摘""要：以張家界市天門洞國家5A級景點的崩塌地質(zhì)災害為研究案例，利用不同測量技術(shù)快速獲取研究區(qū)多角度影像數(shù)據(jù)，通過Context"Capture軟件構(gòu)建不同格式實景三維模型，同時運用CloudCompare、Trimble"realworks"viewer等軟件，對災區(qū)地質(zhì)災害隱患風險進行識別分析和信息提取，進而完成研究區(qū)地質(zhì)災害調(diào)查與評估和地質(zhì)災害勘查任務。多種測繪方法的應用研究為解決高位和特高危巖體的分析識別工作提供了一種新思路。

關鍵詞：崩塌地質(zhì)災害"危巖勘查"架站式三維激光掃描儀"貼近攝影測量"實景三維模型"實景點云模型

中圖分類號：P694

Research"on"the"Application"of"Various"Surveying"and"Mapping"Methods"in"the"Geological"Hazard"of"Tianmen"Cave"Collapse"in"Zhangjiajie

LI"Lihong""OUYANG"Hongjun*

Hunan"Provincial"Geological"Disaster"Survey"and"Monitoring"Institute，Changsha，Hunan"Province，410004"China

Abstract：This"article"takes"the"geological"disaster"of"the"collapse"of"the"Tianmen"Cave，"a"National"5A"scenic"spot，"in"Zhangjiajie"City"as"a"research"case，"uses"different"measurement"techniques"to"quickly"obtain"the"multi-angle"image"data"of"the"research"area，"and"constructs"the"real"3D"models"of"different"formats"by"Context"Capture"software."At"the"same"time，"it"uses"software"such"as"CloudCompare"and"Trimble"realworks"viewer"to"identify"and"analyze"the"hidden"risks"of"geological"disasters"in"the"disaster"area"and"extract"information，"so"as"to"complete"the"tasks"of"geological"hazard"investigation"and"assessment，"as"well"as"geological"hazard"exploration"in"the"research"area."The"application"research"of"various"surveying"and"mapping"methods"provides"a"new"idea"for"solving"the"analysis"and"identification"of"high-level"and"extra-high"dangerous"rock"masses.

Key"Words：Geological"hazards"of"collapse；Dangerous"rock"exploration；Stand-up"3D"laser"scanner；"Proximity"photogrammetry；Real"3D"model；Real"point"cloud"model

崩塌是陡坡上巖土體在重力作用下脫離母體發(fā)生崩落、滾動、堆積在坡腳或溝谷的一種地質(zhì)現(xiàn)象。具有發(fā)生時間不確定、崩落速度極快、主要沿垂直方向墜落等特點，可在短時間內(nèi)造成大傷害[1]。崩塌地質(zhì)災害勘查工作的核心任務是獲取危巖體的特征參數(shù)、評價危巖體的穩(wěn)定性、預測危巖體的發(fā)展趨勢，提出可行的防治建議[2]。對于低位危巖勘查，尚可以利用地面調(diào)查、地球物理勘探、鉆探、山地工程和取樣試驗等勘查手段。高位崩塌因具有發(fā)育位置高、斜坡坡度陡、距離地面高差大等特點，靠人工進行地面調(diào)查難度大，且容易存在調(diào)查盲區(qū)，以往常規(guī)勘查方法難以達到理想的勘查效果。

1"概況

天門洞景點是國家5A級旅游景區(qū)-張家界市天門山景區(qū)標志性地質(zhì)遺跡景觀。2022年8月20日凌晨發(fā)生了約600"m3的特高位（相對高度大于100"m）崩塌，崩塌巖體為洞頂附近斷層充填方解石脈。為查明天門洞洞內(nèi)及洞口附近危巖體的分布，分析其穩(wěn)定性，本次除了采用地面調(diào)查進行驗證外，首先搜集并采用地面全站儀（萊卡T02）和RTK進行了1∶1"000、1∶500和1∶200地形測量，采用無棱鏡測繪技術(shù)對洞壁臺階與洞頂進行了裂縫和危巖體測繪；采用專業(yè)攝影師長焦高清攝影，利用大疆精靈"4"RTK無人機搭載睿鉑DG"3傾斜攝影測量影像資料第一次建立三維實景模型，為天門洞崩塌地質(zhì)災害危險性評估工作提供了依據(jù)；在應急勘查階段，利用不同測量技術(shù)快速獲取研究區(qū)多角度影像數(shù)據(jù)，通過Context"Capture軟件構(gòu)建不同格式實景三維模型結(jié)合，同時運用CloudCompare、Trimble"realworks"viewer等軟件構(gòu)建三維點云模型，精確化了地質(zhì)災害評估階段發(fā)現(xiàn)的6處危巖體，新增兩處危巖體。在室內(nèi)模型分析過程中，地面調(diào)查、長焦超清攝影、三維激光掃描、正射和傾斜攝影測量無法克服洞內(nèi)臺階和溶洞內(nèi)部盲區(qū)（黑洞、空洞）的等現(xiàn)象；在詳細勘查階段，為解決前期問題，采用M300RTK搭載賽爾五鏡頭傾斜相機、M300RTK搭載大疆禪思P1相機、大疆御3無人航攝系統(tǒng)結(jié)合華星A10RTK布置像控點，進行了貼近飛行攝影測量，建立了高精度的三維實景模型、三維點云模型。

