无人机近景测量技术在高陡边坡地质调查中的应用

马丹璇 张丙先 谢建波 王锐 王寺响

摘要：在高山峡谷区对高陡边坡进行地质调查一直是地质工作者面临的难题。基于无人机倾斜摄影技术，采用近景摄影测量方法对高陡边坡进行三维实景建模，获取边坡的高精度三维模型。基于三维影像进行地质解译工作，辨识主要的物理地质现象。基于三点法提取岩体结构面产状并进行统计分析，从宏观的角度推测不良地质现象对工程的潜在影响，并提出处理措施建议。总结出一套无人机近景摄影测量技术在高陡边坡地质调查中的应用方法，弥补了传统人工调查工作的不足。

关键词：高陡边坡;地质调查;倾斜摄影;无人机

中图法分类号：P231文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.007

文章编号：1006 - 0081（2021）10 - 0038 - 05

0 引 言

中国西南地区以山地为主，河谷纵横交错，水能资源丰富，是目前水利水电工程建设的主要地区。但该地区地质结构复杂，河谷两侧岩体陡峭，其中高陡边坡所引发的地质灾害是影响工程建设和人民生命财产安全的重要风险因素之一，对边坡地质条件的掌握和描述是进行高陡边坡稳定性评价的基础。而对于地形条件复杂的高陡边坡而言，传统的野外地质编录手段因其操作难度大、精度低、人员安全无法保障等问题已经不再适用。随着技术的发展，新型技术手段在辅助野外地质调查方面的应用越来越广泛，主要体现在三维激光技术与近景摄影测量技术两个方面。

国内最早将三维激光扫描技术应用在岩体结构测量方面，董秀军等[1]详细阐述了三维激光扫描技术在岩体结构测量中的可行性及实现方法。其后，三维激光技术在滑坡监测[2]、边坡稳定性分析[3]等方面均得到良好应用。但由于三维激光设备价格昂贵，核心元器件易损坏，使用及维护成本较高，且测量过程中需要仪器固定，扫描范围有限，致使该技术只适用于浅层岩体结构的调查测绘，对于落差较大的高陡边坡以及大范围的复杂地形则有一定的局限性。

早在20世纪90年代，国内就开始探索利用摄影测量技术进行地质编录的方法[4]，目前已能够利用普通数码相机实现高精度的岩体结构面数字识别与信息提取[5]。基于近年发展起来的SfM（运动结构算法）算法，结合基于图像的三维建模技术，能够创建具有真实纹理特征的高精度三维实景模型[6]。但传统方法数码影像采集设备需在地面架设，应用于高陡边坡场景时，由于距离坡脚和坡顶的落差较大，会造成较大的影像畸变而影响最终成果的测量精度。

随着近些年无人机技术的飞速发展，行业用无人机朝着小型化、智能化、集成化方向发展，使用门槛越来越低，基于低空低速的轻小无人机倾斜摄影技术很好地解决了上述两种方式的痛点。无人机可以抵达目标岩体任意高度的临空空间，能够快速获取目标岩体的空间影像信息，加上近年来机载RTK（实时动态差分）技术的兴起，能够实现免像控点的三维实景模型创建，特别适合高陡边坡这种不利于像控点布设的应用环境。

1无人机近景摄影测量技术

1.1 仿地飞行

采用传统方式进行无人机低空摄影测量时，不管是进行正射影像还是倾斜摄影测量，飞行路线一般都设定在固定高度。对于坡度变化大的高陡边坡，处于不同高度地物的影像分辨率不同，后期进行空三解算时难以达到整个模型精度的统一，因此，坡度变化大的高陡边坡一般利用固定翼类型的中大型无人机进行比例尺1∶2 000～1∶5 000精度的航空摄影。近些年随着轻小多旋翼无人机技术的迅猛发展，使无人机更能贴近被测对象飞行，获取的影像分辨率更高，可提供厘米级精度的航空影像测量成果。

为了保证边坡三维模型精度的一致性，本次应采用仿地飞行方式进行作业（图1），无人机航线不固定，根据地面起伏自主调节飞行高度，与被摄地物始终保持固定航高，能够最大程度保证整个边坡各高程模型精度的统一，提高成果质量。

1.2粗略地形数据获取

无人机进行仿地飞行前需要获取测区的DSM（数字表面模型）或DEM（数字高程模型）数据作为仿地飞行线路规划的参考数据，一般首选DSM，对于地表植被较少、没有高大建筑物的测区，可使用DEM代替DSM。获取的方式主要有两种：

