无人机倾斜摄影在高位危岩体调查中的应用

吴森，陈超，薛廉，王成锋，唐晓玲，兰宇

无人机倾斜摄影在高位危岩体调查中的应用

吴森，陈超，薛廉，王成锋，唐晓玲，兰宇

（四川省地质工程勘察院，成都 610032）

针对传统高位危岩体地面调查强度大、效率低、风险高、精度低、轻整体重局部的不足，提出了基于无人机倾斜摄影技术的高位危岩体调查方法。本文以青城山后山景区危岩为例，通过无人机倾斜摄影处理技术流程，构建危岩体三维立体实景模型，通过解译分析，提取了危岩体地层岩性、产状、裂隙发育情况、块体大小等信息。结果表明，与传统地面调查分析相比，该方法更全面、客观、准确，具有巨大的推广前景。

无人机；倾斜摄影；危岩体；调查

我国西南地区地处我国第一、二级阶梯过渡地带，地形高差大、地质构造极为复杂，地震等活动频发，是地质灾害最为发育、威胁最为严重的区域，也是我国地质灾害防治的重点区域。近年来，中央、省市每年投入大量的资金用于地灾排查、详查、精细化调查，通过地质灾害综合防治体系建设，已经发现的重大地质灾害隐患点已经通过工程治理、避让搬迁、应急排危、监测预警等手段得到了有效的控制，但是面对该区域复杂的地质环境背景及极端天气，地质灾害诱发因素众多，大量的地灾隐患通过排查、详查、精细化调查等工作仍有“漏网之鱼”，以县（市）为单位的地灾调查与区域工作仍然无法彻底解决地质灾害早期识别问题，特别是高位危岩灾害，往往发育隐蔽、分布高位，难以通过常规手段排查出。即使发现，技术人员也无法通过传统的地面调查直接采集灾害数据。因此，现阶段需要全面、高效、精准的技术手段来解决地灾调查的数据获取问题。

相比人工地面调查，无人机具有机动强、效率高、超低飞行的能力，飞抵调查人员难以到达的地区，并能快速获取地灾调查区的高分辨率、高精度的影像数据，弥补传统地灾调查的不足[1]。目前，部分学者已经将无人机技术应用到地灾调查中，并取得了一定成果。胡才源等[2]基于无人机遥感技术，对油杉河景区的仙宇屯高位崩塌单体进行了研究，通过无人机获取研究区数据，实现了高精度DOM（精度0.487m）和实景三维立体模型的构建用于分析崩塌灾害；高姣姣[3]以延安子长县为例，建立了一套无人机航测遥感数据获取-处理-应用的流程，为无人机在地灾调查方法的应用方面提供了新的技术支撑手段；黄海峰等[4]以三峡库区地灾应急调查实践案例为基础，总结了一套小型无人机遥感系统开展的单体地灾应急调查的方法。

虽然，近几年无人机技术在地灾调查中应用广泛，但针对单体地质灾害调查，却少有高位崩塌灾害应用案例，因此，本文针对传统高位危岩体地面调查强度大、效率低、风险高、精度低、轻整体重局部的不足[5]，提出了一种基于无人机倾斜摄影技术的高位危岩体调查方法，通过构建危岩的三维立体实景模型，获取更精确的地灾调查数据，为崩塌灾害调查提供一种全新的思路与方法。

1 无人机倾斜摄影技术

无人机倾斜摄影技术是通过在无人机上搭载一台或多台传感器，从垂视、侧视和前后视等不同角度采集场景区域的多视角数字影像。

倾斜摄影测量原理是基于数字影像和摄影测量中像点、镜头中心和物点共线的基本原理，融合计算机多视角技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论和方法，经过计算机处理，从倾斜摄影获取的二维多视角数字影像中，恢复、重建目标区域的真实三维实景[6]。与传统正射影像相比，倾斜摄影从不同角度采集目标区域影像，因此重建的场景及场景中的目标具有更为丰富、完整、准确的几何和物理信息，构建的三维立体实景模型能更加真实反映出地貌特征，可以方便解译人员从多角度观察，弥补了正射影像的不足；同时，可以通过专业的软件可以实现对构建的三维立体实景模型的三维量测，极大提高了地理信息的获取能力。

1.1 软硬件设备与主要技术参数

硬件设备主要技术参数表

Phantom 4无人机相机参数南方测绘银河6 RTK GNSS定位仪 重量（g）1380有效像素1240万静态平面精度±（2.5mm+0.5×10-6D） 最大上升/下降/水平速度(m/s)6/4/20电子快门速度8~1/8000秒静态高程精度±（5mm+0.5×10-6D） 飞行时间/（min）28照片最大分辨率4000×3000RTK平面精度±（8mm+1×10-6D） 悬停精度/m±0.1图片格式JPEG，DNGRTK高程精度±（16mm+0.5×10-6D）

无人机倾斜摄影系统主要由两个部分：外业采集系统、内业处理系统。外业采集系统主要由无人机、测量仪器、飞控系统组成，此次采用的外业采集系统主要包括大疆精灵Phantom 4无人机、南方测绘银河6 RTK GNSS定位仪（主要技术参数参见表1）；内业处理系统主要由后处数据处理系列软件构成，主要包括Context Capture、DP-Modeler。

