基于無人機航測與三維激光掃描的山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法

楊 飛

(廣東明源勘測設(shè)計有限公司, 廣東 河源 517000)

0 引言

大型地質(zhì)工程在我國地質(zhì)勘測發(fā)展中占據(jù)重要地位。相比其他國家,我國的工程地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)與發(fā)生頻率也相對較高。綜合行業(yè)的不完全統(tǒng)計與報道數(shù)據(jù)顯示,大部分工程地質(zhì)災(zāi)害為地質(zhì)山體滑坡災(zāi)害、泥石流災(zāi)害、地質(zhì)層結(jié)構(gòu)層坍塌災(zāi)害等,且每年由于工程地質(zhì)災(zāi)害造成的工程損失超過100億元,每次工程地質(zhì)災(zāi)害受到損傷的人數(shù)都超過150人。為了避免工程地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,應(yīng)當盡量將安全事故控制在事發(fā)前,即做好對工程地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測與預(yù)防。目前,國內(nèi)科研單位地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測大多集中在地表土層形變監(jiān)測、地層深部位移量監(jiān)測、地質(zhì)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)與環(huán)境形變因素(包括地下水、地表水、地層水分飽和量等),但上述監(jiān)測內(nèi)容均為地層宏觀監(jiān)測,無法將監(jiān)測的結(jié)果作為直接決策地質(zhì)災(zāi)害的要素。同時,大部分監(jiān)測單位在開展此方面工作時,使用全站儀與全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)進行環(huán)境監(jiān)測,此種監(jiān)測形式屬于單點檢測,即需要在監(jiān)測前,選定一個具體作業(yè)點,通過對工程地質(zhì)中重要點的觀測,進行地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與牢固性的分析。此種監(jiān)測方式在實際應(yīng)用中最顯著的問題是,智能通過對監(jiān)測點數(shù)據(jù)的獲取,進行地區(qū)地形連續(xù)性的預(yù)測,一旦監(jiān)測點數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失,會預(yù)測結(jié)果失去連續(xù)性。為了提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性,實現(xiàn)將工程地質(zhì)災(zāi)害控制在事前,本文將輔助使用無人機航測設(shè)備,結(jié)合三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢,設(shè)計一個針對山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測方法,通過此種方式,實現(xiàn)監(jiān)測與測繪結(jié)果的高精度。

1 硬件架構(gòu)設(shè)計

為了滿足本文監(jiān)測方法在實際應(yīng)用中的需求,應(yīng)在設(shè)計方法前,進行硬件構(gòu)成的描述,并結(jié)合作業(yè)環(huán)境,對硬件單元進行分區(qū)。本次設(shè)計監(jiān)測方法的硬件架構(gòu)共由6個單元構(gòu)成,不同單元中的硬件設(shè)備不同。例如,采集單元主要負責(zé)對工程地質(zhì)區(qū)域?qū)崟r數(shù)據(jù)的獲取;監(jiān)測單元主要使用無人機航測儀與三維激光掃描儀,進行采集數(shù)據(jù)的監(jiān)測;供電單元主要負責(zé)為不同硬件設(shè)備的運行提供電力支持;控制單元主要負責(zé)對不同控制器的調(diào)整、對指令的執(zhí)行與調(diào)度;終端單元主要負責(zé)對監(jiān)控數(shù)據(jù)的顯示;報警單元主要負責(zé)對監(jiān)測結(jié)果中異常數(shù)據(jù)的告警。多個硬件模塊在網(wǎng)絡(luò)支撐下協(xié)同運行、相互輔助,從而構(gòu)成一個完整的硬件架構(gòu)。具體內(nèi)容如圖1所示。

注：①可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)；②全球廣域網(wǎng)(world wide web，Web)。圖1 山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法硬件架構(gòu)

圖1詳細地描述了不同硬件單元的構(gòu)成及其之間的關(guān)系,對圖1的分析可知,監(jiān)測單元是本文設(shè)計監(jiān)測方法的主要構(gòu)成,以下將以監(jiān)測單元為例,進行硬件設(shè)備的詳細設(shè)計。

