基于無人機進行地質點信息提取方法研究
——以官地電站大橋溝右岸滑坡堆積體為例

姚林林，張世殊，趙 明，周 鵬

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

基于無人機進行地質點信息提取方法研究
——以官地電站大橋溝右岸滑坡堆積體為例

姚林林，張世殊，趙 明，周 鵬

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

野外地質調查工作往往會受到山高路險、交通不便、通視條件差等客觀現實條件的制約，許多高陡部位的重要地質現象依靠人力無法進行抵近調查，即便能夠開展調查的區域也難度巨大或存在安全隱患。本文研究了利用無人機航拍數據進行后期處理生成彩色三維點云數據和三維真彩色模型，借助其地形高程等空間位置信息及地表的色彩和地貌、地物信息，將三維點云數據和三維真彩色模型作為工作平臺,對關鍵部位和人力野外難于到達的高陡部位開展室內地質點信息獲取的工作方法和實施流程。這對無法展開現場地質工作或開展地質工作難度巨大的地區如何有效獲取地質資料具有十分重要的意義。

無人機；地質點；坐標信息；地質信息提取

0 前 言

野外地質調查工作往往會受到山高路險、交通不便、通視條件差等客觀現實條件的制約，許多高陡部位的重要地質現象依靠人力無法進行抵近調查，即便能夠開展調查的區域也難度巨大或存在安全隱患。

近年來，隨著無人機技術的迅猛發展，無人機逐漸小型化、一體化，而且具備“快速機動、攜帶方便、操作簡單、成本低、危險性小、能獲取高分辨率影像數據”等優點，利用無人機對人力無法到達部位開展地質調查工作成為可能。無人機航拍數據經后期處理可以生成彩色三維點云數據和三維真彩色模型，其信息量豐富，不僅包含著地形高程等空間位置信息，還有地表的色彩和地貌、地物信息。因此，可利用三維點云數據和三維真彩色模型作為工作平臺，對關鍵部位和人力野外難于到達的高陡部位進行室內地質點信息獲取。

盡管該方法無法達到野外實際調查的準確度和可靠度，但可以彌補人力無法到達部位、無地質點信息的缺陷。同時，也對人力可及的關鍵部位進行地質點信息的提取，作為地質點的初步成果，在野外調查中進行驗證和修改，從而指導野外工作，提高工作效率。這對無法展開現場地質工作或開展地質工作難度巨大的地區如何有效獲取地質資料具有十分重要的意義。

1 地質點信息提取主要對象

1.1 地質點信息組成

獲取相關地質點信息是野外地質調查的基礎，是野外工程地質測繪工作的重要環節。在傳統的地質工作中需要對地質點的位置信息、地質信息進行調查、記錄，并繪制或附上平面和剖面地質素描圖或照片。地質點的信息一般應包括：地質點位置、定點目的、定點層位、巖性特征、構造發育情況、地貌與物理地質現象及水文地質等。

1.2 基于無人機可實現的地質點信息

由于無人機攜帶自身GPS定位系統和高分辨率相機，因此可以獲得包含位置信息的影像照片。借助后處理軟件(Agisoft photoscan或4D Mapper)生成的三維空間模型和三維點云數據不僅包含空間位置信息，還包含豐富的色彩信息，使得其更為逼真。同時，也可以多視角觀察，真正實現了空間場景的重現，讓地質人員如身臨其境，和野外現場看到的信息基本接近。因此，可以利用其位置信息和色彩信息獲取地質點位置坐標和地質信息兩方面內容,并可以截取不同視角三維模型代替平面照片和剖面照片。

其中，地質信息可以利用真彩色模型并結合區域地質資料對地質點位置、定點目的、定點層位、巖性特征、節理裂隙構造特征、地貌與物理地質現象及水文地質等進行宏觀判斷。但對于基巖的巖性、覆蓋層物質組成特征、節理裂隙產狀等需要實地調查和量測的地質信息無法做出準確判斷。

1.3 基于無人機地質點信息提取對象

結合傳統野外地質調查工作中地質點信息應包含內容和利用無人機可實現的地質點信息，基于無人機地質點信息的主要提取內容可以包含以下方面：

(1)利用三維模型的整體空間位置信息判斷地質點所在位置(如溝口、河流左岸坡腳、滑坡頂部等)，并結合三維模型坐標信息提取地質點坐標信息。

(2)利用三維模型的地形地貌特征判斷地質點的地貌和物理地質現象信息。

(3)利用三維模型的場景高還原度和色彩信息判斷地質點所處位置是基巖還是覆蓋層并利用區域地質信息判斷其地層信息。從而初步獲取地質點的定點目的、定點層位和巖性特征等。

(4)利用三維模型和色彩信息判斷地質點所在部位的地下水出露特征。

(5)利用三維模型判斷地質點附近基巖節理裂隙的發育程度和組數，并利用其空間位置關系初估裂隙產狀。

(6)截取不同視角三維模型代替平面照片和剖面照片。

2 基于無人機地質點信息提取方法

2.1 利用無人機航測成果生成三維彩色模型

利用無人機按照規劃航線，獲取航向、帶間重疊率滿足要求、分辨率滿足要求且包含有GPS定位信息的航片，結合地面控制點，通過后期處理軟件(Agisoft photoscan或4D Mapper)，經過控制點刺點、坐標轉換等工序生成三維真彩色模型。從而實現工程區場景重現并作為地質點信息提取平臺。

