輕型無(wú)人機(jī)在危巖體結(jié)構(gòu)面信息解譯中的應(yīng)用

張騫棋

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

0 前 言

危巖體是指受多組巖體結(jié)構(gòu)面切割，并位于陡崖上的穩(wěn)定性較差的巖石塊體及其組合[1]。廣泛分布于公路、鐵路路塹邊坡，水庫(kù)河谷兩岸的陡峻邊坡上，其發(fā)育具有長(zhǎng)期性，而失穩(wěn)則具有突發(fā)性，對(duì)公路、鐵路、水庫(kù)等的運(yùn)營(yíng)以及周圍居民的安全具有十分大的影響。

目前對(duì)危巖體的調(diào)查方法一般以羅盤、皮尺等現(xiàn)場(chǎng)勘查的方式為主，此法工作量大，效率低，對(duì)某些高陡邊坡危巖體，勘查人員無(wú)法直達(dá)而采用經(jīng)驗(yàn)或者目測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果無(wú)法保證。近年來(lái)，三維激光掃描技術(shù)在危巖體調(diào)查中得到了較大的應(yīng)用，它能夠準(zhǔn)確解讀出危巖體的邊界條件，通過(guò)將邊界點(diǎn)三維坐標(biāo)準(zhǔn)確導(dǎo)入工程地質(zhì)平面圖，從而定位出危巖體所在位置,并解譯其產(chǎn)狀信息[2-4]。但是，三維激光掃描設(shè)備昂貴，其本身不具有定位功能，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量需要引用控制點(diǎn)準(zhǔn)確定位危巖體，操作繁復(fù)，設(shè)備搬運(yùn)困難，在地形受限情況下無(wú)法使用，具有很大的局限性。

無(wú)人機(jī)技術(shù)近幾年日漸成熟，其機(jī)動(dòng)靈活、影像分辨率高的特性，在測(cè)繪地理信息、防災(zāi)減災(zāi)、水利交通等方面發(fā)揮了重要作用。專業(yè)無(wú)人機(jī)高平臺(tái)和處理過(guò)程的復(fù)雜性限制了其廣泛應(yīng)用，然而這給消費(fèi)級(jí)輕小型無(wú)人機(jī)在危巖體調(diào)查這一領(lǐng)域的使用創(chuàng)造了一定的空間。賈曙光、楊力龍、王華俊等在輕小型無(wú)人機(jī)高陡邊坡調(diào)查的應(yīng)用中做了大量工作[5-7]，李水清、胡瀚、王鳳艷等在利用三維模型獲得危巖體產(chǎn)狀方面做了一定研究，但是在危巖體識(shí)別上僅僅局限于肉眼觀察[8-10]，凌震瑩在大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作中做了一定的研究，但是其轉(zhuǎn)換原理與李水清、胡瀚、王鳳艷等有一定區(qū)別[11]。本文結(jié)合工程實(shí)例，利用輕小型無(wú)人機(jī)航拍獲得的影像，借助PIX4D軟件解譯圖像，構(gòu)建三維影像模型，并利用Acute 3D Viewer軟件及GPS信息，識(shí)別危巖體結(jié)構(gòu)面，并根據(jù)大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，計(jì)算結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)地質(zhì)勘查方法的不足，并針對(duì)前人工作進(jìn)行補(bǔ)充。

1 無(wú)人機(jī)航攝與圖像解譯

本次調(diào)查使用的是為大疆精靈4PRO無(wú)人機(jī)，解譯系統(tǒng)為PIX4D軟件。整個(gè)航拍—建模過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，主要流程如圖1。

1.1 無(wú)人機(jī)航攝數(shù)據(jù)采集

無(wú)人機(jī)航攝數(shù)據(jù)采集包括場(chǎng)地面積預(yù)估、航線設(shè)計(jì)、鏡頭調(diào)整、飛行操控與缺損點(diǎn)位補(bǔ)充等過(guò)程。

圖1 技術(shù)流程圖

研究區(qū)為一高陡邊坡危巖體，拍攝范圍預(yù)估為道路中線兩側(cè)各250 m區(qū)域，危巖帶長(zhǎng)2.0 km，其區(qū)域面積為2.5 km2。然后利用DJI GO App平板客戶端現(xiàn)場(chǎng)定位，設(shè)計(jì)航線以及飛行高度、飛行速度等相關(guān)參數(shù)，如圖2～3所示。