1.1 無人機航測儀

為了實現(xiàn)對方法功能的優(yōu)化,此次設(shè)計選擇的無人機航測儀為大疆MavicAir2.0無人機航拍器,其型號為DJI Mavic-Air 2,可兼容平臺為安卓系統(tǒng)(Android)和蘋果公司開發(fā)的移動操作系統(tǒng)(iOS)。屬于國產(chǎn)飛行器中的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)廠家,在此基礎(chǔ)上,優(yōu)選四軸飛行器作為支持無人機航拍器的主要結(jié)構(gòu),輔助遙控手柄進行飛行器在空中的飛行控制。為了避免飛行器自重過重對監(jiān)測工作造成影響,需要將無人機的自重控制在1.50 kg以內(nèi),以此種方式,保證飛行器在空中的最大飛行高度>120.0 m,相比市場內(nèi)普遍售賣的飛行器,此型號的飛行器具有實用輕便、性能強大、聰明易拍、滿足升級等優(yōu)勢。無人機航測儀器前端的索尼8 K雙攝像頭與三軸云臺,可以為無人機的飛行與航拍自動提供障礙躲避功能。同時,在飛行時,飛行器可以發(fā)射超聲波進行,進行前端障礙物的自動檢測,并以每秒1.0次的頻率進行自檢,當自檢出現(xiàn)異常時,終端顯示將觸發(fā)無人機的飛行預(yù)警,并根據(jù)其續(xù)航能力,選擇是否自動返回。

1.2 三維激光掃描儀

在本文設(shè)計的監(jiān)測方法中,選擇北京星瑞通航科技有限公司生產(chǎn)的天寶Trimble X7三維激光掃描儀作為使用儀器。掃描電子激光測距(electronic distance measurement，EDM)激光類別為1類激光,對人眼無傷害,符合IECEN60825-1標準。激光波長為1 550 nm,視場為360°×282°,影像最快掃描時間154 s,最大掃描速度500 kHz;測距噪聲<3 mm@60 m,80%反射,測程0.6～80 m,測距精度2 mm;儀器內(nèi)包含3個同軸校準10百萬像素(mega pixel，MP)的相機,每個影像分辨率為3 840×2 746,可在25 s內(nèi)完成全面自動校準測距,可通過無線局域網(wǎng)(wireless local area networks，WLAN)或通用串行總線(universal serial bus，USB)接口技術(shù)進行控制,將采集數(shù)據(jù)保存在Windows10 Corei7 2.5千兆赫茲(giga hertz，GHz)處理器或更高配置電腦中。通過光學(xué)字符識別技術(shù)(optical character recognition,OCV)進行掃描成果中關(guān)鍵信息的抓取,當識別到存在異常的圖像或信息時,可以通過操作終端的方式,進行掃描結(jié)果自動糾偏,從真正意義上做到了掃描成像的省時、省力,滿足本文監(jiān)測方法在實際應(yīng)用中的需求。

2 軟件設(shè)計

2.1 基于無人機航測的工程地質(zhì)場景掃描

使用DJI MavicAir2.0無人機航拍器,進行工程地質(zhì)場景數(shù)據(jù)源的獲取。在此過程中,使用多個不同傾斜角度的相機與GPS接收機集成在儀器前端,使用操作手柄,進行數(shù)據(jù)的初步獲取,其中慣性測量單元(inertial measurement unit ，IMU)端可以通過對無人機飛行中定位姿態(tài)與定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system，POS)數(shù)據(jù)的融合,進行獲取圖像的整理,完成基礎(chǔ)圖像的整理后,所有由前端反饋的信息將通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)被傳輸?shù)健皥鼍拔募A”中,以供后期技術(shù)人員與工作人員進行數(shù)據(jù)的調(diào)用。無人機航測的工程地質(zhì)場景數(shù)據(jù)采集技術(shù)路線如圖2所示。