1.2 倾斜摄影技术处理流程

无人机倾斜摄影建模技术流程主要包括以下几个方面：

1）无人机倾斜数据获取（倾斜影像、地面像控点）；

2）POS信息数据处理；

3）空三加密、点云密集匹配；

4）三维立体实景模型重构（结构建立、纹理映射）。

图1 倾斜摄影技术处理流程

2 危岩体调查

根据《滑坡崩塌泥石流灾害调查规范（1: 50 000)》[7]，危岩体的调查包括：①地形地貌、区域地质构造、斜坡结构类型、地层岩性、岩（土）体结构类型；②危岩体水文地质条件、地下水赋存条件；③危岩体位置、分布高程、形态、规模；④危岩体变形发育史；⑤危岩体的形成因素；⑥危岩体崩塌的可能性，初步划定危岩体崩落危害范围，并对灾情做出分析与预测等内容。

3 应用实例

现以青城山后山景区危岩调查为例，对无人机倾斜摄影技术的高位危岩体调查方法与技术流程进行阐述。

3.1 研究区概况

该危岩位于青城山后山景区，行政上隶属于青城山镇白云村，区内属构造侵蚀中低山地貌，海拔一般在800~1500m之间，相对高差一般在100~200m。区内地层主要由由侏罗系砂、泥岩组成，地处灌县断层、映秀断层之间，地质构造较发育。

图2 航线布设图

3.2 数据获取及处理

1）数据获取

2018年5月8日，首先对危岩所在区域开展野外踏勘，由于调查区地势陡峭，在危岩体带上方与下方采用人工方式提前布设控制点，利用RTK采用CORS系统获取控制点2000国家坐标系统成果，利用水准精化模型得到控制点1985国家高程基准成果。

根据踏勘情况布设两类航线：①正射航线：单镜头下视方式场景拍摄，相对地面航高为80~150m，地面分辨率优于0.08m；②危岩带倾斜航线：倾斜多视角方式危岩带拍摄，相对危岩体距离大于20m，地面分辨率优于0.02m。航向重叠率大于80%，旁向重叠率大于75%。正摄航拍2架次，倾斜航拍4架次。通过无人机搭载的相机获取高分辨率数字影像共计821幅。

2）POS信息数据处理

本次航拍采用大疆四旋翼无人机，POS数据仅为GPS数据，坐标为WGS84地理参考坐标，格式类型为：BLH。该POS数据存储于影像exif数据中，可由后处理软件Context Capture直接读取，用于影像数据的快速初始化定位处理。

3）空三加密、点云密集匹配

空三加密由Context Capture软件全自动处理。空三加密时相机的畸变参数由软件根据影像自动计算。首先，Context Capture软件根据采集下视影像、倾斜影像的POS数据进行快速空三融合处理。解算结果若出现航线弯曲、断折、错层等情况时，可按航飞架次分别带入控制点进行空三处理后，再进行联合区域网平差融合处理；若未出现以上情况，可直接带入控制点进行区域网平差处理。

影像密集匹配同样是利用Context Capture软件空中三角测量运算出的影像外方位元素进行多视影像密集匹配，以获得超高密度的数字点云[8]。

4）三维立体实景模型重构

通过生成密集点云、构建TIN模型、纹理自动映射处理三个步骤，构建危岩体三维立体实景模型。由于密集点云数据量较大，Context Capture需要先将数据按集群主机电脑配置分块后，再由各集群电脑进行不同层次细节度下的TIN模型构建；一步，根据TIN的曲度变化对数据进行抽稀、简化后重构TIN骨架模型；最后，将优化处理后的TIN骨架模型进行纹理自动映射[9]。经过以上操作处理之后便可获得高精度和高分辨率的三维立体实景模型。

图3 三维立体实景模型重构

三维立体实景模型通常都能获得比较好的视觉效果，但由于受到特征点匹配错误、航摄盲区等因素的影响，通过Context Capture软件自动生成的三维模型有时会产生空洞区域或纹理模糊、拉花等现象[9]。解译时若需修复空洞区域则需要补拍后再空三加密或在第三方软件中人工修复；解译时若需修复纹理模糊、拉花现象，可根据空三结果导出畸变纠正后的原始影像，在第三方软件中对模型进行细微修整，或在第三方软件中将畸变纠正后的影像恢复外方位元素后，直接投影在模型上，按原始分辨率进行解译、量测。

3.3 危岩体信息提取与分析

通过倾斜摄影方法构建出的危岩区域真实三维实景，实现了360°无死角展示危岩体及周边场景，方便解译人员从多角度观察分析灾害特征，判读出危岩体分布、规模、威胁范围等信息。通过软件量测功能，可以方便量测危岩块体大小、产状、坡度等信息，大大提高了地理信息的获取能力[10]。

