量 18 036 m3。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)研究

2.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)體系

無(wú)人機(jī)航測(cè)體系組成主要包括航測(cè)平臺(tái)和地面控制兩部分組成，其中航測(cè)平臺(tái)主要包括無(wú)人機(jī)平臺(tái)、無(wú)人機(jī)控制、航攝儀等。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有圖像、數(shù)據(jù)采集快捷，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，靈活性高等特點(diǎn)，可為地災(zāi)滑坡應(yīng)急測(cè)繪提供有效保障。

2.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)字正射影像生成

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)中，數(shù)字正射影像是最能夠直觀展現(xiàn)實(shí)景三維圖像的功能，由于數(shù)字正射影像具有可量測(cè)功能，不僅能夠獲取到已經(jīng)發(fā)生的災(zāi)情信息，同時(shí)還能夠根據(jù)相關(guān)參數(shù)的變化情況對(duì)此次地質(zhì)災(zāi)害情況進(jìn)行推測(cè)，并判斷發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的嚴(yán)重程度[8]。無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)字正射影像生成具體流程為：項(xiàng)目設(shè)計(jì)—航測(cè)實(shí)施—控制測(cè)量—空三加密—DTM編輯—正射糾正—影響拼接—?jiǎng)蛏丸偳丁獰o(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)字正射影像生成。

3 地災(zāi)滑坡應(yīng)急測(cè)繪技術(shù)

3.1 確定無(wú)人機(jī)航測(cè)應(yīng)急數(shù)據(jù)采集精度

針對(duì)地災(zāi)滑坡過(guò)程中，對(duì)相關(guān)應(yīng)急性數(shù)據(jù)的需求，提出了“棋盤(pán)式數(shù)據(jù)標(biāo)注方法”，此種數(shù)據(jù)采集方法屬于無(wú)人機(jī)測(cè)繪工作中的重點(diǎn)技術(shù)。為了確保使用無(wú)人機(jī)測(cè)繪得到數(shù)據(jù)的有效性，使用此方法進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中，標(biāo)定模板應(yīng)由大型生產(chǎn)商對(duì)其進(jìn)行供應(yīng)。規(guī)定標(biāo)定板上每個(gè)標(biāo)定內(nèi)容格的邊長(zhǎng)應(yīng)在 15.0 mm～25.0 mm之間，共25個(gè)小方格組成的四邊均相等的正方形結(jié)構(gòu)[9]。此結(jié)構(gòu)采用鋁制材料塑造，此種結(jié)構(gòu)材料可確保使用無(wú)人機(jī)航進(jìn)行信息測(cè)繪過(guò)程中，相關(guān)外界因素不會(huì)對(duì)其造成過(guò)多干擾，因此最終所測(cè)得或采集的數(shù)據(jù)誤差有所降低。

在測(cè)得數(shù)據(jù)在棋盤(pán)中標(biāo)定的過(guò)程時(shí)，考慮到地災(zāi)滑坡可能會(huì)出現(xiàn)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，因此獲取應(yīng)急數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)從多個(gè)角度進(jìn)行測(cè)量。為了確保數(shù)據(jù)的精度，可在實(shí)際測(cè)繪過(guò)程中參照信息標(biāo)定模板執(zhí)行拍攝工作。在使用無(wú)人機(jī)完成多張圖片的拍攝工作后，可根據(jù)不同角度下獲取圖像的分辨率與矩陣單位，進(jìn)行無(wú)人機(jī)攝像頭畸變參數(shù)的核算。在此過(guò)程中，可利用上述提出方法的顯著優(yōu)勢(shì)，獲取空間中某一標(biāo)定點(diǎn)，并將其與攝影實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)建立一定的映射關(guān)系。假定空間標(biāo)定的坐標(biāo)點(diǎn)可表示為m，那么所有坐標(biāo)點(diǎn)的集合為M=[m1，m2，m3，1]T，根據(jù)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)信息，可認(rèn)為拍攝的畸形圖片對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)可表示為m′=[I；x；y]。在此基礎(chǔ)上使用空間數(shù)據(jù)標(biāo)定算法，進(jìn)行畸變點(diǎn)映射關(guān)系的投影。投影公式如下所示。

km=C[j，s]M

(1)

公式(1)中，k表示使用無(wú)人機(jī)拍攝過(guò)程中坐標(biāo)點(diǎn)的單位比例；C表示拍攝設(shè)備的內(nèi)置有效行為參數(shù)，通常情況下以矩陣的方式表達(dá)；j表示圖片的旋轉(zhuǎn)角度；s表示不同空間點(diǎn)的位移量。綜合上述計(jì)算公式，將其簡(jiǎn)化可表示為：

km=HM

(2)