圖2 無(wú)人機(jī)正射航拍路線圖

本次拍攝共362張照片，正射拍攝255張，傾斜拍攝244張，并補(bǔ)充拍攝63張，符合成像比例要求。

圖3 無(wú)人機(jī)傾斜拍攝航拍路線圖

1.2 圖像解譯與模型生成

業(yè)內(nèi)比較流行的三維建模軟件有有Bently公司的ContextCapture(Smart3D)，俄羅斯Agisoft公司的PhotoScan，瑞士Pix4D公司Pix4D mapper，其中PhotoScan比較輕量級(jí)，但是生成的模型紋理效果不是太理想，Smart3D生成的三維模型效果最為理想，人工修復(fù)工作量較低，但是軟件比較復(fù)雜不易上手且價(jià)格較高。

本次解譯采用Pix4D mapper進(jìn)行圖像解譯與建模工作。該軟件具有自動(dòng)化程度高、精度高、可同時(shí)處理大量影像數(shù)據(jù)、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，其解譯結(jié)果直接為三維模型，對(duì)航測(cè)區(qū)域可以進(jìn)行精度較高的還原。Pix4D mapper軟件通過(guò)導(dǎo)入的照片，經(jīng)過(guò)一系列空三解算，可以快速構(gòu)建三維模型。最終建成的工程區(qū)三維模型如圖4。

2 危巖體結(jié)構(gòu)面信息解譯

2.1 危巖體及結(jié)構(gòu)面識(shí)別

利用Acute 3D Viewer軟件可以瀏覽建成的三維模型，其瀏覽模式除了三維實(shí)景意外，還包括point cloud、wire frame和texture 3種模式，并且可以疊加顯示。通過(guò)3種顯示模式疊加，即可根據(jù)相應(yīng)特征識(shí)別危巖體邊界、結(jié)構(gòu)面與節(jié)理裂隙，并利用其測(cè)量工具可直接獲取節(jié)理長(zhǎng)度，見(jiàn)圖5～8。

圖4 勘查區(qū)最終三維模型圖

圖5 三維模型識(shí)別的危巖體

圖6 三維疊加影像圖

圖7 危巖體航拍影像圖

圖8 節(jié)理跡長(zhǎng)示意圖

圖5為此次調(diào)查圈定的危巖單體。由圖6與圖7可見(jiàn)，在較為平整的結(jié)構(gòu)面上，圖像網(wǎng)格劃分較為稀疏，而在節(jié)理裂隙處，網(wǎng)格十分密集，在危巖體邊界上，網(wǎng)格劃分密集，且形成凹腔部位顯示為陰影效果。圖8顯示為結(jié)構(gòu)面節(jié)理跡長(zhǎng)，可直接量測(cè)得到。

2.2 結(jié)構(gòu)面幾何信息解譯

無(wú)人機(jī)航拍獲得的照片帶有大量巖體結(jié)構(gòu)面的空間幾何信息。但是這個(gè)空間幾何信息原始數(shù)據(jù)是WGS84大地坐標(biāo)系(L，B，H)下的經(jīng)緯度與海拔高度。而結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計(jì)算需要用到測(cè)區(qū)站心地平直角坐標(biāo)系(N，E，U)，因此，需要進(jìn)行大地坐標(biāo)系(L，B，H)與站心地平直角坐標(biāo)系(N，E，U)之間的轉(zhuǎn)換,其過(guò)程由兩個(gè)步驟組成：1)從大地坐標(biāo)(L，B，H)轉(zhuǎn)換到球心直角坐標(biāo)；2)從球心直角坐標(biāo)(X，Y，Z)轉(zhuǎn)換到站心地平直角坐標(biāo)(N，E，U)[11-12]。

2.2.1 大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為球心坐標(biāo)系

設(shè) P0點(diǎn)的大地坐標(biāo)為(L，B，H)，對(duì)應(yīng)的球心直角坐標(biāo)為(X，Y，Z)。對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖9。

圖9 大地坐標(biāo)系與空間直角坐標(biāo)系示意圖

其轉(zhuǎn)換公式為：

(1)

2.2.2 球心直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為站心直角坐標(biāo)系

以測(cè)站P0所在坐標(biāo)系為站心地平直角坐標(biāo)系，P0點(diǎn)的大地經(jīng)緯度為(L0，B0)，空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(X0，Y0，Z0)空間上另一點(diǎn)Q (測(cè)點(diǎn))的空間直角坐標(biāo)為(XQ，YQ，ZQ)，則Q點(diǎn)在P0所在站心地平直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(N，E，U)，對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖10。

