多种测绘方法在张家界天门洞崩塌地质灾害中的应用研究

李力宏 欧阳红军

摘  要：以张家界市天门洞国家5A级景点的崩塌地质灾害为研究案例，利用不同测量技术快速获取研究区多角度影像数据，通过Context Capture软件构建不同格式实景三维模型，同时运用CloudCompare、Trimble realworks viewer等软件，对灾区地质灾害隐患风险进行识别分析和信息提取，进而完成研究区地质灾害调查与评估和地质灾害勘查任务。多种测绘方法的应用研究为解决高位和特高危岩体的分析识别工作提供了一种新思路。

关键词：崩塌地质灾害 危岩勘查 架站式三维激光扫描仪 贴近摄影测量 实景三维模型 实景点云模型

中图分类号：P694

Research on the Application of Various Surveying and Mapping Methods in the Geological Hazard of Tianmen Cave Collapse in Zhangjiajie

LI Lihong  OUYANG Hongjun*

Hunan Provincial Geological Disaster Survey and Monitoring Institute，Changsha，Hunan Province，410004 China

Abstract：This article takes the geological disaster of the collapse of the Tianmen Cave， a National 5A scenic spot， in Zhangjiajie City as a research case， uses different measurement techniques to quickly obtain the multi-angle image data of the research area， and constructs the real 3D models of different formats by Context Capture software. At the same time， it uses software such as CloudCompare and Trimble realworks viewer to identify and analyze the hidden risks of geological disasters in the disaster area and extract information， so as to complete the tasks of geological hazard investigation and assessment， as well as geological hazard exploration in the research area. The application research of various surveying and mapping methods provides a new idea for solving the analysis and identification of high-level and extra-high dangerous rock masses.

Key Words：Geological hazards of collapse；Dangerous rock exploration；Stand-up 3D laser scanner； Proximity photogrammetry；Real 3D model；Real point cloud model

崩塌是陡坡上岩土体在重力作用下脱离母体发生崩落、滚动、堆积在坡脚或沟谷的一种地质现象。具有发生时间不确定、崩落速度极快、主要沿垂直方向坠落等特点，可在短时间内造成大伤害[1]。崩塌地质灾害勘查工作的核心任务是获取危岩体的特征参数、评价危岩体的稳定性、预测危岩体的发展趋势，提出可行的防治建议[2]。对于低位危岩勘查，尚可以利用地面调查、地球物理勘探、钻探、山地工程和取样试验等勘查手段。高位崩塌因具有发育位置高、斜坡坡度陡、距离地面高差大等特点，靠人工进行地面调查难度大，且容易存在调查盲区，以往常规勘查方法难以达到理想的勘查效果。

1 概况

天门洞景点是国家5A级旅游景区-张家界市天门山景区标志性地质遗迹景观。2022年8月20日凌晨发生了约600 m?的特高位（相对高度大于100 m）崩塌，崩塌岩体为洞顶附近断层充填方解石脉。为查明天门洞洞内及洞口附近危岩体的分布，分析其稳定性，本次除了采用地面调查进行验证外，首先搜集并采用地面全站仪（莱卡T02）和RTK进行了1∶1 000、1∶500和1∶200地形测量，采用无棱镜测绘技术对洞壁台阶与洞顶进行了裂缝和危岩体测绘；采用专业摄影师长焦高清摄影，利用大疆精灵 4 RTK无人机搭载睿铂DG 3倾斜摄影测量影像资料第一次建立三维实景模型，为天门洞崩塌地质灾害危险性评估工作提供了依据；在应急勘查阶段，利用不同测量技术快速获取研究区多角度影像数据，通过Context Capture软件构建不同格式实景三维模型结合，同时运用CloudCompare、Trimble realworks viewer等软件构建三维点云模型，精确化了地质灾害评估阶段发现的6处危岩体，新增两处危岩体。在室内模型分析过程中，地面调查、长焦超清摄影、三维激光扫描、正射和倾斜摄影测量无法克服洞内台阶和溶洞内部盲区（黑洞、空洞）的等现象；在详细勘查阶段，为解决前期问题，采用M300RTK搭载赛尔五镜头倾斜相机、M300RTK搭载大疆禅思P1相机、大疆御3无人航摄系统结合华星A10RTK布置像控点，进行了贴近飞行摄影测量，建立了高精度的三维实景模型、三维点云模型。

2 可采用的测绘方法

2.1常规地形测绘

常规的地形测绘方法通常采用全站仪配合测图软件进行，按照布设控制网→布设图根控制点→控制点上安置仪器测绘的程序进行地形图测绘。全站仪要求测站与碎部点间通视，受视距限制，工作效率不高。GPS-RTK技术开发后，以其定位技术具有精度高、速度快、施测灵活、点间不必通视等优点受到了快速推广和运用[3]。

本次采用徕卡TS02系列结合华星A10RTK，测绘并编制了比例尺为1∶1 000和1∶500工作区平面图，洞内及洞口采用比例尺为1∶200无棱镜测绘技术对洞壁与洞顶进行了裂缝和危岩体测绘。

