無人機三維建模技術在邊坡危巖體勘查中的應用

劉夢亮，左三勝

（成都理工大學，四川 成都 610059）

危巖體是指受多組巖體結構面切割，并位于礦山陡崖上的穩(wěn)定性較差的巖體塊體及其組合[1]。危巖體往往具有突發(fā)性、隨機性和難預測等特點[2]，危巖體多發(fā)生于深切礦山兩側邊坡、道路邊坡和礦山邊坡，其危害性與破壞性極大，如位于長江西陵峽西段兵書寶劍峽出口處的鏈子崖危巖體，是一處典型的危巖體，歷史上曾發(fā)生多次大規(guī)模的崩滑，造成堵江斷航的嚴重災害。因此對大型礦山危巖體的勘查與防治是非常有必要的。

無人機三維建模技術是近年來興起的礦山地質(zhì)災害研究技術手段[3，4]，具有快捷、高效和低成本等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)科學調(diào)查和數(shù)據(jù)處理，不僅提高了效率而且成果準確可靠，并多次危巖體災害調(diào)查中應用。無人機三維建模技術結合影像數(shù)據(jù)處理、三維建模和數(shù)據(jù)分析技術方法，能夠完成邊坡危礦山地質(zhì)災害調(diào)查工作；也可完成危礦體的判別、結構面產(chǎn)狀及卸荷帶走向、寬度的識別，是傳統(tǒng)衛(wèi)片和航片遙感方式的極大突破[5]。無人機三維建模技術在快速獲取高分辨率三維模型方面具有顯著優(yōu)勢，可以極大提高復雜礦區(qū)邊坡危巖體勘查的效率和精度。

1 無人機影像數(shù)據(jù)采集與處理

1.1 危巖體影像數(shù)據(jù)采集

通過現(xiàn)場對桑坪礦區(qū)邊坡勘查，邊坡高差在120m左右，長度約為180m，邊坡坡度近垂直。本次飛行采用的無人機為大疆INSPIRE 1四旋翼無人機，對邊坡危礦體進行了正射航拍和傾斜航拍。

共布置了7飛行架次（圖1），首先進行了對邊坡所在礦區(qū)進行的正射航拍，然后按照15°、30°、45°、60°、75°和90°傾角[6]，邊坡的危巖體的立面影像數(shù)據(jù)，對需要重點研究的范圍，即危巖體發(fā)育的高陡斜坡、裂縫發(fā)育部位等，進行懸停精細拍攝，獲取更為精細的數(shù)據(jù)，最終共獲取582張航拍照片。

圖1 無人機航線規(guī)劃圖

1.2 影像數(shù)據(jù)處理

桑坪礦區(qū)危巖體影像數(shù)據(jù)處理選用了Acute3D Context Capture Center處理軟件。Acute3D Context Capture Center，該軟件自動化程度高、操作簡單、運算速度快以及處理容量大的優(yōu)點。

Acute3D Context Capture Center將數(shù)據(jù)處理過程分為以下四個步驟。

（1）初始化處理。將帶有POS照片數(shù)據(jù)導入軟件后，軟件會自動對相機參數(shù)進行校正，提交空中三角測量，這個過程同時會對飛行照片的參數(shù)進行一個快速檢測，如地面分辨率（GSD）和影像信息完整性等。

（2）任務分配。在初始化處理完成后，被提交的任務會被Context Capture Master自動分解成幾個不同的小任務，即形成多個Job queue。

（3）生產(chǎn)三維模型。在這個步驟中可選擇三維網(wǎng)格參數(shù)選擇高分辨率模式，其具體分辨率根據(jù)計算機性能和照片數(shù)量的大小決定。

（4）生產(chǎn)正射影像圖和DSM。通過得到的三維模型可以生產(chǎn)出相應的正射影像以及DSM。

2 三維模型在邊坡危巖體勘查中的應用

2.1 危巖體的判別與分類

研究人員以深入的野外地質(zhì)調(diào)查為基礎，借助先進的無人機航測技術得到的三維模型等成果進行分析，從各角度對邊坡危巖體進行細致的分析與測量，完成了對邊坡危巖體的判別、定位與幾何特征信息的提取，并結合現(xiàn)場勘查確定了桑坪礦區(qū)邊坡發(fā)育危巖體69塊。