圖10 站心地平直角坐標(biāo)系示意

其轉(zhuǎn)換公式為：

(2)

2.2.3 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計(jì)算

結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀用傾角與傾向來(lái)表示。傾角是結(jié)構(gòu)面與水平面間的夾角，傾向是結(jié)構(gòu)面的法向量在水平方向上的投影與真北方向的夾角。因此，解譯結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀即確定結(jié)構(gòu)面法向量[10]，如圖11所示。

圖11 產(chǎn)狀計(jì)算原理示意圖

(3)

(4)

當(dāng)選取的特征點(diǎn)個(gè)數(shù)大于3個(gè)時(shí)，采用最小二乘原理解算(A，B，C)：

(5)

表1 巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與平面方程參數(shù)關(guān)系

則結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為：

巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計(jì)算時(shí)選取的特征點(diǎn)數(shù)要求n≥3，且計(jì)算輸入數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)按逆時(shí)針順序進(jìn)行。采點(diǎn)范圍宜大，形狀宜接近等邊三角形，這樣計(jì)算的誤差將會(huì)越小。

2.3 工程實(shí)例

本次研究依托工程為一公路高陡邊坡危巖帶。該區(qū)位于湖北省恩施市紅土鄉(xiāng)，為趙家灣村出入的唯一公路。該區(qū)屬于低山峽谷地貌，地層巖性為二疊系茅口組塊狀灰?guī)r。其下為早期崩塌形成的堆積地貌，主要成分為巨、塊石。陡崖段近乎直立，開(kāi)挖后公路上方存在多處危巖塊體。該區(qū)全年多雨，坡頂?shù)孛鎱R水多從此處沿坡面流下，公路常見(jiàn)落石，對(duì)下方行車及居住村民的生命安全造成較大的威脅。

根據(jù)以上計(jì)算方法，結(jié)合本次工程實(shí)例，對(duì)危巖體的多組結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了試算，結(jié)果見(jiàn)表2，并對(duì)兩種產(chǎn)狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)圖12。

由表2及圖12可知，通過(guò)計(jì)算得到的產(chǎn)狀與實(shí)測(cè)產(chǎn)狀誤差均<5，影像解譯結(jié)果與實(shí)測(cè)產(chǎn)狀的傾角相差不大，傾向之間存在一定的差異，但基本滿足公路地質(zhì)勘查要求。

3 結(jié) 論

利用無(wú)人機(jī)航拍-PIX4 mapper解譯圖像技術(shù)，結(jié)合工程實(shí)例，提出了利用無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)在高陡邊坡勘查中危巖體特征信息識(shí)別與產(chǎn)狀計(jì)算的應(yīng)用方法，得出以下結(jié)論：

1)結(jié)合高分辨率攝像頭與快速建模軟件PIX4 mapper，輕小型無(wú)人機(jī)可以在高陡邊坡危巖體的調(diào)查中獲取可靠的GPS數(shù)據(jù)，三維建模直觀清楚，具有很好的適用性。

2) 在得到的三維模型圖中，利用Acute3D viewer軟件3種瀏覽模式的疊加顯示效果，通過(guò)其特征表現(xiàn)，可以較肉眼觀察更為準(zhǔn)確地識(shí)別危巖體邊界、結(jié)構(gòu)面與節(jié)理裂隙，并直接量測(cè)節(jié)理長(zhǎng)度。

3) 利用大地坐標(biāo)系—球心直角坐標(biāo)系—站心直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換原理，根據(jù)結(jié)構(gòu)面上任意n(n≥3)個(gè)不共線點(diǎn)的大地坐標(biāo)得到相應(yīng)的站心坐標(biāo)，然后計(jì)算得到結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，且計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較，傾角誤差最小，傾向次之，但整體誤差在可接受范圍內(nèi)。

表2 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計(jì)算結(jié)果

圖12 危巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對(duì)比圖

4) 輕小型無(wú)人機(jī)圖像解譯的結(jié)果誤差在5(°)以內(nèi)，基本滿足一般工程地質(zhì)勘查的要求，因此，在條件允許的情況下，可以考慮無(wú)人機(jī)航拍在公路工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用。