无人机航测技术在露天矿边坡工程地质调查中的应用

秦秀山，曹 辉，王志修，刘 鹏

(1.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)

由于地质构造和外部条件影响，岩体内留下了大量方向不同、尺度各异的破裂结构面。破裂结构面是岩体中强度最低、抵抗变形能力最弱的部分，它们的存在导致了岩体力学强度降低、抗变形能力变弱，使岩体具有明显的各向异性[1]。岩体力学强调，岩体的变形和破坏在通常情况下是结构面及其网络的变形与破坏，主要通过结构面的张开和剪切变形来实现。为充分认识露天矿边坡各区域岩体节理的分布规律及质量特征，统计出各区域优势结构面产状信息，需对露天边坡已揭露区域结构面进行系统调查，为矿区边坡岩体质量评价和工程地质分区提供基础参数[2-4]。

1 传统工程地质调查手段

传统的现场工程地质调查是在现场坡体台阶处采用人工详细线法进行结构面测量，如图1所示。详细线测量方法是在岩体露头面上布置一条测线，在距测线上下各1 m处作为窗口上限划定统计窗口，通过GPS确定基点坐标，并沿测线方向开始调查直至终点，统计窗口内结构面裂隙发育情况[5]。通过观察和测量所揭露的岩体结构产状，初步判断出测量点结构面分组。

图1 岩体结构面详细线法测量示意图Fig.1 Detailed line method measurement of rock mass structural plane

该方法在测试时存在以下缺点：1)需要人工站在露天边坡坡脚采用地质调查工具如罗盘、皮尺等进行现场量测、记录，需要多人共同参与且现场需调查范围大，导致调查工作效率较低；2)一般露天矿山边坡高度较大，尤其是并段以后的边坡高度常高达30 m，而人工测量只能在坡脚上部极有限的2～3 m范围内进行测量，所测结构面代表性不强；3)现场测量人员长期站在边坡下测量，但边坡上部受大风、自重和生产活动影响存在浮石下落风险，对现场测量人员的安全造成较大威胁。

2 无人机航测技术

无人机航测是以小型无人机作为主要载体，融合高分辨率数码相机等机载遥感设备来获取待测区域现场照片，通过专业软件对现场航测获取的照片进行真实坐标转换，生成反映现场实际形态特征的图像。无人机航测技术是融合了高空拍摄、遥控遥测和计算机信息处理等应用技术的一种新型测量技术[6]。

无人机航测技术可实现大范围高分辨率图像快速获取，具有环境适应性强的显著优势。随着数码相机技术水平的不断提升及无人机技术的不断发展，以小型无人机为载体的航测技术得到快速应用，在国家重大工程建设、矿山资源开发、国土监察、灾害应急与处理、地质调查测绘、数字城市建设等方面广泛实施应用，具有广阔的前景[7-10]。

无人机低空摄影测量作为一项空间数据获取的重要手段，具有高清晰度、高现势性、大比例尺、影像实时传输、高危地区探测等优点。无人机设备起飞降落受场地条件限制较小，在狭窄空间或其它较开阔区域均可实现起降，其稳定性好、安全性高。

3 无人机航测现场工程地质调查

3.1 无人机航空摄影测量系统

本次调查采用多旋翼无人机航空摄影测量系统，由轻小型无人机系统和内业影像解译系统组成，主要包括：

1)无人机飞行平台：大疆御MAVIC PRO四旋翼无人机(图2)。

图2 大疆御 MAVIC PRO 无人机Fig.2 Dajiangyu MAVIC PRO UAV

2)摄影平台：FC220/FC6310。

3)影像解译系统：三维点云建模系统(图3)。

3.2 现场工程地质调查流程

图3 无人机航测工程地质调查工作流程Fig.3 Work flow of UAV aerial survey for engineering geological survey

根据《低空数字航空摄影测量外业规范》、《1∶500 1∶1 000 1∶2 000比例尺地形图航空摄影规范》等相关规范要求，对无人机低空飞行进行规划。作业前需进行测区踏勘、控制量测；作业阶段需进行“地面控制点布设→地面控制点中心坐标获取→低空飞行规划→相机参数设置与标定→飞行作业→航摄相片数据采集”等过程。先放置最好大于3处的地面控制标靶点，并采用RTK准确测定标靶点的大地坐标，用于后期处理。无人机升空后通过拍摄多组图像获取岩体结构面图像，要求相邻两张之间图像信息的重叠率大于70%，以满足图像叠加获取三维点云数据。

4 数据解算处理

4.1 三维点云数据生成

调查区域为某露天矿山南部96 m平台高边坡，在该区域采用UAV航摄量技术获取坡面岩体结构信息，共设地面控制标靶站点4处，获得航片572张，生成点云数量33，420，576个。点云有效区域含二级台阶，长度约48 m，高度约30 m，如图4所示。

图4 调查区域点云数据Fig.4 Point cloud data in survey area

采用通用稀疏光束平差法逐步迭代，不断最小化投影点和观测图像点之间的重投影误差，解算出最佳相机位姿和场景的三维点云坐标。选取长22 m、高7 m的结构面出露较好的区域进行结构面识别(如图4方框区域)，放大后得到近景三维点云数据如图5所示。

图5 解译区域点云数据近景Fig.5 Close range of point cloud data in interpretation area

4.2 结构面信息提取与统计

在生成三维点云模型基础上，通过自研软件识别出的三维结构面信息如图6所示。

图6 解译区域三维结构面信息Fig.6 Interpretation of 3D structural surface information

调查区优势结构面组的划分采用加拿大Rocscience公司开发的Dips 5.1软件。Dips 5.1是专门用于对方向性地理数据进行交互式分析的专业软件，能够对结构面参数的现场调查数据统计分析，可以生成结构面的玫瑰花图、极点图、等密度图和优势结构面产状图等，能够更加直观地反映现场情况，应用方便快捷。

经Dips 5.1软件对结构面数据统计分析，在该调查测试区域共得到优势结构面产状三组，分别为：

J1：306°∠81°，节理数49条，平均迹长1.99 m，平均间距1.757 m；

J2：5°∠75°，节理数31条，平均迹长3.72 m，平均间距1.690 m；

J3：105°∠33°，节理数26条，平均迹长3.496 m，平均间距1.617 m。

调查区域节理极点等密度图、主要优势结构面产状统计结果如图7、8所示。

图7 赤平极射投影极点等密度图Fig.7 Polar isodensity map of stereographic projection

图8 调查区优势结构面产状统计结果Fig.8 Statistical results of occurrence of dominant structural planes in the survey area

4.3 无人机法与人工法调查结果对比

将无人机航拍所得结构面信息与现场精测线法测量结构面信息进行对比，三维优势结构面的具体数值和差值如表1所示。

表1 无人机调查与人工调查结果对比

从表1可见，无人机调查后通过软件识别所得结构面统计结果与现场人工精测线法调查所得结果较为接近，数据可靠度较高，说明无人机航测技术在露天边坡现场工程地质调查中具有较好的可行性和有效性。

5 结论

1)无人机航测技术为露天矿边坡工程地质调查中工作提供了一种新型技术手段，环境适应性强，测试效率大幅提升，有效降低了作业成本和现场劳动强度。

2)该方法克服了传统人工精测线法测量方式测量范围小的局限性，所得三维点云数据可全面反映边坡整体形态和局部细节特征，具有广阔的应用前景。

3)通过与人工精测线法同区域调查数据对比，无人机航测技术获取的调查数据可靠度较高，可为露天矿山边坡稳定性分析评价和灾害防控提供可靠依据。