基于小型無人機的三峽庫區地質災害全景與三維展示平臺研究

王悅，賈雨欣，徐子一，付超，張端淼，鄧永煌，黃海峰

（1.三峽大學，湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站，宜昌443002；2.宜昌市地質環境監測站，宜昌443002）

0 引言

習近平總書記指出：“長江擁有獨特的生態系統，是我國重要的生態寶庫。當前和今后相當長一個時期，要把修復長江生態環境擺在壓倒性位置，共抓大保護，不搞大開發。”[1]這深刻揭示了建設長江生態文明的重要性和必要性。而地質災害防治是生態文明建設中的重要組成部分。針對地質災害防治，“兩個堅持、三個轉變”[2]中指出要“堅持預防為主，努力把自然災害風險和損失降至最低”，并提出“實施自然災害監測預警信息化工程，提高多災種和災害鏈綜合監測、風險早期識別和預報預警能力”等若干重點工程建設。

三峽庫區地質環境脆弱，歷來就是我國地質災害多發區[3]，如1985 年6 月12 日發生的秭歸新灘滑坡，就直接摧毀了整個新灘古鎮[4]。隨著三峽工程的建設與運營，庫區高水位蓄水以及每年大幅度水位升降，疊加汛期降雨以及密集的人類工程活動，使三峽庫區的地質災害更呈高發態勢[5-6]，如2003 年7 月就發生了秭歸千將坪滑坡，共造成14 人死亡、10 人失蹤以及重大經濟損失[7]。國家歷來重視三峽庫區的地質災害防治工作，從三峽蓄水之初就開始實施庫區地質災害監測預警工程，這對保障三峽工程以及庫區人民生命財產安全發揮了極其重要的作用。如今，三峽庫區地質災害防治已進入后續規劃階段，雖然成績斐然，但庫區的地質災害形勢仍十分復雜、嚴峻，為此，持續探索地質災害監測預警信息化方法，加強地質災害風險管理能力與水平，對于三峽庫區仍然非常重要。

近年來，隨著無人機遙感技術的迅猛發展，其開始被應用到地質災害行業[8]。例如，采用無人機遙感開展地質災害調查，能夠快速獲得較大區域范圍內的高分辨率地形與影像等成果，不僅能提高現場工作效率，而且可以獲得形象直觀、可視化效果極佳的豐富信息[9]。這其中，隨著小型無人機的快速發展以及人們對大視域全景圖像需求的迅速增加，虛擬全景與三維實景模型制作技術都得到了快速提高，其成果也深受專業人員與普通大眾喜愛。目前，相關技術已在諸多領域如航空航天、醫學、旅游、房地產、地質勘探等得到了廣泛應用[10]。

為進一步加強三峽庫首區域地質災害監測預警信息化水平，提高綜合監測和預報預警能力。本文采用小型無人機、720 度虛擬全景、三維實景建模等技術，針對三峽庫首區域的地質災害專業監測預警點實現了虛擬全景與三維實景模型展示平臺，以下具體闡述。

1 平臺方案設計

1.1 建設目標與功能需求

隨著移動互聯網、云計算等的快速發展，考慮到地質災害的突發性以及應急處置“快”且“高效”的實際需求[11-12]，將平臺的建設目標設定為：針對三峽庫區庫首區域后續規劃階段實施的50 處地質災害專業監測預警點，利用小型無人機[13]采集高清全（實）景影像，建設三峽庫首區域后規地質災害點虛擬全景與三維實景模型展示平臺，滿足隨時、隨地、跨平臺、快速演示與查看的應用需求。進一步地，為滿足該建設目標，技術功能需求分為：