（1）危巖體破壞形式分類

根據(jù)礦山危巖體破壞的類型將邊坡危巖體分為四類，即孤立式、墜落式、滑移式、傾倒式。

邊坡危巖體數(shù)量最多的類型為墜落式危巖體，占總量的42.0%，滑移式、傾倒式和孤立式危巖體分別占26.1%、24.6%和7.3%。

邊坡巖性主要為絹云母千枚巖，河谷下蝕速度快，卸荷強烈，因此容易形成高陡斜坡，加之差異風化、地震、人類工程開挖的作用，邊坡凹腔發(fā)育，因此，墜落式危巖體發(fā)育最為廣泛。

（2）危巖體危害性分類

危巖體危害性分類由危巖體的穩(wěn)定性、威脅對象重要性和可能造成的經(jīng)濟損失決定，將危巖體危害性分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類。

其中危害性大的Ⅰ類危巖35塊、危害性中等的Ⅱ類危巖19塊、危害性小的Ⅲ類危巖15塊。

2.2 危巖體特征的提取

通過使用軟件Acute 3D Viewer模塊，在三維模型上對每個危巖體的尺寸及體積進行量取，并根據(jù)礦產(chǎn)體積大小對危巖體的規(guī)模進行劃分，大型危巖體（≥100m3）為6塊，占8.7%；中性危巖體（20m3＜V＜100m3）為29塊，占42.0%；小型危巖體（≤20m3）為34塊，占49.3%。

在PolyWorks軟件中導入obj格式的三維網(wǎng)格，在危巖體結構面上構建平面，對危巖體的結構面進行產(chǎn)狀的提取。

3 無人機遙感技術的應用優(yōu)勢

（1）監(jiān)測效率高

在無人機遙感技術中，最核心的問題就是監(jiān)測效率。例如，在礦山勘查過程中，出現(xiàn)復雜地質(zhì)等緊急事件，如果采用監(jiān)測效率低的技術手段，肯定會延誤礦山勘查的最佳處理時間，并造成巨大損失。而無人機遙感技術最大的優(yōu)勢就是監(jiān)測效率高，所以，在礦山復雜地質(zhì)勘查過程中，無人機遙感技術可以在無人的情況下進行準確的監(jiān)測，并且可以更加高效率的解決問題。

（2）監(jiān)測尺度大

如果想要獲得良好的礦山地質(zhì)監(jiān)測效果，就要求能夠?qū)嵤┬》秶鷥?nèi)的監(jiān)測，無人機遙感測繪技術現(xiàn)在以及可以完成對小范圍物體的監(jiān)測。該項任務的實現(xiàn)，使得無人機遙感測繪技術的監(jiān)測尺度得到了很大的擴展，大大增加了礦山地質(zhì)工程測繪范圍的伸縮性。另一方面，應用無人機遙感測繪技術，可以通過三維形式將目標地區(qū)的實際情況反應在相應設備當中，提高測繪的直觀度。

（3）信息處理速度快

在進行礦山地質(zhì)目標區(qū)域監(jiān)測中，無人機遙感技術能夠快速處理各方面的信息，同時具有較高的分辨力，提高了礦山地質(zhì)信息采集效率，也提高了信息的精確度，保證測繪質(zhì)量。

（4）與其他系統(tǒng)結合程度高

如果在礦山地質(zhì)測繪工程中使用單一的遙感技術，有可能出現(xiàn)一些漏洞，即使是無人機遙感技術也同樣具有該項缺陷，所以，為了提高遙感技術使用的效果，可以將不同的遙感系統(tǒng)進行結合，各個系統(tǒng)之間優(yōu)缺點互補，解決單一系統(tǒng)中的漏洞。無人機遙感技術能夠與其他系統(tǒng)充分結合，提升遙感技術的監(jiān)測效果。

4 結論

通過利用無人機三維建模技術對桑坪礦區(qū)邊坡進行勘查研究，主要得到結論：

（1）經(jīng)過對勘查資料的整理與分析，共確定了桑坪礦區(qū)邊坡危巖體69塊，按照危巖體破壞形式分類，其中墜落式29塊、滑移式18塊、傾倒式17塊、孤立式5塊；按照危巖體危害性分類，其中危害性大的危巖體為35塊，危害性中等的危巖體為19塊，危害性小的危巖體為15塊。

（2）無人機三維建模技術在邊坡危巖體災害勘查中，可以獲取邊坡危巖體的精確位置、幾何特征、巖體結構特征、邊界條件等信息，對邊坡危巖體的類型、發(fā)育分布規(guī)律進行了研究，為邊坡危巖體的防治提供了技術支持。

（3）利用無人機對桑坪礦區(qū)邊坡危巖體勘查的技術方法，查明了邊坡危巖體災害，其結果準確可靠，使得該勘查研究技術方法為無人機在礦山邊坡勘查等方面應用提供了依據(jù)。