（1）基于公开的DEM数据。目前覆盖全国的免费DEM数据有SRTM（分辨率90 m/pix）、ASTER GDEM（分辨率30 m/pix）、ALOS（分辨率12.5 m/pix）可供下载。

（2）利用无人机预扫生成。采用2D正射的方法对测区进行预扫后在空三软件中进行预合成，一般飞行高度在数百米，航向及旁向重叠率大于50%即可。该种方法生成的数据较公开数据更为精细，可以更好地实现仿地飞行。

1.3 创建精细三维实景模型

将粗略地形文件导入飞行器管理软件中进行仿地飞行线路规划，飞行高度一般设置在100 m以下，航向及旁向重叠率均大于70%，采用倾斜摄影方式对测区进行多角度拍摄，后期在空三软件中进行高精度实景模型的创建，通过POS点校正或者RTK免像控方式获取的模型精度能够达到厘米级。

1.4 岩体结构面产状提取

邊坡岩体结构特征控制着岩体的力学性质并影响边坡的稳定，其中岩体结构面产状是最为重要的理论分析数据。三维实景模型保留了真实的纹理信息和立体空间信息，地质人员可在模型上解译出边坡岩体的结构面。由岩体结构面产状倾向、倾角的定义可知：要测定岩体结构面的产状，只需确定岩层所在平面的法向量即可。三维实景模型的坐标系统参照无人机搭载的GPS传感器所获取的空间三维坐标系（图2），在结构面上适当选取不共线3点创建拟合平面，利用3点的经度、纬度及高程信息便可计算其产状。提取多组产状数据进而统计分析，并划分优势结构面产状，作为边坡稳定性评价的参考数据。

假设提取同一结构面不共线3点坐标分别为P1（x1，y1，z1），P2（x2，y2，z2），P3（x3，y3，z3），根据空间平面坐标方程Z=AX+BY+C，则可列：

[x1y11x2y21x3y31×ABC=z1z2z3]

法向量坐标A，B，C可表示为

[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）]

根据产状与空间平面坐标方程参数的对应关系，可量化计算出倾角α和倾向β：

[α=arccosCA2+B2+C2]

[β0=arctanBA]

式中：当A<0时，[β= β0，            B≤0 β0+2π， B>0];当A>0时，[β=β0+π]。

2应用实例

2.1工程区概况

扎拉水电站为西藏玉曲河干流下游河段七级开发方案中的第六级，采用混合式开发方式，其中厂址区位于林芝地区察隅县察瓦龙乡据水村下游，预可研阶段提供了上、下两个厂址进行方案比选，后边坡坐落于厂址区北侧，紧邻厂址（图3）。厂址后边坡河道至坡顶高程范围约2 040～3 200 m，边坡高差超过1 100 m，地形坡度一般30°～50°，为典型的高陡边坡，其稳定性对厂房，乃至整个水电站的运营安全都有着重要影响。

2.2获取高精度三维实景模型

飞行器使用大疆精灵4RTK版本，首先采用2D正射方式进行预扫，起飞点选择近坡顶处，行高设置最大500 m，镜头角度90°，航向与旁向重叠率设置为50%即可，采集相片185张，后处理软件借助Metashape软件进行，生成的DEM数据分辨率达到9 m/pix（图4），满足仿地飞行的精度要求。

将DEM数据导入飞行管理软件进行仿地飞行线路规划，相对航高设置为100 m，镜头角度30°，航线按照3D倾斜摄影模式设置，航向与旁向重叠率分别设置为80%和70%，开启无人机网络RTK功能进行免像控航测飞行，采集相片6 248张。

将相片导入Metashape软件进行后期处理，按照软件中预设的流程（图5）进行自动处理，生成边坡的高精度倾斜模型，成果影像地面分辨率为每3.32 cm/pix，边坡岩体结构面特征清晰可见（图6）。

2.3 基于三维实景模型的地质解译

基于三维实景模型进行地质解译，从宏观上判断边坡出露基岩呈单斜构造，总体呈反倾边坡，正常层面倾北东，板理（层理）倾北东—南东，倾角一般为24°～50°，变化较大（图7）。解译识别出在上厂址西侧后山坡中部有一滑坡体，滑体东侧缘沟壁可见较为明显的滑带，呈灰黄色（图8）。在模型上量测得到滑坡前缘高程2 555 m，宽157 m，后缘高程2 747 m，通过最佳拟合平面方法计算方量约60.6万m3。滑坡体中、前部地形坡度约40°，后缘为陡崖，地形坡度约50°，初步判断为基岩切层滑坡。通过模型提取滑动面空间信息计算得到的滑动面产状为N55°W/42°SW。