2"可采用的測繪方法

2.1常規(guī)地形測繪

常規(guī)的地形測繪方法通常采用全站儀配合測圖軟件進行，按照布設控制網(wǎng)→布設圖根控制點→控制點上安置儀器測繪的程序進行地形圖測繪。全站儀要求測站與碎部點間通視，受視距限制，工作效率不高。GPS-RTK技術(shù)開發(fā)后，以其定位技術(shù)具有精度高、速度快、施測靈活、點間不必通視等優(yōu)點受到了快速推廣和運用[3]。

本次采用徠卡TS02系列結(jié)合華星A10RTK，測繪并編制了比例尺為1∶1"000和1∶500工作區(qū)平面圖，洞內(nèi)及洞口采用比例尺為1∶200無棱鏡測繪技術(shù)對洞壁與洞頂進行了裂縫和危巖體測繪。

2.2常規(guī)無人機航攝測量

隨著無人機技術(shù)的成熟，無人機搭載攝像頭的無人機攝影測量技術(shù)被廣泛應用到工程測繪中。其技術(shù)應用優(yōu)勢日顯突出，測繪工作效率與精度得到顯著提升[4]。專業(yè)攝影測量無人機主要有固定翼無人機和大型多旋翼無人機；單體地質(zhì)災害或小區(qū)域地形測量常常采用小型四旋翼無人機。隨著無人機傾斜攝影測量技術(shù)的不斷成熟，結(jié)合地面攝影補充，經(jīng)過紋理完善和修復，實景三維模型更加精細。

本研究先后采用大疆精靈4RTK無人機搭載睿鉑DG3和千尋X1無人機搭載SONYILCE-6000傾斜相機鏡頭，通過傾斜攝影技術(shù)快速獲取地物影像數(shù)據(jù)，進行室內(nèi)構(gòu)建實景三維模型及量測分析，實現(xiàn)較高精度的實景三維信息獲取，通過實景三維影像信息較精確識別、提取地質(zhì)災害隱患信息，為地質(zhì)災害隱患識別與分析提供支持。無人機航攝測量建模時，因拍攝的照片重疊度、像控點的準確度不夠，在數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理過程中，存在信息缺失的問題，模型易出現(xiàn)扭曲變形、紋理不清晰等現(xiàn)象[5-6]。本研究采用了多次建模和手動處理，建立了精度達到部件級三維實景模型。并對崩塌前的三維實景模型和崩塌后建立的三維實景模型進行了對比（如圖1所示）分析。通過對比可以發(fā)現(xiàn)：崩塌前的三維實景模型，洞內(nèi)采用了較高精度的貼近攝影測量，三維模型進行了紋理修復，達到部件級；崩塌后建立的三維實景模型，精度稍差，未進行紋理修復，達到城市級；利用貼近攝影測量建立的三維實景模型經(jīng)過勻光勻色和紋理修復處理，具有最高的精度和清晰度（精細級）。

2.3架站式三維激光掃描

架站式三維激光掃描是目前較尖端的測繪儀器。這些更加先進的儀器和技術(shù)手段的應用，解決了測量山區(qū)復雜地形中精度無法保證、效率難以提高的問題，因其每個測站可采集體量龐大的矢量數(shù)據(jù)，有效測距可大于600"m，目前架站式三維激光掃描儀得到了普遍應用。三維激光掃描測量技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，這些手段的應用，為測量人員的人身安全提供了有力保障[7]。