（1）采用現階段相對成熟的網絡云端應用技術，將所有數據信息集中存放在云端環境，不需在本地安裝、部署任何數據庫與應用程序，易于管理且安全性高；

（2）網絡展示平臺兼顧地質災害點的宏觀位置分布與細節，布局邏輯清晰，操作簡單；

（3）支持臺式機、筆記本、平板、手機等多終端，無需安裝任何應用程序或插件；

（4）打開平臺只需連接互聯網，且虛擬全景與三維實景模型顯示速度快、效果清晰；

（5）平臺數據維護和遷移便利。

1.2 主要技術平臺

近年來，基于虛擬全景以及三維實景的云端平臺逐漸涌現，其中最具代表性的包括：

（1）720yun[14]。國內最具代表性的虛擬全景平臺，基于其可以快速制作和發布720 度虛擬全景，操作簡單、質量好、清晰度高、標注鏈接信息豐富[15]。但720 度全景只是照片拼接，不具備三維特征，因此無法顯示和查看地質災害體及其周邊的真實地形地貌情況。

（2）Altizure[16]。先進的實景三維建模網絡應用平臺，支持直接在線建模，且建模效果好、速度快；Altizure星球可以實現大場景多模型管理。但隨著三維場景模型的增加，顯示效果和速度存在問題，其次標注鏈接等功能較弱。

（3）Wish3D[17]。適用于多個3D 場景瀏覽交互的網絡應用平臺，標注功能相對豐富；支持添加其他三維模型、大范圍影像、地形等多源數據。但存在穩定性較差、跨平臺功能弱、三維模型顯示速度較慢等不足。

1.3 方案比選

根據建設目標及功能需求，可以擬定四種試驗方案：

（1）方案一：以720yun 為主平臺展示各災害點虛擬全景，通過鏈接Altizure 平臺對應展示三維實景模型及其他信息。

（2）方案二：以720yun 為主平臺展示各災害點虛擬全景，通過鏈接Wish3D 平臺對應展示三維實景模型及其他信息。

（3）方案三：以Altizure 為主平臺展示各災害點三維全景模型，通過鏈接720yun 平臺對應展示虛擬全景及其他信息。

（4）方案四：以Wish3D 為主平臺展示各災害點三維全景模型，通過鏈接720yun 平臺對應展示虛擬全景及其他信息。

結合主要技術平臺的成熟度，通過綜合測試多終端顯示速度、清晰度效果、操作便利性等，最終確定采用方案一，這也是目前能滿足“云端、隨時、隨地、跨平臺、快速展示”應用需求的最佳技術方案。

1.4 平臺架構與技術路線

根據平臺技術方案選型，三峽庫首地質災害虛擬全景與三維實景模型展示平臺架構與實施技術路線見圖1。

圖1 平臺架構與技術路線圖

2 具體實現

根據實施方案與技術路線，平臺實現主要包括無人機影像采集、單點虛擬全景與三維實景模型制作以及展示平臺建設，以下具體闡述。

2.1 地質災害點現場無人機影像采集

為滿足后期成果需求，對于每個三峽庫首區域地質災害專業監測點，采用小型無人機采集三組照片集，分別為720 度全景照片集、三維實景建模照片集以及全貌照片集。具體采集方法為：

（1）720 度全景照片集：正對災害點，將小型無人機懸停于一定高度，然后調整相機角度旋轉飛機，拍攝一組包含災害體上、下、左右、前、后各個方位的照片集，而且保證各相鄰照片之間具有較高的重疊率[18]。其目的是制作各災害點的720 度虛擬全景。

（2）三維實景建模照片集：即正射+傾斜照片集。是以災害體及其周邊一定范圍為界，根據災害體具體特征，采用航線規劃或者手動操控，在滿足一定重疊率（通常是航向重疊率至少75%，旁向重疊率至少60%）的要求下，有規則地采集正射照片（相機鏡頭垂直向下），必要情況下補充采集傾斜照片（相機鏡頭傾斜）[19-20]。其目的是制作災害體的三維實景模型以及數字正射影像、數字地形等成果。

（3）全貌照片集：以災害體中心位置為準，將無人機飛行到一定高度和距離，拍攝災害體的全貌照片。理想情況是一張照片能拍攝完整災害體周界及其外延一定范圍，如果遇到無法一張照片拍攝完整的情況，則在保證照片清晰度與控制變形的前提下，拍攝一組照片集。其主要目的是制作各災害點的全貌及專業監測布置影像圖。