按照上述圖2所示的流程,對監(jiān)測的工程區(qū)域進行掃描,以此種方式,完成對監(jiān)測區(qū)域圖像與數(shù)據(jù)信息的獲取。

圖2 無人機航測的工程地質(zhì)場景數(shù)據(jù)采集技術(shù)路線

2.2 基于三維激光掃描技術(shù)的點云數(shù)據(jù)處理

完成對監(jiān)測區(qū)域圖像的采集后,在工程區(qū)域內(nèi)設(shè)置基準點觀測墩,架設(shè)三維激光掃描儀器,進行掃描定向。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)情況與山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害危險源,設(shè)定掃描參數(shù),通過此種方式,獲取工程地質(zhì)區(qū)域中的點云數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 三維激光掃描參數(shù)設(shè)計

按照述表1中的內(nèi)容,進行監(jiān)測區(qū)域點云數(shù)據(jù)的獲取。完成數(shù)據(jù)的初步獲取后,按照“數(shù)據(jù)編輯→配準→拼接→建?！钡牟襟E,進行數(shù)據(jù)處理。在編輯處理過程中,輔助使用計算繪圖設(shè)備,進行圖像中粗差的消除與剪切,保留有效數(shù)據(jù)與價值數(shù)據(jù),確保所有保留數(shù)據(jù)與工程地質(zhì)建模相關(guān)。在進行點云數(shù)據(jù)配準與拼接時,需要在圖像中建立一個公共坐標點,將此坐標點表示為原點,點坐標為(0,0,0)。根據(jù)獲取圖像在空間中的位置,導(dǎo)入坐標軸,確保不同點坐標在空間中可形成一個整體。除此之外,也可以通過直角坐標系轉(zhuǎn)換的方式,進行數(shù)據(jù)格式的直接化與統(tǒng)一化處理。在進行數(shù)據(jù)建模時,可以根據(jù)數(shù)據(jù)與物體之間的形狀匹配程度,建立實體化模型,以此種方式,實現(xiàn)對點云數(shù)據(jù)的處理。

2.3 紋理映射與地質(zhì)災(zāi)害影像匹配

在完成上述處理后,對采集的監(jiān)測區(qū)域點云數(shù)據(jù)信息進行三維建模,為了進一步增加信息的表現(xiàn)力,增加監(jiān)測結(jié)果的真實感,需要將實拍的圖像與建立的三維模型進行紋理映射,通過對兩者之間關(guān)系的描述,進行地質(zhì)災(zāi)害影像的匹配。

在此過程中,數(shù)碼相機成像可以通過坐標軸轉(zhuǎn)換的方式進行像素點平行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換過程可以使用計算公式。

(1)

式中，

Z

表示為轉(zhuǎn)換后的地質(zhì)坐標數(shù)據(jù);

u

、

v

和

j

表示為原始坐標;

f

表示為鏡頭與成像距離;表示為平移向量;

R

表示為外部特征點;

T

表示為匹配周期;

X

、

Y

、

Z

分別表示為匹配后監(jiān)測點坐標;

W

表示為內(nèi)部紋理參數(shù)。按照上述方式,對監(jiān)測點進行坐標匹配,完成匹配后,將其與山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害評價指標進行匹配,當存在某點異常時,可以認為此區(qū)域存在山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害危險。綜合上述分析,實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域紋理的映射與地質(zhì)影像的匹配,實現(xiàn)本文方法的設(shè)計。

3 對比實驗

3.1 試驗區(qū)域概況

為了證明本文設(shè)計的監(jiān)測方法可以在實際工作中起到既定的監(jiān)測效果,下述將采用對比實驗的方式驗證設(shè)計方法的有效性。此次實驗選擇的監(jiān)測點為平莊集團礦業(yè)有限公司開發(fā)的礦區(qū),此礦區(qū)屬于露天礦,對應(yīng)的工程自2013年開始實施,工程生產(chǎn)單位采用常規(guī)的采礦技術(shù)進行地質(zhì)層中礦物質(zhì)的獲取,截至今日礦區(qū)的資源產(chǎn)出量已供應(yīng)了該地區(qū)三家工業(yè)生產(chǎn)廠。目前,此露天礦已經(jīng)屬于生成的中后期,由于礦體受到過度開采等方面因素的影響,已出現(xiàn)嚴重的山體滑坡隱患,此因素已成為制約企業(yè)礦山工程繼續(xù)實施的關(guān)鍵要素。