公式(2)中，H表示為數(shù)據(jù)的單邊性約束條件。使用上述計(jì)算公式，對(duì)獲取圖像的不同空間坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行映射關(guān)系處理[10]。完成相關(guān)處理工作后，考慮到使用無(wú)人機(jī)航攝是需要人為進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)或操控的，因此在實(shí)際獲取應(yīng)急數(shù)據(jù)過(guò)程中，需要至少2個(gè)人在遠(yuǎn)程地面終端進(jìn)行配合。例如，安排一人調(diào)整無(wú)人機(jī)拍照角度，要求另一人在此過(guò)程中移動(dòng)標(biāo)定板，使獲取的數(shù)據(jù)與網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)[11]。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)拍攝區(qū)域的地質(zhì)條件，選擇無(wú)人機(jī)攝像頭的擺放位置，按照拍攝過(guò)程由上到下鏡頭移動(dòng)方向，對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。在確保多鏡頭處于相同水平角度的條件下時(shí)，完成無(wú)人機(jī)航測(cè)應(yīng)急數(shù)據(jù)或圖像的采集。根據(jù)上述獲取的相關(guān)信息可知，在實(shí)際拍攝工作中，應(yīng)至少獲取3張圖片，才能使用上述提出方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)定。為了使獲取的最終信息更為準(zhǔn)確，標(biāo)定的結(jié)果更為可靠，選擇10張～15張圖像為最佳。

3.2 地災(zāi)滑坡應(yīng)急監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)選取與布設(shè)

在完成無(wú)人機(jī)航測(cè)應(yīng)急數(shù)據(jù)采集精度的確定后，需要同步進(jìn)行區(qū)域監(jiān)控點(diǎn)的選擇。選擇過(guò)程中，應(yīng)對(duì)地質(zhì)滑坡現(xiàn)象進(jìn)行勘查，掌握測(cè)繪區(qū)域的地勢(shì)與地形，選定標(biāo)準(zhǔn)的控制點(diǎn)[12]。根據(jù)上述分析，本章將最終獲取的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行價(jià)值挖掘，這一過(guò)程中為了更加精準(zhǔn)地掌握滑坡現(xiàn)象，應(yīng)增設(shè)對(duì)地質(zhì)邊緣是否出現(xiàn)凹陷的測(cè)繪。因此，在測(cè)繪過(guò)程中，需要將航拍坐標(biāo)與地質(zhì)坐標(biāo)進(jìn)行比例尺規(guī)劃，整合測(cè)繪過(guò)程使用的計(jì)量設(shè)備，輔助配以人工測(cè)量方式，進(jìn)行監(jiān)控點(diǎn)標(biāo)注。示意圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)記點(diǎn)形狀示意圖

如上述圖1所示，按照標(biāo)記點(diǎn)一個(gè)標(biāo)定區(qū)域以對(duì)角劃分的方式，切割成4個(gè)面積對(duì)等的三角形。其中兩個(gè)對(duì)角三角形為黑色，另兩個(gè)三角形布設(shè)為白色，由上述五個(gè)相同圖案組成[13]。由于對(duì)角位置的布控點(diǎn)在實(shí)際工作中可能存在一定的不穩(wěn)定性，因此在執(zhí)行測(cè)量工作前，可在區(qū)域內(nèi)增設(shè)一個(gè)規(guī)則的水泥柱。并且使用GPS、GPRS等設(shè)備對(duì)布設(shè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以人工測(cè)量為標(biāo)準(zhǔn)，將GPS作為輔助，根據(jù)布設(shè)的監(jiān)控點(diǎn)位置進(jìn)行建模，以此為依據(jù)分析區(qū)域是否存在形變。

3.3 基于無(wú)人機(jī)航測(cè)的應(yīng)急測(cè)繪數(shù)據(jù)采集及可視化

在獲取滑坡區(qū)域的形變數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，不僅應(yīng)嚴(yán)格地控制布設(shè)點(diǎn)位置，也需要考慮到在執(zhí)行此步驟行為過(guò)程中，不同監(jiān)控設(shè)備的使用參數(shù)、執(zhí)行屬性、基本性能等。并對(duì)監(jiān)測(cè)的周邊地區(qū)進(jìn)行地形、地勢(shì)、等高距離的數(shù)據(jù)獲取。綜合分析上述因素，在拍攝過(guò)程中，應(yīng)同步收看天氣預(yù)報(bào)，選擇無(wú)云、晴朗的天氣，進(jìn)行航拍攝影。在完成拍攝工作后，應(yīng)及時(shí)對(duì)拍攝的內(nèi)容進(jìn)行審核。包括獲取的圖像是否清晰、多張拍攝圖像是否存在重疊交叉問(wèn)題等[14]。

