無人機(jī)近景測(cè)量技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

馬丹璇 張丙先 謝建波 王銳 王寺響

摘要：在高山峽谷區(qū)對(duì)高陡邊坡進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查一直是地質(zhì)工作者面臨的難題?；跓o人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，采用近景攝影測(cè)量方法對(duì)高陡邊坡進(jìn)行三維實(shí)景建模，獲取邊坡的高精度三維模型?；谌S影像進(jìn)行地質(zhì)解譯工作，辨識(shí)主要的物理地質(zhì)現(xiàn)象?；谌c(diǎn)法提取巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從宏觀的角度推測(cè)不良地質(zhì)現(xiàn)象對(duì)工程的潛在影響，并提出處理措施建議。總結(jié)出一套無人機(jī)近景攝影測(cè)量技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工調(diào)查工作的不足。

關(guān)鍵詞：高陡邊坡;地質(zhì)調(diào)查;傾斜攝影;無人機(jī)

中圖法分類號(hào)：P231文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.007

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）10 - 0038 - 05

0 引 言

中國西南地區(qū)以山地為主，河谷縱橫交錯(cuò)，水能資源豐富，是目前水利水電工程建設(shè)的主要地區(qū)。但該地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，河谷兩側(cè)巖體陡峭，其中高陡邊坡所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害是影響工程建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要風(fēng)險(xiǎn)因素之一，對(duì)邊坡地質(zhì)條件的掌握和描述是進(jìn)行高陡邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。而對(duì)于地形條件復(fù)雜的高陡邊坡而言，傳統(tǒng)的野外地質(zhì)編錄手段因其操作難度大、精度低、人員安全無法保障等問題已經(jīng)不再適用。隨著技術(shù)的發(fā)展，新型技術(shù)手段在輔助野外地質(zhì)調(diào)查方面的應(yīng)用越來越廣泛，主要體現(xiàn)在三維激光技術(shù)與近景攝影測(cè)量技術(shù)兩個(gè)方面。

國內(nèi)最早將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在巖體結(jié)構(gòu)測(cè)量方面，董秀軍等[1]詳細(xì)闡述了三維激光掃描技術(shù)在巖體結(jié)構(gòu)測(cè)量中的可行性及實(shí)現(xiàn)方法。其后，三維激光技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)[2]、邊坡穩(wěn)定性分析[3]等方面均得到良好應(yīng)用。但由于三維激光設(shè)備價(jià)格昂貴，核心元器件易損壞，使用及維護(hù)成本較高，且測(cè)量過程中需要儀器固定，掃描范圍有限，致使該技術(shù)只適用于淺層巖體結(jié)構(gòu)的調(diào)查測(cè)繪，對(duì)于落差較大的高陡邊坡以及大范圍的復(fù)雜地形則有一定的局限性。

早在20世紀(jì)90年代，國內(nèi)就開始探索利用攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)編錄的方法[4]，目前已能夠利用普通數(shù)碼相機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度的巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)字識(shí)別與信息提取[5]?；诮臧l(fā)展起來的SfM（運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)算法）算法，結(jié)合基于圖像的三維建模技術(shù)，能夠創(chuàng)建具有真實(shí)紋理特征的高精度三維實(shí)景模型[6]。但傳統(tǒng)方法數(shù)碼影像采集設(shè)備需在地面架設(shè)，應(yīng)用于高陡邊坡場(chǎng)景時(shí)，由于距離坡腳和坡頂?shù)穆洳钶^大，會(huì)造成較大的影像畸變而影響最終成果的測(cè)量精度。

隨著近些年無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，行業(yè)用無人機(jī)朝著小型化、智能化、集成化方向發(fā)展，使用門檻越來越低，基于低空低速的輕小無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)很好地解決了上述兩種方式的痛點(diǎn)。無人機(jī)可以抵達(dá)目標(biāo)巖體任意高度的臨空空間，能夠快速獲取目標(biāo)巖體的空間影像信息，加上近年來機(jī)載RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分）技術(shù)的興起，能夠?qū)崿F(xiàn)免像控點(diǎn)的三維實(shí)景模型創(chuàng)建，特別適合高陡邊坡這種不利于像控點(diǎn)布設(shè)的應(yīng)用環(huán)境。

1無人機(jī)近景攝影測(cè)量技術(shù)

1.1 仿地飛行

采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行無人機(jī)低空攝影測(cè)量時(shí)，不管是進(jìn)行正射影像還是傾斜攝影測(cè)量，飛行路線一般都設(shè)定在固定高度。對(duì)于坡度變化大的高陡邊坡，處于不同高度地物的影像分辨率不同，后期進(jìn)行空三解算時(shí)難以達(dá)到整個(gè)模型精度的統(tǒng)一，因此，坡度變化大的高陡邊坡一般利用固定翼類型的中大型無人機(jī)進(jìn)行比例尺1∶2 000～1∶5 000精度的航空攝影。近些年隨著輕小多旋翼無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使無人機(jī)更能貼近被測(cè)對(duì)象飛行，獲取的影像分辨率更高，可提供厘米級(jí)精度的航空影像測(cè)量成果。