2.2 單點虛擬全景與三維實景模型制作

基于各災害點的現場無人機影像，分別制作虛擬全景、三維實景模型以及全貌，具體有：

（1）720 度虛擬全景：采用全景照片集，借助PTGui、Photoshop 與ArcGIS 軟件，建立各災害點全景照片；然后上傳720yun 平臺，制作和發布各點720 度虛擬全景。

（2）三維實景模型：采用三維實景建模照片集，上傳Altizure 平臺，制作和發布各地質災害點的三維實景模型。

（3）全貌照片：采用全貌照片或照片集，借助Arc-GIS、Photoshop 軟件，制作各地質災害點的全貌及專業監測布置影像圖。

2.3 虛擬全景與三維實景展示平臺搭建

按照平臺技術方案，首先在720yun 上新建三峽庫首區地質災害專業監測點虛擬全景與三維實景模型展示平臺項目，然后按照流域添加與整合各地質災害單點的720 度虛擬全景，最后在各災害點虛擬全景內部通過鏈接實現災害體簡介、監測全貌以及Altizure 三維實景等的綜合展示。

3 主要功能

3.1 平臺主頁面

在臺式電腦、筆記本、移動設備（iPad、手機）等所有能夠連接互聯網的終端設備上，通過網頁瀏覽器輸入平臺網址或者通過微信等程序掃描二維碼，即可在無須安裝任何程序或插件情況下直接進入該平臺主界面（圖2）。

圖2 三峽庫首區地質災害專業監測點虛擬全景與三維實景模型展示平臺主頁面

主頁面下部分為兩行全景列表。其中底部一行為一級列表，按流域依次又分為“長江干流”、“九畹溪流域”、“童莊河流域”、“香溪河流域”、“歸州河流域”與“青干河流域”。上部一行為二級列表，其中首列為對應流域的位置分布圖，圖中動態顯示該流域的所有地質災害點；接下去則按照從上游至下游的順序列出對應一級流域中的所有災害點。

3.2 地質災害點720度全景展示

用戶既可以通過圖2 主頁面所示的二級列表中第一列的位置分布圖，也可以直接通過二級列表的災害體名稱，單擊打開對應地質災害體的720 度全景（圖3）。在該全景頁面，可以通過按住鼠標左鍵移動以控制全景的全方位旋轉展示；通過旋轉鼠標滾輪縮放全景大小。還可以進行全屏顯示、VR 虛擬現實模式顯示、查看項目簡介以及分享二維碼等功能設置。

圖3 地質災害點720度全景展示功能

3.3 地質災害點三維實景模型及其他鏈接信息展示

對于各地質災害點的詳細信息，包括基本情況簡介、專業監測全貌圖、三維實景模型等都通過熱點標注加鏈接的方式實現。如要查看基本情況，只需單擊圖3中的基本情況鏈接；而要查看三維實景模型，單擊“三維模型”鏈接，就會自動彈出并加載Altizure 平臺上對應災害體的三維實景模型（圖4），該模型也可以通過鼠標或者提供的工具按鈕實現旋轉、縮放、傾斜、鳥瞰等功能。

圖4 地質災害點三維實景展示功能

4 結語

實踐表明，綜合采用小型無人機、720 度虛擬全景、三維實體建模以及互聯網云平臺、WebGL 等技術，對三峽庫區地質災害專業監測點進行720 度全景與三維實景模型制作，并構建集中展示平臺，能夠滿足隨時、隨地、跨平臺、快速演示與查看的應用需求，可以為進一步加強庫區地質災害應急處置與監測預警能力與水平提供基礎信息支持。

在本平臺基礎上，對三峽庫區全岸坡段，采用大面積無人機傾斜攝影測量技術，創建大區域三維實景模型；并以此為基礎集成鉆孔、精細地面調查、高分辨率地形與正射影像、高精度三維點云與模型等空間數據，建立三峽庫區地質災害二維-三維一體化、地上-地下一體化、宏觀-微觀一體化的三維實景綜合集成平臺，最終實現地質災害信息全方位展示、有效管理、動態評價以及預警預測。