根據(jù)上述提出的行為，進(jìn)行圖像處理步驟與流程規(guī)劃：獲取地質(zhì)滑坡區(qū)域的土壤樣本，取樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行其中微生物質(zhì)的提取。為了避免這一過(guò)程耗費(fèi)大量的人力物力，可綜合拍攝地面向?qū)ο?，結(jié)合土地紋路，進(jìn)行參數(shù)的組合，對(duì)土地資源信息進(jìn)行合理化分類。

對(duì)于外部采集的地質(zhì)數(shù)據(jù)，可引入高程信息模型，對(duì)拍攝的成果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括高程坐標(biāo)、地質(zhì)信息、地質(zhì)坐標(biāo)、經(jīng)緯度等。在此基礎(chǔ)上采用人工勾畫(huà)的方式，對(duì)獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化分類，以此得出監(jiān)測(cè)區(qū)域的地表面積[15]。

此外，結(jié)合數(shù)字?jǐn)z影平臺(tái)提供圖像處理的自動(dòng)校準(zhǔn)與匹配功能，上傳圖像信息，生成數(shù)字正射影像，實(shí)現(xiàn)對(duì)地災(zāi)滑坡數(shù)據(jù)變化的可視化展現(xiàn)?？紤]到圖像信息在平臺(tái)中較不穩(wěn)定，因此可采用將數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式存儲(chǔ)的方式，將其導(dǎo)入指定硬盤(pán)內(nèi)。

針對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)的可視化，主要采用智能規(guī)劃軟件，通過(guò)在顯示窗口中對(duì)無(wú)人機(jī)型號(hào)、載荷型號(hào)、成圖比例尺、地面分辨率、鏡頭焦距、航向重疊度。相對(duì)高度、起飛點(diǎn)海拔等航線參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，可在顯示窗口當(dāng)中實(shí)時(shí)展現(xiàn)無(wú)人機(jī)的航線及拍攝圖像。除此之外，程序當(dāng)中還能夠?qū)δJ(rèn)速度、默認(rèn)航程、作業(yè)面積、任務(wù)航時(shí)等參數(shù)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，以此實(shí)現(xiàn)基于無(wú)人機(jī)航測(cè)的測(cè)繪的可視化。

4 實(shí)驗(yàn)論證分析

為驗(yàn)證本文提出的基于無(wú)人機(jī)航測(cè)的地災(zāi)滑坡應(yīng)急測(cè)繪技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的可行性，將其與傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行比較。假設(shè)本文提出的測(cè)繪技術(shù)為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)為對(duì)照組，選擇某地區(qū)已經(jīng)產(chǎn)生明顯邊坡滑動(dòng)現(xiàn)象的區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別利用兩種技術(shù)對(duì)其在地災(zāi)滑坡發(fā)生時(shí)進(jìn)行測(cè)繪。為更加清晰地將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)選擇5個(gè)標(biāo)記點(diǎn)作為對(duì)比參數(shù)，5個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：A：(168.5 m，183.7 m)、B：(154.5 m，243.7 m)、C：(274.5 m，243.5 m)、D：(342.7 m，235.4 m)、E：(325.4 m，253.4 m)。按照上述實(shí)驗(yàn)操作完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組得出的測(cè)繪結(jié)果進(jìn)行記錄，繪制成如表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組測(cè)繪消耗時(shí)間對(duì)比

根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)組完成測(cè)繪最多消耗時(shí)間為 15.47 ms，對(duì)照組完成測(cè)繪最多消耗時(shí)間為 86.47 ms，因此實(shí)驗(yàn)組對(duì)地災(zāi)滑坡的測(cè)繪耗時(shí)明顯小于對(duì)照組。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于無(wú)人機(jī)航測(cè)的地災(zāi)滑坡應(yīng)急測(cè)繪技術(shù)有效縮短了對(duì)地災(zāi)滑坡的測(cè)繪時(shí)間，提高了該方法的效率，滿足地災(zāi)滑坡治理的應(yīng)急要求，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)變化的可視化展現(xiàn)，進(jìn)一步提高了監(jiān)測(cè)的交互性，可輔助后續(xù)應(yīng)急救援施工的順利進(jìn)行，降低由于地災(zāi)滑坡對(duì)周圍環(huán)境的影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)地災(zāi)滑坡測(cè)繪存在的不足，結(jié)合無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，開(kāi)展對(duì)其應(yīng)急測(cè)繪技術(shù)的設(shè)計(jì)研究。將本文提出的應(yīng)急測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡災(zāi)害具體情況的高精度描繪，為后續(xù)展開(kāi)一系列方式措施，提供有利的數(shù)據(jù)支撐，并實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)，為地災(zāi)滑坡應(yīng)急測(cè)繪研究提供新方向。