柴 香，張 帥,2，周 鵬，馮鎮(zhèn)宇，劉滋源

（1. 重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；3. 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 400042；4. 遵義市匯川區(qū)自然資源局，貴州 遵義 563000；5. 廣西北斗星測(cè)繪科技有限公司西南分公司，重慶 409000）

隨著國(guó)內(nèi)交通網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，產(chǎn)生了較多的邊坡工程，邊坡病害的及時(shí)治理可以保證人類(lèi)出行安全[1]。多地都曾發(fā)生由于暴雨導(dǎo)致邊坡突然坍塌，列車(chē)躲避不及時(shí)導(dǎo)致脫軌、人員重大傷亡等事故。傳統(tǒng)的人工巡檢存在著一定的局限性，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)憑借其高效、安全、便捷等優(yōu)勢(shì)脫穎而出，成為防災(zāi)減災(zāi)工作的新寵[2]。利用無(wú)人機(jī)技術(shù)可為數(shù)字邊坡提供實(shí)景三維模型，其良好的可視化效果與傳統(tǒng)的數(shù)字化資料形成鮮明對(duì)比[3]，這將更有利于決策人員根據(jù)測(cè)區(qū)情況采取措施來(lái)維護(hù)邊坡安全。

1 公路邊坡概況及影像數(shù)據(jù)采集

1.1 測(cè)區(qū)概況

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)選擇位于重慶市廣陽(yáng)鎮(zhèn)東港園區(qū)內(nèi)最大的一號(hào)邊坡，該邊坡長(zhǎng)100 m，坡高60 m，坡度約為60°[4]，巖體由泥巖和砂巖組成，易風(fēng)化碎落；水文資源匱乏，以第四系松散巖類(lèi)孔隙水與基巖裂隙水為主。此外，年降雨量約為1 100 mm，雨量充沛。

1.2 整體巡檢影像數(shù)據(jù)采集

本次使用大疆Phantom 4 Pro 無(wú)人機(jī)進(jìn)行影像獲取，并基于ContextCapture 軟件實(shí)現(xiàn)模型成果的生成。圖1 為影像數(shù)據(jù)獲取流程，使用Pix4Dmapper 對(duì)原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，將不合格數(shù)據(jù)及時(shí)剔除并進(jìn)行補(bǔ)拍，驗(yàn)收合格后利用ContextCapture 獲取高精度的測(cè)區(qū)三維模型[5]，然后實(shí)現(xiàn)邊坡病害的位置及類(lèi)別等信息在模型中的標(biāo)記，以便于后期對(duì)特殊病害位置采取定點(diǎn)防護(hù)措施。

圖1 無(wú)人機(jī)影像獲取流程圖

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了南北走向的5 條航線(xiàn)，航向、旁向重疊度分別為80%和70%，航高為70 m。此外采集了4 個(gè)像控點(diǎn)和6 個(gè)檢查點(diǎn)，像控點(diǎn)用于數(shù)據(jù)處理過(guò)程中有效提高模型精度以及參與空三精度分析，檢查點(diǎn)用于三維模型成果的精度分析，精度達(dá)標(biāo)后才可將模型成果用于實(shí)際工程中。

1.3 精細(xì)巡檢影像數(shù)據(jù)采集

大疆Phantom 4 Pro配備先進(jìn)的視覺(jué)定位和障礙物感知系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)指點(diǎn)飛行和懸停功能[6]，基于此，對(duì)重點(diǎn)位置或疑似病害位置開(kāi)展精細(xì)巡檢工作才變?yōu)榭赡?。本次?shí)驗(yàn)按從左到右、從上到下的順序，對(duì)排水溝，防護(hù)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行安全隱患的抓拍，將病害信息在模型成果中進(jìn)行標(biāo)記，從而充分發(fā)揮兩大巡檢模式協(xié)同作業(yè)的優(yōu)勢(shì)，有效實(shí)現(xiàn)邊坡安全巡檢。