為了保證邊坡三維模型精度的一致性，本次應(yīng)采用仿地飛行方式進(jìn)行作業(yè)（圖1），無人機(jī)航線不固定，根據(jù)地面起伏自主調(diào)節(jié)飛行高度，與被攝地物始終保持固定航高，能夠最大程度保證整個(gè)邊坡各高程模型精度的統(tǒng)一，提高成果質(zhì)量。

1.2粗略地形數(shù)據(jù)獲取

無人機(jī)進(jìn)行仿地飛行前需要獲取測(cè)區(qū)的DSM（數(shù)字表面模型）或DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)作為仿地飛行線路規(guī)劃的參考數(shù)據(jù)，一般首選DSM，對(duì)于地表植被較少、沒有高大建筑物的測(cè)區(qū)，可使用DEM代替DSM。獲取的方式主要有兩種：

（1）基于公開的DEM數(shù)據(jù)。目前覆蓋全國的免費(fèi)DEM數(shù)據(jù)有SRTM（分辨率90 m/pix）、ASTER GDEM（分辨率30 m/pix）、ALOS（分辨率12.5 m/pix）可供下載。

（2）利用無人機(jī)預(yù)掃生成。采用2D正射的方法對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行預(yù)掃后在空三軟件中進(jìn)行預(yù)合成，一般飛行高度在數(shù)百米，航向及旁向重疊率大于50%即可。該種方法生成的數(shù)據(jù)較公開數(shù)據(jù)更為精細(xì)，可以更好地實(shí)現(xiàn)仿地飛行。

1.3 創(chuàng)建精細(xì)三維實(shí)景模型

將粗略地形文件導(dǎo)入飛行器管理軟件中進(jìn)行仿地飛行線路規(guī)劃，飛行高度一般設(shè)置在100 m以下，航向及旁向重疊率均大于70%，采用傾斜攝影方式對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行多角度拍攝，后期在空三軟件中進(jìn)行高精度實(shí)景模型的創(chuàng)建，通過POS點(diǎn)校正或者RTK免像控方式獲取的模型精度能夠達(dá)到厘米級(jí)。

1.4 巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀提取

邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征控制著巖體的力學(xué)性質(zhì)并影響邊坡的穩(wěn)定，其中巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀是最為重要的理論分析數(shù)據(jù)。三維實(shí)景模型保留了真實(shí)的紋理信息和立體空間信息，地質(zhì)人員可在模型上解譯出邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面。由巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀傾向、傾角的定義可知：要測(cè)定巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，只需確定巖層所在平面的法向量即可。三維實(shí)景模型的坐標(biāo)系統(tǒng)參照無人機(jī)搭載的GPS傳感器所獲取的空間三維坐標(biāo)系（圖2），在結(jié)構(gòu)面上適當(dāng)選取不共線3點(diǎn)創(chuàng)建擬合平面，利用3點(diǎn)的經(jīng)度、緯度及高程信息便可計(jì)算其產(chǎn)狀。提取多組產(chǎn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)而統(tǒng)計(jì)分析，并劃分優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，作為邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的參考數(shù)據(jù)。

假設(shè)提取同一結(jié)構(gòu)面不共線3點(diǎn)坐標(biāo)分別為P1（x1，y1，z1），P2（x2，y2，z2），P3（x3，y3，z3），根據(jù)空間平面坐標(biāo)方程Z=AX+BY+C，則可列：

[x1y11x2y21x3y31×ABC=z1z2z3]

法向量坐標(biāo)A，B，C可表示為

[A=（y2-y1）（z3-z1）-（y3-y1）（z2-z1）]

[B=（x3-x1）（z2-z1）-（x2-x1）（z3-z1）]

[C=（x2-x1）（y3-y1）-（x3-x1）（y2-y1）]

根據(jù)產(chǎn)狀與空間平面坐標(biāo)方程參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可量化計(jì)算出傾角α和傾向β：

[α=arccosCA2+B2+C2]

[β0=arctanBA]

式中：當(dāng)A<0時(shí)，[β= β0，? ? ? ? ? ? B≤0 β0+2π， B>0];當(dāng)A>0時(shí)，[β=β0+π]。