在應急勘查階段，我們結(jié)合飛馬D2000-OP3000和千尋X1無人機傾斜攝影，天寶SX10、X7等架站式三維激光掃描儀掃描，飛馬SLAM100手持式掃描，飛馬D20-LIDAR22和飛馬D2000-LIDAR2000無人機載激光系統(tǒng)飛行掃描等手段，構(gòu)建了實景三維模型和三維點云模型。在此基礎上，對實景三維模型和三維點云模型進行了分析，結(jié)合地面調(diào)查、地面全站儀測量，精確化了地質(zhì)災害評估階段發(fā)現(xiàn)的6處危巖體，并結(jié)合模型新增2處危巖體。雖然通過架站式三維激光掃描儀等手段建立了三維點云模型（點云數(shù)據(jù)充分，精度可達毫米級），但洞高超過百米，洞壁直立、臺階多級，仍無法克服洞內(nèi)臺階和溶洞內(nèi)部盲區(qū)（黑洞、空洞）的等現(xiàn)象（如圖2所示）。

2.4貼近攝影測量

高位崩塌具有地面高差大、突發(fā)性強等特點，難以對其做出準確的預警預報，因此開展高位崩塌早期識別對防災減災意義重大。依靠人工對高位崩塌進行實地調(diào)查難度大、效率低，容易存在調(diào)查盲區(qū)，現(xiàn)有調(diào)查技術(shù)手段難以有效獲取巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、節(jié)理組合特征和裂隙幾何特征等關鍵參數(shù)[8]。貼近攝影測量是將貼近攝影測量高分辨率和“多角度”探測技術(shù)優(yōu)勢應用于高位崩塌早期識別，基于貼近攝影測量技術(shù)能夠識別巖體亞厘米級裂縫，尤其適用于高位和特高位崩塌調(diào)查和早期識別工作[8]。張家界地貌（武陵源等景區(qū)）中的砂巖地貌，各石柱、石墻、方山等相對高差300"m以上的比比皆是，張家界天門山、七星山等景區(qū)的懸崖峭壁高差200～500"m的景觀隨處可見。應用貼近攝影測量技術(shù)，實現(xiàn)對巖壁、洞頂?shù)葞r體對象表面超高清分辨率影像的高效快速采集，并進行攝影測量處理，恢復被攝對象的精確坐標，正是山區(qū)地質(zhì)調(diào)查所需要的測繪手段。在無人機航攝時，洞內(nèi)信號的缺失、航線受阻等困難區(qū)域，采取手控補拍，獲取覆蓋拍攝對象的亞厘米級甚至毫米級超高分辨率影像，通過攝影測量處理，實現(xiàn)目標的精細化三維重建[9]。

在工程詳細勘查階段，為解決前期遺留問題，采用M300RTK+賽爾五鏡頭傾斜相機、M300RTK+大疆禪思P1相機、大疆御3無人航攝系統(tǒng)結(jié)合華星A10RTK布置像控點，進行了貼近飛行攝影測量（如圖3所示）。此階段，在水平距離不到100"m的天門洞內(nèi)和洞口完成了超過5萬張高清照片，建立了高精度的三維實景模型、三維點云模型。

3"幾種數(shù)據(jù)采集方法對比

3.1長焦高清攝影

優(yōu)點是能夠從視覺上認清崩塌部位遺留痕跡，能給地質(zhì)災害調(diào)查評估做參考，缺點是需要現(xiàn)場控制（像控點）。通常不能用來建立精確度高的三維模型，數(shù)據(jù)提取不便。國內(nèi)采用的影像窗口調(diào)查方法[10]需要按現(xiàn)場控制－數(shù)字攝影－坐標解譯－產(chǎn)狀計算這一思路進行分析，對高位和超高位危巖，無法標示像控點，故而定量分析困難。

3.2架站式三維激光掃描

優(yōu)點是能快速建立大量點云數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建精細三維實景模型（毫米級）。通過模型能夠定量分析，結(jié)合CloudCompare、Trimble"realworks"viewer、ContextCapture"Viewer、大勢智慧等軟件，都能獲取工程地質(zhì)參數(shù)（長度、面積、體積、節(jié)理產(chǎn)狀等），給危巖體識別和分析工作提供便利。缺點是架站式三維激光掃描因架站位置受限，對高位特別是特高位危巖體內(nèi)部的節(jié)理、空洞、裂縫等查詢存在盲區(qū)。