2 無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理

2.1 整體巡檢數(shù)據(jù)處理

本次整體巡檢共得到383 張高質(zhì)量影像，相機(jī)焦距為8.8 mm，影像分辨率為5 472×3 468 像素，像元分辨率為2.41 um。圖2 為整體巡檢數(shù)據(jù)處理流程，首先對(duì)原始影像進(jìn)行空中三角加密，通過(guò)多視角影像密集匹配得到密集點(diǎn)云，而后進(jìn)行TIN 網(wǎng)格構(gòu)建、白模創(chuàng)建及紋理映射操作，最終得到測(cè)區(qū)三維模型。此外，基于密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可獲取數(shù)字表面模型，進(jìn)而得到以圖幅為單位的多幅數(shù)字正射影像（DOM）[7]，最后將其拼接為完整的DOM 成果數(shù)據(jù)，利用該成果可宏觀了解測(cè)區(qū)邊坡及其周?chē)匚锏年P(guān)系。

圖2 整體巡檢數(shù)據(jù)處理技術(shù)路線(xiàn)

空中三角測(cè)量是傾斜影像和正射影像間的混合平差，圖3 即為空三加密流程圖，最終可解算得到所有影像精確的外方位元素[8]。它是無(wú)人機(jī)影像處理中的關(guān)鍵步驟，其實(shí)現(xiàn)效果直接關(guān)系著后續(xù)三維建模的成果精度[9]。

圖3 空三加密過(guò)程圖

2.2 精細(xì)巡檢數(shù)據(jù)處理

本次實(shí)驗(yàn)主要對(duì)邊坡的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)巡檢，如邊坡的排水溝以及防護(hù)結(jié)構(gòu)等。通過(guò)人工目視判別影像數(shù)據(jù)中的病害情況，對(duì)其位置以及類(lèi)別信息進(jìn)行詳細(xì)記錄，以便后期巡檢人員根據(jù)病害情況對(duì)該邊坡的后續(xù)治理提供建議并采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

3 數(shù)據(jù)成果及分析

3.1 整體巡檢成果

整體巡檢數(shù)據(jù)處理后，可按需生成測(cè)區(qū)實(shí)景三維模型及數(shù)字正射影像，后續(xù)精細(xì)巡檢過(guò)程主要對(duì)三維模型成果進(jìn)行應(yīng)用。圖4 即為測(cè)區(qū)邊坡的正射影像拼接圖，可以看出邊坡與相鄰兩條公路的位置分布情況，上方鄉(xiāng)村公路旁有碎石但未影響通行，中部園區(qū)公路暢通；骨架防護(hù)設(shè)施分布明顯，坡頂植物生長(zhǎng)茂盛，且設(shè)有抗滑樁和排水溝；尚未發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)在精細(xì)巡檢中注意小型病害的發(fā)展情況。圖5 為測(cè)區(qū)三維模型，與二維數(shù)據(jù)相比，三維模型可視化效果極強(qiáng)，基于實(shí)景模型對(duì)邊坡病害進(jìn)行標(biāo)記及詳細(xì)分析，可充分發(fā)揮三維可視化的巨大優(yōu)勢(shì)[10]。

圖4 邊坡正射影像圖

圖5 邊坡三維模型

3.2 空三成果精度分析

空三精度對(duì)于后續(xù)測(cè)量成果精度的影響極大，本文根據(jù)控制點(diǎn)及空三匹配成果進(jìn)行精度驗(yàn)證，如表3 所示。經(jīng)分析，控制點(diǎn)的水平中誤差為0.41 cm，垂直中誤差為0.07 cm，達(dá)到了厘米級(jí)精度，這表明影像空三匹配效果較好，很大程度上確保了后續(xù)所建模型的精度。

表3 空三加密控制點(diǎn)誤差/cm

3.3 三維模型精度分析

中誤差作為誤差精度分析中效果較好的一種指標(biāo)，常被用于衡量觀測(cè)精度[11]。本次實(shí)驗(yàn)采用6 個(gè)檢查點(diǎn)對(duì)模型精度進(jìn)行判定，將其坐標(biāo)實(shí)測(cè)值與模型中對(duì)應(yīng)量測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合中誤差計(jì)算方式（見(jiàn)式1～4），即可得到模型成果的平面以及高程誤差，如表4、5所示。

表4 檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表/m

經(jīng)分析可知，本測(cè)區(qū)邊坡三維模型x方向、y方向的中誤差分別為0.077 m、0.058 m，其平面最大誤差為0.123 m、中誤差為0.097 m，高程最大誤差為0.065 m、中誤差為0.058 m。根據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》，Ⅰ級(jí)1∶500 成圖比例尺三維模型產(chǎn)品的平面中誤差應(yīng)小于0.3 m，高程中誤差應(yīng)小于0.5 m[12]，本次測(cè)區(qū)三維模型的平面及高程中誤差均小于該規(guī)范要求，精度較高，可用于實(shí)際邊坡工程應(yīng)用中。

