小型无人机倾斜摄影建模在矿体地质调查评价中的应用现状研究

谢志伟，谢维安，单慧媚，彭三曦＊，刘 路

（1.桂林理工大学地球科学学院，广西 桂林 541004；2.桂林理工大学，广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004；3.桂林理工大学，岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004）

我国是一个地质灾害频发的国家。每年有数百人死于地质灾害，严重威胁着人民生命财产安全，制约着地质灾害频发地区的经济发展[1]。其中，危险矿体崩塌是山区高陡边坡的主要地质灾害类型之一，显著特点是发生时间不确定、运动速度极快[4]，其在短时间内可造成巨大破坏，极大程度威胁矿区周边人民群众生命财产安全。尽管，我国在1990年建立的群体性监测防治体系在地质灾害防治领域取得了较好的效果减轻了大量损失，但该预防体系对于特大地质灾害的预防处置收效甚微[5]。灾害发生后，应急调查作为地质灾害应急处理的首要和基本环节，即在尽可能短的时间内为科学确定减灾计划提供尽可能准确、完整、详细的相关信息[6]。然而，我国众多地区地形地貌复杂，很难在短时间内将灾害信息全面反馈，为救灾指挥部提供决策支持[7，8]。为克服这一问题，卫星遥感技术迅速发展起来，国内卫星技术和激光雷达技术日益广泛用于重大地质灾害的应急调查和监测[9]。但卫星遥感存在重访周期长、云层遮挡严重等困难缺点，严重阻碍了应急工作的有效开展[10]。当前，无人机以其操作简单、响应迅速、高分辨率和机动灵活等特点，已广泛应用于土地测绘[22]、地质调查[23]、灾害监测[24]、气象探测[25]、电力监测[26]、农业植保[27]等领域，其中，在地质灾害调查与监测领域日益受到关注[11]。

小型无人机的应用最早开始于20世纪80年代，随着通信技术和计算机技术的发展，各种新型传感器的出现，其性能不断的提高，通过搭载不同遥感传感器、GPS差分定位系统、通信设备，可以快速、精准获取各种环境遥感信息[12]。小型无人机在地质灾害调查中主要应用于滑坡早期识别、灾害调查、变形监测等方面，已经成为卫星遥感不可缺少的补充手段[13]。以无人机为平台，倾斜摄影建模技术通过传感器等设备进行信息的收集与储存及传输等，从多个角度进行航拍，并记录下图像的高度、方向、坐标等信息，得到正射影像和倾斜影像，进而在建模软件中对照片进行归并处理，建立三维模型[14-16]。

无人机应用于不同类型矿山地质灾害调查或监测时，不同建模方法导致监测结果存在不同程度的计算精度问题，严重时会导致错误的评价。基于此，本文以危险矿体崩塌这一常见的地质灾害为例，通过对目前应用较多的Pix4D、Smart3D、PhotoScan建模软件对危险矿体调查情况进行对比评价，重点总结小型无人机倾斜摄影在该领域的主要应用方法和存在问题，从而为地质灾害的有效调查和防治提供理论和技术支持。

1 无人机倾斜摄影技术在危险矿体调查中的应用

1.1 危险矿体宏观分析

目前国内消费级无人机的限高高度为500m，基本满足无人机对危险矿体的航空拍摄需求。在该高度下，无人机基本可拍摄到危险矿体清晰的全貌图像。而传统的现场人工测量在此方面耗费时间长，工作量大，工作风险性高。即便是使用广泛使用的卫星遥感技术，其获取的图像存在较大的滞后性，不能及时的服务于现场。例如在范宣梅等人对于贵州纳雍“8·28”崩塌灾害的研究中，谷歌地球卫星影像对于贵州纳雍地区的最新影像为2014年，而通过无人机获取的危险矿体正射影像清晰度甚至比卫星遥感影像更为及时准确。借助这些成果可以快速地对区域的整体地形地貌、危险矿体分布特征、危险矿体与危害对象的空间位置关系等形成宏观分析，对危险矿体的性状和形成机理也可以建立初步的认识。