3.2 采用本文設(shè)計監(jiān)測方法布置監(jiān)測點

為了滿足礦區(qū)山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害與地形變化的監(jiān)測需求,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)工程實施的條件,在區(qū)域進行布置監(jiān)測點。參照早期工程地質(zhì)監(jiān)測畫面,根據(jù)山體滑坡區(qū)域的地形圖布置監(jiān)測點,對應(yīng)的地形圖與監(jiān)測點示意圖如圖3所示。

(a)監(jiān)測點地形圖

(b)監(jiān)測點示意圖

完成對監(jiān)測點的布設(shè)后,將三維激光掃描儀器布置在

D

與

D

點,輔助無人機進行地質(zhì)數(shù)據(jù)的航拍獲取。為了證明此方法具有真實的使用效果,在完成對基礎(chǔ)環(huán)境的布置后,對

D

點進行為期3個月的位移監(jiān)測。首次監(jiān)測時,將礦區(qū)整體地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行空間建模,原點坐標表示為(0;0;0),監(jiān)測得到

D

點的相對坐標為(

X

:356.32 m;

Y

:235.61 m;

Z

:256.32 m),間隔30.0 d后,進行礦區(qū)整體地質(zhì)結(jié)構(gòu)中

D

點的第二次監(jiān)測,監(jiān)測后得到

D

點的相對坐標為(

X

:356.31 m;

Y

:235.60 m;

Z

:256.32 m),再次間隔30.0 d,進行礦區(qū)整體地質(zhì)結(jié)構(gòu)中

D

點的第三次監(jiān)測,監(jiān)測后得到

D

點的相對坐標為(

X

:356.30 m;

Y

:235.59 m;

Z

:256.31 m)。綜合上述數(shù)據(jù)的變化趨勢可知,

D

點

X

坐標與

Y

坐標在每次監(jiān)測數(shù)據(jù)中都下降了0.01 m,

Z

坐標在最后一次監(jiān)測中數(shù)據(jù)下降0.01,表明監(jiān)測區(qū)域整體存在下沉趨勢,證明此礦體存在地質(zhì)山體滑坡的隱患。通過對

D

點3次數(shù)據(jù)的整理,可以掌握地質(zhì)層某一具體監(jiān)測點的變化趨勢。由此可以說明,本文監(jiān)測方法與礦產(chǎn)單位完成對接后,可以實現(xiàn)對此企業(yè)礦山工程作業(yè)提供輔助性數(shù)據(jù)作為幫助。

3.3 與其他監(jiān)測方法對比

選擇企業(yè)現(xiàn)階段使用的基于三維地理信息系統(tǒng)(three-dimensional geographic information system，3D GIS)與全站儀的監(jiān)測方法與傳統(tǒng)的基于實時動態(tài)載波相位差分(real-time kinematic，RTK)技術(shù)與北斗衛(wèi)星技術(shù)的監(jiān)測方法作為實驗的對比方法,與本文提出的基于無人機航測與三維激光掃描的山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法進行有效性對比。選擇設(shè)計的

D

點作為測試點,采用3種方法共同對

D

點進行監(jiān)測,監(jiān)測時長為半年。

D

點的相對坐標為(

X

:253.62 m;

Y

:220.13 m;