3.3貼近飛行攝影

貼近飛行攝影能獲得比長焦鏡頭拍攝的相片更高分辨率的相片，解決架站式三維激光掃描難以克服的盲區(qū)和空洞現(xiàn)象，查清高位和特高位危巖體的裂縫等細節(jié)，建立的三維實景模型和三維點云模型細節(jié)真實、分辨率高，結(jié)合CloudCompare、Trimble"realworks"viewer、ContextCapture"Viewer、大勢智慧等軟件，都能獲取更加精確的工程地質(zhì)參數(shù)（長度、面積、體積、節(jié)理產(chǎn)狀等），通過模型分析的數(shù)據(jù)后期提供給崩塌分析軟件進行穩(wěn)定性、運動規(guī)律分析，給地質(zhì)災害勘查工作提供最大便利。

上述三種三維點云模型在同一部位的影像的截圖進行對比（如圖4所示），在清晰度上，貼近攝影測量三維點云模型＞長焦高清攝影＞三維激光掃描模型。

4"成果應用分析對比

4.1"地形圖

無棱鏡測繪數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)化為DXF格式導入到三維點云模型（las格式）中使用。在三維點云模型建立以后，用處不大。

三維實景模型，主要使用obj和osgb格式，Dasviewer瀏覽軟件支持文件夾格式導入，用于瀏覽，可以用于地質(zhì)災害應急室內(nèi)分析指揮、調(diào)度，確定應急路線，量測距離、周長、面積，體積等。

4.2"三維點云模型

las格式為通用格式，瀏覽軟件推薦用Trimble"realworks"viewer。該軟件功能相對較強大，除可量測距離、周長、面積，體積外，能夠以剪切盒的模式瀏覽隱蔽部位，對墜落時崩塌危巖體可直接確定垂直墜落位置和路徑（如圖5所示）；利用CloudCompare軟件和compass插件可分析識別和圈定危巖、描繪和量測裂縫、量測結(jié)構(gòu)面尺寸、產(chǎn)狀（如圖5所示），能自動生成節(jié)理極射赤平投影圖；可以導入DXF格式的文件，在空間上進行定位。通過三維點云模型，在CloudCompare軟件中進行格式轉(zhuǎn)換，極大方便了巖土工程師的工作。

三維實景模型的建立和點云數(shù)據(jù)的處理，國內(nèi)外有相關方面的研究和應用，如借助大疆智圖、Agisoft"Photoscan"等三維實景建模軟件和"Geomagic"Studio、ContextCapture"Center"Master、CloudCompare強大的點云數(shù)據(jù)處理功能]；利用重建大師軟件融合傾斜影像和貼近攝影立面影像二次或多次建模，生成精細化的三維模型成果等[11-12]。將成果轉(zhuǎn)化為FLAC3D可識別的文件格式進行計算分析，為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)支撐。

5"結(jié)語

基于多種測繪手段特別是后期利用貼近攝影測量技術(shù)對張家界天門洞高位和特高位崩塌開展識別工作，取得了較好的應用效果，可以得到以下幾點認識。

（1）常規(guī)測量手段在高位和特高位危巖體的運用受限，對洞室的測繪更是難以奏效；而貼近攝影測量技術(shù)是針對精細化測量需求提出的一種全新技術(shù)，因其高分辨率和多角度觀測技術(shù)優(yōu)勢，可近距離探測觀測對象，識別巖體亞厘米級和毫米級各類結(jié)構(gòu)面細節(jié)，可滿足高位危巖體和洞頂與洞壁的細節(jié)分析的工作需要。

（2）利用不同測量技術(shù)快速獲取研究區(qū)多角度影像數(shù)據(jù)，通過"Context"Capture"軟件構(gòu)建不同格式實景三維模型，基于實景三維模型對研究區(qū)已發(fā)生的地質(zhì)災害或者將要發(fā)生地質(zhì)災害的隱患風險情況進行識別分析、災害信息提取，運用CloudCompare、Trimble"realworks"viewer等軟件輔助地質(zhì)工作者完成高位危巖體的勘查，結(jié)果表明是可行的。

（3）利用三維點云模型，運用適當軟件定量獲取巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀更簡便和快捷，更為方便的是選用適當?shù)能浖ㄈ鏑loudCompare的Compass插件）進行智能識別和自動標注。利用軟件還可進行自動統(tǒng)計和編制赤平投影圖、節(jié)理玫瑰圖。

（4）通過多種測繪方法的使用，結(jié)合各類測繪軟件、三維點云和三維巖土軟件的運用，可定量分析邊坡穩(wěn)定性，是未來的發(fā)展趨勢，為解決高位危巖體的勘查提供了一項新思路。

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