图1 “纳雍‘8·28”崩塌’谷歌地图卫星影像与无人机正射影像对比”

1.2 危险矿体体节理裂隙识别和测量

在矿体稳定性评价中，如何有效获取矿体结构面信息是评价的基础和关键。结构面信息包含产状、间接及裂隙等参数。目前，矿体结构面野外勘察主要方法仍是使用地质罗盘和皮尺进行接触式的测窗量测。这种传统的方法准确性高、可靠性强，但也存在一定的缺陷，主要表现在：测量工作量大、人为因素干扰强、费时费力、甚至还有一定的危险性。例如：在高陡边坡勘察中，很多构造点是勘察人员无法到达进行接触测量的；在开挖边坡现场，高危边坡下量测的勘察人员具有潜在的伤害威胁。

目前可通过无人机航拍技术，对于获取影像进行识别与解译，建立目标体的三维模型，进而提取目标体的三维坐标及结构面几何信息，实现无人机影像数据的获取→处理→应用的完整作业流程。由于无人机拍摄的影像上每一个像素点都有其经纬度信息。所以可通过软件浏览危险矿体三维模型并直接读取岩体结构面的经纬度和高程信息。

根据不在同一直线上的三点确定一个平面的原理，则地质体结构面的平面方程式为：

（1）A=0时，则

（2）当A≠0时，则

其中

通过该方法结合少量的地面补充调查，可得到危险矿体的结构面产状信息，采用赤平投影法即可对危险矿体进行稳定性评价。

1.3 危险矿体体积计算

在传统的高位危险矿体积测量中，通过测量矿体的长度、宽度和高度来计算体积。由于测量方法的限制，结构面的组合关系往往被忽略。崩塌体的规模由主要控制结构面的空间组合、间距和延伸特征决定。传统勘探方法难以准确获取高位危险矿体结构面的姿态信息，无法准确计算崩塌体体积。无人机摄影测量技术能够准确获取危险矿体的空间结构特征并计算危险矿体体积。

针对危险矿体体积计算有规则体计算方法和不规则体计算方法。

危险矿体结构面联合体积测量理论有以下基本假设：①结构面是贯穿矿体的平面，通过实际模型测量可以得到结构面的产状；②切割形成的块体为刚体，不考虑块体本身的损坏；③矿体失稳是在荷载作用下沿结构面发生剪切滑移。对于受结构面控制的危险矿体，应根据结构面组合关系确定其体积。

在实际应用中，对软件拟合的结构面进行分组，找出危险矿体的主要控制结构面。通过扩展结构面，可以通过空间组合关系得到危险岩体的体积。一般情况下，利用ploywork点云处理软件对三组结构面进行扩展，并将结构面组合成危险矿体。王栋通过危险矿体结构面联合体积测量理论对成昆铁路吉尔木隧道所处的高山峡谷上方规则危险矿体体进行了测算（图2）。

图2 采用联合结构面进行测算的危险矿体与切割体结构面组合示意图（JA、JB、JD结构面控制危险矿体）

危险矿体结构面联合体积测量理论主要应用于规则的矿体，而对于不规则的矿体，由于其形状不受到结构面的控制，如果依旧使用规则体的计算方法，产生的误差较大。而Smart3D可在三维建模后，在模型体中假定一个破裂面，软件会自动对平面进行拟合，并对危险矿体进行切割，提取出危险矿体体积。如图3对不规则的危险矿体进行了体积测算。

图3 Smart软件中对于危险矿体假定平面的划定及自动计算

2 无人机建模软件与方法

无人机倾斜摄影测量获得的三维模型，可全方位无死角的快速再现地质灾害体及其周围的真实场景，清晰显示地质灾害体的类型、规模、区域范围和地形，直观、准确地识别地质灾害体的形态特征。

通过三维模型可读取任意点的高程值和任意两点之间的高差、坡度、坡向等信息，为研究大规模地质灾害提供了三维参数。结合地面调查和监测数据，可以快速解释和评价地质灾害体的特征和影响，为现场应急调查和分析提供理论依据和数据支持。