2應(yīng)用實(shí)例

2.1工程區(qū)概況

扎拉水電站為西藏玉曲河干流下游河段七級(jí)開發(fā)方案中的第六級(jí)，采用混合式開發(fā)方式，其中廠址區(qū)位于林芝地區(qū)察隅縣察瓦龍鄉(xiāng)據(jù)水村下游，預(yù)可研階段提供了上、下兩個(gè)廠址進(jìn)行方案比選，后邊坡坐落于廠址區(qū)北側(cè)，緊鄰廠址（圖3）。廠址后邊坡河道至坡頂高程范圍約2 040～3 200 m，邊坡高差超過1 100 m，地形坡度一般30°～50°，為典型的高陡邊坡，其穩(wěn)定性對(duì)廠房，乃至整個(gè)水電站的運(yùn)營安全都有著重要影響。

2.2獲取高精度三維實(shí)景模型

飛行器使用大疆精靈4RTK版本，首先采用2D正射方式進(jìn)行預(yù)掃，起飛點(diǎn)選擇近坡頂處，行高設(shè)置最大500 m，鏡頭角度90°，航向與旁向重疊率設(shè)置為50%即可，采集相片185張，后處理軟件借助Metashape軟件進(jìn)行，生成的DEM數(shù)據(jù)分辨率達(dá)到9 m/pix（圖4），滿足仿地飛行的精度要求。

將DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入飛行管理軟件進(jìn)行仿地飛行線路規(guī)劃，相對(duì)航高設(shè)置為100 m，鏡頭角度30°，航線按照3D傾斜攝影模式設(shè)置，航向與旁向重疊率分別設(shè)置為80%和70%，開啟無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)RTK功能進(jìn)行免像控航測(cè)飛行，采集相片6 248張。

將相片導(dǎo)入Metashape軟件進(jìn)行后期處理，按照軟件中預(yù)設(shè)的流程（圖5）進(jìn)行自動(dòng)處理，生成邊坡的高精度傾斜模型，成果影像地面分辨率為每3.32 cm/pix，邊坡巖體結(jié)構(gòu)面特征清晰可見（圖6）。

2.3 基于三維實(shí)景模型的地質(zhì)解譯

基于三維實(shí)景模型進(jìn)行地質(zhì)解譯，從宏觀上判斷邊坡出露基巖呈單斜構(gòu)造，總體呈反傾邊坡，正常層面傾北東，板理（層理）傾北東—南東，傾角一般為24°～50°，變化較大（圖7）。解譯識(shí)別出在上廠址西側(cè)后山坡中部有一滑坡體，滑體東側(cè)緣溝壁可見較為明顯的滑帶，呈灰黃色（圖8）。在模型上量測(cè)得到滑坡前緣高程2 555 m，寬157 m，后緣高程2 747 m，通過最佳擬合平面方法計(jì)算方量約60.6萬m3。滑坡體中、前部地形坡度約40°，后緣為陡崖，地形坡度約50°，初步判斷為基巖切層滑坡。通過模型提取滑動(dòng)面空間信息計(jì)算得到的滑動(dòng)面產(chǎn)狀為N55°W/42°SW。

在上廠址東側(cè)后山坡中上部和下廠址邊坡下部發(fā)現(xiàn)碎石流分布（圖9）。上廠址碎石流堆積體在模型上測(cè)得前緣高程2 420 m，寬330 m，后緣高程2 649 m，縱長376 m，地形坡度約40°，選取最佳擬合平面法計(jì)算方量約27.3萬m3。下廠址邊坡碎石流堆積體前緣高程2 086 m，寬116 m，后緣高程2 150 m，縱長100 m，地形坡度約40°，計(jì)算方量約1.5萬m3。

通過解譯發(fā)現(xiàn)在約2 700 m高程至坡頂范圍邊坡巖體結(jié)構(gòu)較破碎，坡體上部發(fā)育由卸荷產(chǎn)生的拉張裂隙，多張開。在坡頂高程3 000～3 100 m范圍識(shí)別出一區(qū)域性斷裂發(fā)育（圖10），斷裂走向北西，斷面傾北東，傾角近直立，斷裂帶出露寬度5～15 m。邊坡表層基巖普遍有傾倒變形現(xiàn)象，傾倒后產(chǎn)狀變化較大。突出的巖體被陡傾切層卸荷裂隙切割并張開，在自重及卸荷的作用向后緣延伸貫通后拉裂墜覆，形成圈椅狀裸露巖層（圖11）。

針對(duì)中上部邊坡巖體在模型上提取有效裂隙面產(chǎn)狀188條，赤平投影至等密度網(wǎng)上繪制裂隙等密圖（圖12），得到邊坡巖體優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀分為兩組：①走向60°～90°，傾向330°～360°，傾角56°～89°;②走向320°～350°，傾向240°～260°，傾角60°～85°。