表5 模型成果平面及高程誤差

3.4 精細(xì)巡檢成果及分析

通過(guò)對(duì)測(cè)區(qū)邊坡排水溝及防護(hù)結(jié)構(gòu)等重要區(qū)域的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行目視判別，該邊坡的的巖體結(jié)構(gòu)較為完整，有2 處局部巖體風(fēng)化較為嚴(yán)重；坡頂1 處排水溝存在裂縫病害。此外，由于坡頂植物茂密，無(wú)人機(jī)無(wú)法判定隱藏于植被之下的地表病害，本文使用多邊形要素將無(wú)法判別的區(qū)域在模型中進(jìn)行面狀標(biāo)記，如圖6 所示，該區(qū)域后續(xù)可采用人工輔助巡檢，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)+人工輔助式的測(cè)區(qū)范圍全覆蓋性巡檢，以充分確保邊坡安全。

圖6 病害信息標(biāo)記

3.5 邊坡安全等級(jí)判定

依據(jù)《高速公路路塹高邊坡工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》，采用指標(biāo)體系法，基于建設(shè)規(guī)模、地質(zhì)條件、誘發(fā)因素、施工環(huán)境、資料完整性5 大指標(biāo)分類(lèi)，結(jié)合測(cè)區(qū)實(shí)際情況，最終選取施工季節(jié)、坡形坡率、邊坡高度、地層巖性、周邊環(huán)境、自然災(zāi)害的影響、地質(zhì)資料7 個(gè)評(píng)估指標(biāo)，且重要性由高到低依次排序?yàn)?～1，以此展開(kāi)邊坡的安全等級(jí)判定。評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算如式（5），則所選7 個(gè)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)依次為：0.020、0.061、0.102、0.143、0.184、0.224、0.265。根據(jù)總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系表，結(jié)合測(cè)區(qū)實(shí)際情況，各評(píng)估指標(biāo)的基本分值依次為100、100、100、85、80、45、100。

式中，r為權(quán)重系數(shù)；n為評(píng)估指標(biāo)項(xiàng)數(shù)；m為重要性排號(hào)，m≤n。

邊坡安全總體風(fēng)險(xiǎn)按下式（6）、（7）計(jì)算確定：

式中，Xij為評(píng)估指標(biāo)的分值；Rij為各指標(biāo)基本分值；i=1,2,3,4,5；j=1,2，……，n。

計(jì)算可知該邊坡工程的總體風(fēng)險(xiǎn)值為81.84，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅳ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)極高。因此，工作人員應(yīng)加強(qiáng)該邊坡的安全巡檢和監(jiān)測(cè)工作，采用無(wú)人機(jī)作業(yè)+人工巡檢的方式，詳細(xì)掌握邊坡病害的類(lèi)型、位置、形成條件以及發(fā)展趨勢(shì)等情況并采取相應(yīng)防護(hù)措施，以保證邊坡長(zhǎng)期安全。

4 Web端模型可視化

Wish3D Earth是基于底層WebGL技術(shù)所開(kāi)發(fā)的集數(shù)據(jù)上傳、管理、展示和快速分享于一體的三維地球平臺(tái)[13]。本文基于該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)三維模型的管理與可視化展示，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，使其與底圖影像間實(shí)現(xiàn)高度貼合。

5 結(jié) 論

本文基于整體巡檢和精細(xì)巡檢2種模式實(shí)現(xiàn)了病害信息在三維模型上的標(biāo)記與管理，對(duì)成果精度進(jìn)行驗(yàn)證、邊坡安全等級(jí)進(jìn)行了判定并實(shí)現(xiàn)了測(cè)區(qū)Web端的模型可視化。通過(guò)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)，加以人工輔助，結(jié)合2種巡檢模式，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)邊坡隱患、預(yù)防事故突發(fā)，有效保障人員人身安全和避免更大的經(jīng)濟(jì)損失。后續(xù)將在上述工作的基礎(chǔ)上，基于開(kāi)源的Cesium 三維開(kāi)發(fā)框架，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一套完整的邊坡數(shù)據(jù)管理與災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字邊坡智能化的信息管理。