2.2常规无人机航摄测量

随着无人机技术的成熟，无人机搭载摄像头的无人机摄影测量技术被广泛应用到工程测绘中。其技术应用优势日显突出，测绘工作效率与精度得到显著提升[4]。专业摄影测量无人机主要有固定翼无人机和大型多旋翼无人机；单体地质灾害或小区域地形测量常常采用小型四旋翼无人机。随着无人机倾斜摄影测量技术的不断成熟，结合地面摄影补充，经过纹理完善和修复，实景三维模型更加精细。

本研究先后采用大疆精灵4RTK无人机搭载睿铂DG3和千寻X1无人机搭载SONYILCE-6000倾斜相机镜头，通过倾斜摄影技术快速获取地物影像数据，进行室内构建实景三维模型及量测分析，实现较高精度的实景三维信息获取，通过实景三维影像信息较精确识别、提取地质灾害隐患信息，为地质灾害隐患识别与分析提供支持。无人机航摄测量建模时，因拍摄的照片重叠度、像控点的准确度不够，在数据采集与数据处理过程中，存在信息缺失的问题，模型易出现扭曲变形、纹理不清晰等现象[5-6]。本研究采用了多次建模和手动处理，建立了精度达到部件级三维实景模型。并对崩塌前的三维实景模型和崩塌后建立的三维实景模型进行了对比（如图1所示）分析。通过对比可以发现：崩塌前的三维实景模型，洞内采用了较高精度的贴近摄影测量，三维模型进行了纹理修复，达到部件级；崩塌后建立的三维实景模型，精度稍差，未进行纹理修复，达到城市级；利用贴近摄影测量建立的三维实景模型经过匀光匀色和纹理修复处理，具有最高的精度和清晰度（精细级）。

2.3架站式三维激光扫描

架站式三维激光扫描是目前较尖端的测绘仪器。这些更加先进的仪器和技术手段的应用，解决了测量山区复杂地形中精度无法保证、效率难以提高的问题，因其每个测站可采集体量庞大的矢量数据，有效测距可大于600 m，目前架站式三维激光扫描仪得到了普遍应用。三维激光扫描测量技术正在蓬勃发展，这些手段的应用，为测量人员的人身安全提供了有力保障[7]。

在应急勘查阶段，我们结合飞马D2000-OP3000和千寻X1无人机倾斜摄影，天宝SX10、X7等架站式三维激光扫描仪扫描，飞马SLAM100手持式扫描，飞马D20-LIDAR22和飞马D2000-LIDAR2000无人机载激光系统飞行扫描等手段，构建了实景三维模型和三维点云模型。在此基础上，对实景三维模型和三维点云模型进行了分析，结合地面调查、地面全站仪测量，精确化了地质灾害评估阶段发现的6处危岩体，并结合模型新增2处危岩体。虽然通过架站式三维激光扫描仪等手段建立了三维点云模型（点云数据充分，精度可达毫米级），但洞高超过百米，洞壁直立、台阶多级，仍无法克服洞内台阶和溶洞内部盲区（黑洞、空洞）的等现象（如图2所示）。

2.4贴近摄影测量

高位崩塌具有地面高差大、突发性强等特点，难以对其做出准确的预警预报，因此开展高位崩塌早期识别对防灾减灾意义重大。依靠人工对高位崩塌进行实地调查难度大、效率低，容易存在调查盲区，现有调查技术手段难以有效获取岩体结构面产状、节理组合特征和裂隙几何特征等关键参数[8]。贴近摄影测量是将贴近摄影测量高分辨率和“多角度”探测技术优势应用于高位崩塌早期识别，基于贴近摄影测量技术能够识别岩体亚厘米级裂缝，尤其适用于高位和特高位崩塌调查和早期识别工作[8]。张家界地貌（武陵源等景区）中的砂岩地貌，各石柱、石墙、方山等相对高差300 m以上的比比皆是，张家界天门山、七星山等景区的悬崖峭壁高差200～500 m的景观随处可见。应用贴近摄影测量技术，实现对岩壁、洞顶等岩体对象表面超高清分辨率影像的高效快速采集，并进行摄影测量处理，恢复被摄对象的精确坐标，正是山区地质调查所需要的测绘手段。在无人机航摄时，洞内信号的缺失、航线受阻等困难区域，采取手控补拍，获取覆盖拍摄对象的亚厘米级甚至毫米级超高分辨率影像，通过摄影测量处理，实现目标的精细化三维重建[9]。

在工程详细勘查阶段，为解决前期遗留问题，采用M300RTK+赛尔五镜头倾斜相机、M300RTK+大疆禅思P1相机、大疆御3无人航摄系统结合华星A10RTK布置像控点，进行了贴近飞行摄影测量（如图3所示）。此阶段，在水平距离不到100 m的天门洞内和洞口完成了超过5万张高清照片，建立了高精度的三维实景模型、三维点云模型。