目前市场上应用比较广的倾斜摄影建模软件有：美国 的Pictometry， 法 国 的Smart3D（ContextCapture）、StreetFactory，瑞士的Pix4DMapper，以色列的VisionMap等。国内用的最多的是Pix4D、Smart3D和Photoscarn。主流的建模软件为Pix4D和Smart3D，目前的建模精度已经符合《三维地理信息模型数据产品规范》Ⅰ级标准，可以应用到大部分实际生产项目中。

结合表1可发现，目前无人机倾斜摄影建模应用主要是基于建立真实纹理三维模型，由于倾斜摄影测量建模方法的特殊性，即数据一体性，生成的三维网格数据为一个完全整体。综合对比评价Pix4D的操作更为简便快捷，而Smart3D的处理稳定性更好更适合大型项目，二者在不同的项目需求中各自有优势。

表1 国内常用倾斜摄影建模软件对比

3 无人机倾斜摄影测量应用现状与存在问题

危险矿体是潜在的崩塌体。其主要特点是：①所处的位置通常是高差大或坡体是孤立陡峭的山嘴，坡体前有巨大临空面的凹形陡坡；②危险矿体内裂隙发育，岩体结构不完整，有大量与斜坡倾向一致或平行延伸的裂隙或软弱带；③危险矿体上二部已有拉张裂隙出现，并不断扩展。崩塌灾害主要发生在云南、贵州、四川、广西、湖南、湖北、江西等省份。

针对危险矿体的主要特点，无人机倾斜摄影测量获取的高分辨率影像资料和真实的三维模型可实现对危险矿体形状分布特征和微区地形特征的准确描述，准确提取地质灾害属性信息。例如通过无人机航拍倾斜摄影提取的山体点云数据，对矿体的裂隙、结构面等几何特征进行快速识别，分析潜在崩塌灾害。

此类应用主要推广应用于例如高原复杂山区对于危险矿体的识别、高陡边坡体上危险矿体的识别等相较传统勘察手段低效难度大的项目地区，可以大大降低勘查人员的工作危险。

此外，多次连续飞行获得的图像和三维模型还可以监测灾害体并掌握其随时间变化的特征，测算危险矿体倾向倾角陡倾变化，实现对于危险矿体的监测。

我国崩塌地质灾害大部分分布于西南山区，山区特点主要是地形地貌起伏较大，植被覆盖度高。无人机在获取影像时，大部分镜头受光源条件影响较大，存在弱光条件下曝光不足或山体阴影遮挡目标等问题，这是无法通过人工补光解决。

另外，植被覆盖度较大的山区，纹理比较单一，而山区有较多危险矿体被草木覆盖，其识别效果较差。部分山体起伏较大，无人机影像较容易出现几何畸变，在提取特征点时会存在着较多的粗差点，影响影像的匹配。

4 结论与展望

我国关于无人机倾斜摄影建模技术在于危险矿体的勘察评价应用中已经逐步推广，目前无人机倾斜摄影三维建模的应用停留于几何应用方面。这是由于无人机倾斜摄影测量建模的数据一体性所决定的，即在建模的过程中不能一并将地质体信息录入并在模型中进行演算。导致利用无人机倾斜摄影建模技术进行危险矿体调查评价工作强烈依赖于地面调查和人工测量基础。

由于危险矿体本身具备的隐蔽性，加上无人机倾斜摄影技术本身受到光源条件、气象条件的影响，即在两者条件恶劣的情况下所拍摄航片会影响建模精度，因此，在某些程度上无人机倾斜摄影无法完全替代人工勘察。今后的研究中，应着重发展无人机建模与数值分析模拟的融合技术，进一步提高无人机技术的稳定性，解决其获取影像时光源问题，例如，建模时减少影像的畸变等。从而为小型无人机倾斜摄影技术在危险矿体的精准识别和科学建模提供便利，拓展其在危险矿体防治工作的应用前景。