Z

:235.61 m),將其中

Z

點的位移變化作為評價地質(zhì)山體滑坡災(zāi)害的依據(jù)。

在使用本文方法進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取時,可通過對前端點云數(shù)據(jù)的匹配進行山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害位移數(shù)據(jù)的校正,根據(jù)校正結(jié)果,輸出點云數(shù)據(jù)變化趨勢;在使用基于3D GIS與全站儀的監(jiān)測方法監(jiān)測時,將全站儀測得的數(shù)據(jù)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間模型進行匹配;在進行基于RTK與北斗衛(wèi)星技術(shù)的監(jiān)測方法監(jiān)測時,將衛(wèi)星成像數(shù)據(jù)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)空間模型進行匹配。3種方法按照上述方式進行數(shù)據(jù)點的匹配,將自行校正后的監(jiān)測數(shù)據(jù)以統(tǒng)一格式進行導(dǎo)出。

3.4 實驗結(jié)果分析

每間隔一個月獲取一次實驗數(shù)據(jù),通過時長為半年的監(jiān)測,獲得3種方法監(jiān)測下該區(qū)域6個月的監(jiān)測數(shù)據(jù),將獲得的數(shù)據(jù)點使用平滑曲線進行連接,得到

D

點位移數(shù)據(jù)的對比實驗的結(jié)果,如圖4所示。

圖4 對比實驗結(jié)果

從上述圖4所示的實驗結(jié)果可以看出,本文監(jiān)測方法與企業(yè)現(xiàn)階段應(yīng)用的基于3D GIS與全站儀的監(jiān)測方法,在完成為期6個月的監(jiān)測后,監(jiān)測數(shù)據(jù)走向基本一致,但使用全站儀進行檢測得到的結(jié)果連續(xù)性較差,在第3個月至第4個月時,監(jiān)測數(shù)據(jù)存在缺失,監(jiān)測結(jié)果缺乏連續(xù)性。在使用基于RTK與北斗衛(wèi)星技術(shù)的監(jiān)測方法進行山體滑坡地質(zhì)監(jiān)測時,發(fā)現(xiàn)方法監(jiān)測數(shù)據(jù)值無顯著變化,而參照

D

點監(jiān)測結(jié)果可知,此監(jiān)測區(qū)可能存在地質(zhì)山體滑坡災(zāi)害。因此,

D

點的坐標值一定會發(fā)生變化,證明傳統(tǒng)監(jiān)測方法在實際應(yīng)用中的監(jiān)測效果與實際數(shù)值可能存在偏差,無法將此方法的監(jiān)測結(jié)果作為地質(zhì)災(zāi)害決策的依據(jù)。

綜合上述分析可知,無論是企業(yè)現(xiàn)階段應(yīng)用的基于3D GIS與全站儀的監(jiān)測方法,還是傳統(tǒng)的基于RTK與北斗衛(wèi)星技術(shù)的監(jiān)測方法,在本次實驗監(jiān)測過程中,均存在不同層面上的不足,其中礦山企業(yè)現(xiàn)用的監(jiān)測方法監(jiān)測數(shù)據(jù)較為準確,但監(jiān)測數(shù)據(jù)無法保證連續(xù)性;傳統(tǒng)方法監(jiān)測的數(shù)據(jù)可保持連續(xù)性,但無法保證監(jiān)測結(jié)果準確。因此,在完成實驗后,得出此次對比實驗的最終結(jié)論：相比另兩種監(jiān)測方法,本文設(shè)計的基于無人機航測與三維激光掃描的山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法在實際應(yīng)用中,可以保證監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)具有較強的連續(xù)性與較高的準確度。

4 結(jié)束語

本文提出基于無人機航測與三維激光掃描的山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，方法設(shè)計,將本文方法與基于3D GIS與全站儀的監(jiān)測方法、基于RTK與北斗衛(wèi)星技術(shù)的監(jiān)測方法進行對比,發(fā)現(xiàn)相比傳統(tǒng)的方法,本文開發(fā)的工程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法在實際應(yīng)用中,可以保證監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)具有較強的連續(xù)性與較高的準確度。因此,可在后期的研究中,嘗試將本文方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法,在市場內(nèi)進行推廣,以此種方式,提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測結(jié)果的價值性,實現(xiàn)將災(zāi)害事件控制在發(fā)生前,從而降低或減少地質(zhì)單位在工程實施中的經(jīng)濟損失。