3 几种数据采集方法对比

3.1长焦高清摄影

优点是能够从视觉上认清崩塌部位遗留痕迹，能给地质灾害调查评估做参考，缺点是需要现场控制（像控点）。通常不能用来建立精确度高的三维模型，数据提取不便。国内采用的影像窗口调查方法[10]需要按现场控制－数字摄影－坐标解译－产状计算这一思路进行分析，对高位和超高位危岩，无法标示像控点，故而定量分析困难。

3.2架站式三维激光扫描

优点是能快速建立大量点云数据，从而构建精细三维实景模型（毫米级）。通过模型能够定量分析，结合CloudCompare、Trimble realworks viewer、ContextCapture Viewer、大势智慧等软件，都能获取工程地质参数（长度、面积、体积、节理产状等），给危岩体识别和分析工作提供便利。缺点是架站式三维激光扫描因架站位置受限，对高位特别是特高位危岩体内部的节理、空洞、裂缝等查询存在盲区。

3.3贴近飞行摄影

贴近飞行摄影能获得比长焦镜头拍摄的相片更高分辨率的相片，解决架站式三维激光扫描难以克服的盲区和空洞现象，查清高位和特高位危岩体的裂缝等细节，建立的三维实景模型和三维点云模型细节真实、分辨率高，结合CloudCompare、Trimble realworks viewer、ContextCapture Viewer、大势智慧等软件，都能获取更加精确的工程地质参数（长度、面积、体积、节理产状等），通过模型分析的数据后期提供给崩塌分析软件进行稳定性、运动规律分析，给地质灾害勘查工作提供最大便利。

上述三种三维点云模型在同一部位的影像的截图进行对比（如图4所示），在清晰度上，贴近摄影测量三维点云模型＞长焦高清摄影＞三维激光扫描模型。

4 成果应用分析对比

4.1 地形图

无棱镜测绘数据可以转化为DXF格式导入到三维点云模型（las格式）中使用。在三维点云模型建立以后，用处不大。

三维实景模型，主要使用obj和osgb格式，Dasviewer浏览软件支持文件夹格式导入，用于浏览，可以用于地质灾害应急室内分析指挥、调度，确定应急路线，量测距离、周长、面积，体积等。

4.2 三维点云模型

las格式为通用格式，浏览软件推荐用Trimble realworks viewer。该软件功能相对较强大，除可量测距离、周长、面积，体积外，能够以剪切盒的模式浏览隐蔽部位，对坠落时崩塌危岩体可直接确定垂直坠落位置和路径（如图5所示）；利用CloudCompare软件和compass插件可分析识别和圈定危岩、描绘和量测裂缝、量测结构面尺寸、产状（如图5所示），能自动生成节理极射赤平投影图；可以导入DXF格式的文件，在空间上进行定位。通过三维点云模型，在CloudCompare软件中进行格式转换，极大方便了岩土工程师的工作。

三维实景模型的建立和点云数据的处理，国内外有相关方面的研究和应用，如借助大疆智图、Agisoft Photoscan 等三维实景建模软件和 Geomagic Studio、ContextCapture Center Master、CloudCompare强大的点云数据处理功能]；利用重建大师软件融合倾斜影像和贴近摄影立面影像二次或多次建模，生成精细化的三维模型成果等[11-12]。将成果转化为FLAC3D可识别的文件格式进行计算分析，为后续工作提供数据支撑。

5 结语

基于多种测绘手段特别是后期利用贴近摄影测量技术对张家界天门洞高位和特高位崩塌开展识别工作，取得了较好的应用效果，可以得到以下几点认识。

（1）常规测量手段在高位和特高位危岩体的运用受限，对洞室的测绘更是难以奏效；而贴近摄影测量技术是针对精细化测量需求提出的一种全新技术，因其高分辨率和多角度观测技术优势，可近距离探测观测对象，识别岩体亚厘米级和毫米级各类结构面细节，可满足高位危岩体和洞顶与洞壁的细节分析的工作需要。

（2）利用不同测量技术快速获取研究区多角度影像数据，通过 Context Capture 软件构建不同格式实景三维模型，基于实景三维模型对研究区已发生的地质灾害或者将要发生地质灾害的隐患风险情况进行识别分析、灾害信息提取，运用CloudCompare、Trimble realworks viewer等软件辅助地质工作者完成高位危岩体的勘查，结果表明是可行的。

（3）利用三维点云模型，运用适当软件定量获取岩体结构面产状更简便和快捷，更为方便的是选用适当的软件（如CloudCompare的Compass插件）进行智能识别和自动标注。利用软件还可进行自动统计和编制赤平投影图、节理玫瑰图。

（4）通过多种测绘方法的使用，结合各类测绘软件、三维点云和三维岩土软件的运用，可定量分析边坡稳定性，是未来的发展趋势，为解决高位危岩体的勘查提供了一项新思路。

参考文献

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