圖1是利用Agisoft photoscan軟件對官地電站大橋溝無人機航拍成果后處理生成的三維彩色模型局部截圖。

圖1 官地電站大橋溝三維模型截圖

2.2 將目標地質點設置為標志點

地質人員可以將三維真彩色模型作為工作平臺，在關鍵部位和人力難以到達的部位等感興趣的目標地質點設置為標志點。并通過模型旋轉、局部放大等方式對地質點位置進行校核，確保處在合適的、準確的位置。

以官地大橋溝右岸滑坡堆積體為例，可將滑坡邊界等關鍵部位作為初步擬定的地質點，在三維真彩色空間模型上進行標記并編號(見圖2)，然后模型旋轉從不同視角進行校核(見圖3)和局部放大進行校核(見圖4)地質點位置是否準確，對位置不合適的地質點標記進行調整，如將圖4中DZ01-1調整至DZ01的位置。將選定的標識點作為室內初步擬定地質點。

圖2 在三維彩色空間模型上標識地質點(小旗子所示)

圖3 利用不同視角校核地質點標識位置

圖4 局部放大校核并調整地質標識點位置

2.3 地質點位置坐標信息獲取

地質點的位置坐標是地質點信息的重要組成部分，無坐標的地質點是地質人員無法使用的。由于三維空間模型是由本身已經包含空間位置信息的航測照片形成的，因此，三維空間模型包含了相應的定位信息。在三維模型上進行標識的地質點可以利用后期處理軟件進行自動提取。本文是基于Photoscan軟件作為后期操作平臺。

以官地大橋溝右岸滑坡堆積體為例，首先，打開參考工作平臺，即可顯示標記點列表，然后了解各圖片相對精度后利用視圖估計功能獲取各地質點的坐標值(經緯度)并進行查看(見圖5)，最后將坐標信息導出保存至相應文件(TXT格式)，為了便于分析可轉換為EXCEL格式，成果見表1。

圖5 參考工作臺下地質標識點坐標獲取

地質點編號東 經/(°)北 緯/(°)高 程/mDZ01101．90829827．8154571401．26333DZ02101．90806227．8153761397．095586DZ03101．90794227．8152851388．077171

2.4 地質點地質信息獲取

地質點的地質信息是地質點信息的核心部分，借助三維模型的宏觀性、逼真性、高度場景還原性、色彩信息真實性等，可以獲取地質點所處位置、地貌特征、基巖節理裂隙的發育情況、地下水出露特征和物理地質現象信息等。同時，可以判斷地質點所處位置是基巖還是覆蓋層并利用區域地質信息判斷其地層信息，從而初步獲取地質點的定點目的、定點層位和巖性特征等。

以官地電站大橋溝DZ01點(圖2～4中紅色圓圈內地質點)為例，利用三維模型可以獲取相應的信息如下：

(1)位置：DZ01點位于溝右側滑坡堆積體頂部。

(2)地貌：DZ01點位于滑坡后緣，上部為基巖陡坎，下部為滑坡堆積體。

(3)地層巖性：DZ01點位于基覆界線上，上部為基巖，巖性需根據地質資料綜合判斷，下部為崩坡積覆蓋層，物質組分需現場判斷。

(4)構造特征：上部巖體節理裂隙發育。

(5)水文地質特征：地下水不發育，地表干燥。

(6)物理地質現象：該處為一滑坡。

2.5 地質點信息成果形式

為了形成正式的地質成果，便于規范管理和方便地質人員分析，常規的方式是形成地質點記錄卡。

在基于上述地質點地質信息初步獲取的基礎上結合地質點位置坐標，并截取不同視角三維模型代替平面照片和剖面照片。利用記錄卡的格式進行整理分析，作為航測后地質室內分析的地質點初步成果提交相應地質人員。

在獲取地質信息的基礎上，也可以初步判斷相應地質點野外復核的可行性、難度、人員安全性，以及根據初步室內獲取地質信息內容的缺陷和可靠度提出相應的復核重點，作為成果一部分，以便更好地指導野外調查復核工作。以官地大橋溝DZ01點為例，室內地質點初步分析成果格式見圖6。

圖6 航測地質點室內初步分析卡格式

3 結 論

通過以上研究分析可以得到以下結論:

(1)利用無人機和后處理軟件生成的三維真彩色模型，場景還原度高，可以作為地質點信息提取的工作平臺。

(2)利用無人機可以實現地質點坐標信息的準確提取和部分地質信息的初步提取。

(3)利用無人機可以了解地質點所在位置人工野外復核的工作條件、危險程度和可行性，同時，也可以根據已獲取地質信息的完整性和真實性把握野外人工復核工作的重點。

(4)盡管利用該方法無法達到野外實際調查的準確度和可靠度，但可以彌補人力無法到達部位無地質點信息的缺陷。基于無人機獲取的地質點信息作為地質點的初步成果，在野外調查中進行驗證和修改，從而指導野外工作，提高工作效率。

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2017-01-15

姚林林(1979-)，男，碩士，高級工程師，從事水電工程地質勘查設計和無人機影像數據處理及應用方面的研究工作。

TP79;P231.5

B

1003-9805(2017)02-0049-04