从构建出的危岩三维立体实景模型分析可知：崩塌所在斜坡整体坡度55°~60°，坡向116°，坡体基岩出露，岩性为侏罗系中统上沙溪庙组（J2s）的砂岩，呈巨厚层状产出，岩层整体产状245°∠5°。岩体内共发育两组裂隙：①裂隙组L1:整体产状15°∠76°，裂隙宽30~1 700mm，多呈张开状，4.3~23.5m/条，裂缝多不充填，少量泥质充填（图4-a）；②裂隙组L2:整体产状116°∠85°，裂隙宽25~11 000mm，多呈张开状，4.6~17.5m/条，裂缝多不充填（图4-b）。裂隙组L1与裂隙组L2构成共轭张裂隙，将岩体剪切成不同大小块体，整个坡体共发育危岩带6处（图5），受裂隙切割，危岩块体多成近立方体，小的直径2.5m，大的可达26m，危岩顶与坡脚高差约200m，6块危岩体总方量约为51×104m3，属于大型崩塌，崩塌体主崩方向为116°，主要威胁景区游客安全。初步判断，Ⅳ号、Ⅴ号、Ⅵ号危岩带危岩整体处于基本稳定状态；Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号危岩带危岩目前处于欠稳定状态，在降雨、气温等条件变化作用下，易以倾倒-崩落模式坠落。

图4 三维立体实景模型重构

图5 三维立体实景模型重构

4 结论

传统高位危岩体地面调查存在着调查强度大、效率低、风险高、精度低、轻整体重局部等不足，基于无人机倾斜摄影技术的高位危岩体调查方法具有如下优势：

1）相比人工地面调查，无人机具有机动强、效率高、超低飞行的能力，飞抵调查人员难以到达的地区，并能快速获取地灾调查区的高分辨率、高精度的影像数据，弥补传统地灾调查的不足;

2）与传统正射影像相比，倾斜摄影从不同角度采集目标区域影像，构建的三维立体实景模型能更加真实反映出地貌特征，可以方便解译人员从多角度观察，弥补了正射影像的不足;

3）构建的三维立体实景模型，实现了360°无死角展示危岩体及周边场景，方便多角度观察分析灾害特征，判读危岩体分布、规模、威胁范围等信息。通过软件量测功能，可以方便量测危岩块体大小、产状、坡度等信息，大大提高了地理信息的获取能力。

分析结果表明，与传统地面调查分析相比，基于无人机倾斜摄影技术能够全面、客观、准确展示地灾特征，极大提高了地质灾害调查精度、效率，具有巨大的推广前景。

[1] 王帅永，唐川，何敬，等．无人机在强震区地质灾害精细调查中的应用研究[J]．工程地质学报，2016，24(04)：713-719．

[2] 胡才源，章广成，李小玲．无人机遥感在高位崩塌地质灾害调查中的应用[J]．人民长江，2019，50(01)：136-140．

[3] 高姣姣． 高精度无人机遥感地质灾害调查应用研究[D]．北京交通大学，2010．

[4] 黄海峰，林海玉，吕奕铭，等．基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法与实践[J]．工程地质学报，2017，25(02)：447-454．．

[5] 管建军，王俊豪，王双亭，等．无人机倾斜摄影在黄土地区泥石流灾害调查与评价中的应用[J]．中国地质灾害与防治学报，2017，28(04)：137-145．

[6] 郑史芳，黎治坤．结合倾斜摄影技术的地质灾害监测[J]．测绘通报，2018(08)：88-92．

[7] 中华人民共和国地质矿产行业标准．DZ/T 0261-2014， 滑坡崩塌泥石流灾害调查规范（1： 50 000) [S]．2014．

[8] 余忠迪，李辉，巴芳，等．基于消费者级无人机的城市三维建模[J]．国土资源遥感，2018，30(02)：67-72．．

[9] 范攀峰，李露露．基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究[J]．测绘通报，2017(S2)：77-81．

[10] 吴楠，韩东．无人机摄影测量在库区地质灾害安全检查中的应用[J]．四川地质学报，2016，36(02)：316-319．

The Application of UAV Tilt Photography to the Investigation of High Unstable Rock Mass

WU Sen CHEN Chao XUE Lian WANG Cheng-feng TANG Xiao-ling LAN Yu

(Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation, Chengdu 610072)

An investigation method of high unstable rock mass based on UAV tilt photography technology overcomes such shortcomings of the traditional ground survey as high intensity, low efficiency, high risk, low accuracy, neglecting the whole and attaching importance to the part. By the example of the unstable rock mass of the Qingcheng Mountain Houshan scenic area, this study establishes a three-dimensional scene model of the unstable rock mass by means of the UAV tilt photography technology, extracting information of stratigraphic lithology, occurrence, fracture development and block size of the unstable rock mass. The results show that this method is more comprehensive, objective and accurate than the traditional ground survey, and has a great prospect of popularization.

UAV; tilt photography; unstable rock mass; investigation

2019-03-12

成都市科技惠民项目（2016-HM01-00424-SF）：成都市城市化建设中地质灾害早期识别技术研究

吴森（1988-），男，江苏邳州人，工程师，工学硕士，研究方向为地质灾害评价与防治技术

P694

A

1006-0995（2019）03-0459-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.03.022