在上厂址东侧后山坡中上部和下厂址边坡下部发现碎石流分布（图9）。上厂址碎石流堆积体在模型上测得前缘高程2 420 m，宽330 m，后缘高程2 649 m，纵长376 m，地形坡度约40°，选取最佳拟合平面法计算方量约27.3万m3。下厂址边坡碎石流堆积体前缘高程2 086 m，宽116 m，后缘高程2 150 m，纵长100 m，地形坡度约40°，计算方量约1.5万m3。

通过解译发现在约2 700 m高程至坡顶范围边坡岩体结构较破碎，坡体上部发育由卸荷产生的拉张裂隙，多张开。在坡顶高程3 000～3 100 m范围识别出一区域性断裂发育（图10），断裂走向北西，断面倾北东，倾角近直立，断裂带出露宽度5～15 m。邊坡表层基岩普遍有倾倒变形现象，倾倒后产状变化较大。突出的岩体被陡倾切层卸荷裂隙切割并张开，在自重及卸荷的作用向后缘延伸贯通后拉裂坠覆，形成圈椅状裸露岩层（图11）。

针对中上部边坡岩体在模型上提取有效裂隙面产状188条，赤平投影至等密度网上绘制裂隙等密图（图12），得到边坡岩体优势产状分为两组：①走向60°～90°，倾向330°～360°，倾角56°～89°;②走向320°～350°，倾向240°～260°，倾角60°～85°。

2.4边坡整体评价与建议

滑坡体在模型上未见新近变形及继续滑动迹象，整体基本稳定。测量得到滑坡体前缘距离上厂址水平投影距离大于800 m，对厂区主体工程影响较小。在三维模型中可见上厂址边坡碎石流分布区坡面上有零星植被生长，整体处于稳定状态，且前缘距离上厂址水平投影距离大于500 m，对厂区枢纽主体工程基本无不利影响。

下厂址边坡碎石流分布区虽处在尾水洞工程施工范围内，但考虑到其方量较小，对工程的影响较小，施工前只需清除即可。

对厂址区影响较大的为边坡中上部发育的卸荷及倾倒变形，这些区段岩体风化卸荷作用强烈，裂隙发育，边坡岩体结构破碎，推测在地震作用下可能会发生局部块体崩塌，滚落的岩块可能运动至厂房位置，建议采取拦挡措施，以应对安全储备稍显不足的区段岩块崩落的不利影响，确保厂房安全运行。

3 结 论

（1）对于高陡边坡而言，采用无人机近景测量技术避免了地质人员调查的危险。外业作业时采用仿地飞行方式能够获取高陡边坡的高精度三维实景模型，克服了岩体结构面统计的局限性，可以为后续工作提供可靠的参考模型。

（2）三维实景模型保留了真实的空间信息数据，具有真实的自然纹理，通过地质解译可以准确识别出滑坡、碎石流、倾倒变形体等各种不良地质现象，测量其空间信息、分布位置及方量大小，统计计算岩体优势产状，能够极大提高野外地质调查工作的效率。

（3）目前利用無人机近景测量技术开展高陡边坡稳定性评价还只能从宏观表层进行初步判断，今后还要进一步拓展至倾斜模型数据与工程计算分析类软件的数据共享，通过三维数值模拟得出更加准确专业的工程评价数据。

参考文献：

[1] 董秀军，黄润秋. 三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用[J]. 岩石力学与工程学报， 2006， 25（增2）： 3629-3635.

[2] 刘文龙，赵小平. 基于三维激光扫描技术在滑坡监测中的应用研究[J]. 金属矿山，2009（2）：131-133.

[3] 宋杰，胡辉，RAFIG A. 基于LiDAR技术的节理岩质边坡有限元分析[J]. 岩石力学与工程学报， 2013， 32（增2）： 3972-3978.

[4] 李浩，张友静，吴继敏. 用近景摄影测量方法进行边坡地质编录[J]. 工程地质计算机应用，1999，13（2）：18-20.

[5] 王凤艳，陈剑平，庞贺民. 应用数字近景摄影测量提取岩体裂隙迹长信息方法研究[J]. 世界地质，2006，25（1）： 39-42.

[6] 高伟，何宏林，邹俊杰，等. 三维图像建模在古地震探槽研究中的应用[J]. 地震地质，2017，39（1）：172-181.

（编辑：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）