2.4邊坡整體評(píng)價(jià)與建議

滑坡體在模型上未見新近變形及繼續(xù)滑動(dòng)跡象，整體基本穩(wěn)定。測(cè)量得到滑坡體前緣距離上廠址水平投影距離大于800 m，對(duì)廠區(qū)主體工程影響較小。在三維模型中可見上廠址邊坡碎石流分布區(qū)坡面上有零星植被生長，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，且前緣距離上廠址水平投影距離大于500 m，對(duì)廠區(qū)樞紐主體工程基本無不利影響。

下廠址邊坡碎石流分布區(qū)雖處在尾水洞工程施工范圍內(nèi)，但考慮到其方量較小，對(duì)工程的影響較小，施工前只需清除即可。

對(duì)廠址區(qū)影響較大的為邊坡中上部發(fā)育的卸荷及傾倒變形，這些區(qū)段巖體風(fēng)化卸荷作用強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，邊坡巖體結(jié)構(gòu)破碎，推測(cè)在地震作用下可能會(huì)發(fā)生局部塊體崩塌，滾落的巖塊可能運(yùn)動(dòng)至廠房位置，建議采取攔擋措施，以應(yīng)對(duì)安全儲(chǔ)備稍顯不足的區(qū)段巖塊崩落的不利影響，確保廠房安全運(yùn)行。

3 結(jié) 論

（1）對(duì)于高陡邊坡而言，采用無人機(jī)近景測(cè)量技術(shù)避免了地質(zhì)人員調(diào)查的危險(xiǎn)。外業(yè)作業(yè)時(shí)采用仿地飛行方式能夠獲取高陡邊坡的高精度三維實(shí)景模型，克服了巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)的局限性，可以為后續(xù)工作提供可靠的參考模型。

（2）三維實(shí)景模型保留了真實(shí)的空間信息數(shù)據(jù)，具有真實(shí)的自然紋理，通過地質(zhì)解譯可以準(zhǔn)確識(shí)別出滑坡、碎石流、傾倒變形體等各種不良地質(zhì)現(xiàn)象，測(cè)量其空間信息、分布位置及方量大小，統(tǒng)計(jì)計(jì)算巖體優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀，能夠極大提高野外地質(zhì)調(diào)查工作的效率。

（3）目前利用無人機(jī)近景測(cè)量技術(shù)開展高陡邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)還只能從宏觀表層進(jìn)行初步判斷，今后還要進(jìn)一步拓展至傾斜模型數(shù)據(jù)與工程計(jì)算分析類軟件的數(shù)據(jù)共享，通過三維數(shù)值模擬得出更加準(zhǔn)確專業(yè)的工程評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 董秀軍，黃潤秋. 三維激光掃描技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2006， 25（增2）： 3629-3635.

[2] 劉文龍，趙小平. 基于三維激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J]. 金屬礦山，2009（2）：131-133.

[3] 宋杰，胡輝，RAFIG A. 基于LiDAR技術(shù)的節(jié)理巖質(zhì)邊坡有限元分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2013， 32（增2）： 3972-3978.

[4] 李浩，張友靜，吳繼敏. 用近景攝影測(cè)量方法進(jìn)行邊坡地質(zhì)編錄[J]. 工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，1999，13（2）：18-20.

[5] 王鳳艷，陳劍平，龐賀民. 應(yīng)用數(shù)字近景攝影測(cè)量提取巖體裂隙跡長信息方法研究[J]. 世界地質(zhì)，2006，25（1）： 39-42.

[6] 高偉，何宏林，鄒俊杰，等. 三維圖像建模在古地震探槽研究中的應(yīng)用[J]. 地震地質(zhì)，2017，39（1）：172-181.

（編輯：江 文）

Application of UAV close range measurement technology in geological survey of high and steep slope

MA Danxuan，ZHANG Bingxian，XIE Jianbo，WANG Rui，WANG Sixiang

（Changjiang Geotechnical Engineering Corporation，Wuhan 430010，China）

Abstract：It is always a difficult problem for geologists to carry out geological mapping of high and steep slopes in high mountain and gorge areas. In this paper， based on UAV tilt photography technology， the approach photogrammetry method is used to model the high and steep slope， and the high-precision 3D model of the slope is obtained. Based on the high-precision 3D model of geological interpretation work， the main physical and geological phenomena is identified. Based on the three-point method， the occurrence of rock mass discontinuity is extracted and statistically analyzed， and the potential impact of adverse geological phenomena on the project is inferred from the macro perspective， and the treatment measures are proposed. A set of application method of UAV close range photogrammetry technology in high and steep slope geological survey is summarized， which can make up for the deficiency of traditional manual survey.

Key words： high and steep slope; geological survey; tilt photography; unmanned aerial vehicle （UAV）