基于無(wú)人機(jī)航攝的高陡/直立邊坡快速地形測(cè)量及三維數(shù)值建模方法*

王 明 李麗慧 廖小輝 黃北秀 王學(xué)良 陳子干楊福華 劉建立

( ①中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國(guó)科學(xué)院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100029)

( ②中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院 北京 100029)

( ③中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院 北京 100049)

( ④衢州學(xué)院建筑工程學(xué)院 衢州 324000)

( ⑤浙江省神仙居旅游集團(tuán)有限公司 臺(tái)州 317300)

( ⑥南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 南京 210037)

( ⑦北京京巖工程有限公司 北京 100028)

0 引 言

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是地質(zhì)體演化到一定階段的必然產(chǎn)物。地質(zhì)災(zāi)害的防治，實(shí)質(zhì)上是通過(guò)人工的手段使已處于不平衡或臨界平衡狀態(tài)的地質(zhì)體重新回到一種新的平衡狀態(tài)( 黃潤(rùn)秋等，1999) 。由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)奇峰峻嶺等復(fù)雜地貌的旅游開(kāi)發(fā)以及大規(guī)模的工程建設(shè)和資源開(kāi)發(fā)使得高陡邊坡的崩塌災(zāi)害頻繁發(fā)生。然而對(duì)于高陡邊坡以及高位危巖，因無(wú)法近距離接觸，危巖體尺寸及巖體結(jié)構(gòu)面的分布和發(fā)育等物性特征難以精確獲取，從而對(duì)地質(zhì)體的演化狀態(tài)無(wú)法精確把握，具有極高的危害性，也大大地增加了治理難度( 劉昌軍等，2012; 陳宙翔等，2019) 。為了有效治理高陡邊坡崩塌災(zāi)害，地質(zhì)勘察和巖體穩(wěn)定性評(píng)估工作非常必要，但是對(duì)高陡邊坡的勘察和地質(zhì)地形信息的獲取一直屬于工程難題，從地質(zhì)－力學(xué)角度出發(fā)的穩(wěn)定性評(píng)估也需要建立相應(yīng)的物理力學(xué)模型并輔以模擬計(jì)算分析( 黃潤(rùn)秋等，2002; 鄧小龍等，2017) 。對(duì)于高陡邊坡而言，有效而精確的地形數(shù)據(jù)更是難以獲取。

對(duì)于復(fù)雜地形的高陡邊坡而言，傳統(tǒng)的地形、邊坡測(cè)量以及結(jié)構(gòu)面信息獲取手段如羅盤(pán)、全站儀等因其操作難度大、精度低，已經(jīng)不再適用。近年來(lái)，由于信息技術(shù)不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)、近景攝影技術(shù)、無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)等一系列新興手段被應(yīng)用在邊坡測(cè)量中。其中三維激光掃描技術(shù)以其激光測(cè)距原理，可以對(duì)高陡邊坡等復(fù)雜地質(zhì)體表面幾何形狀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行快速獲取( 鄧小龍等，2017) ，受到了許多研究人員的青睞。如使用三維激光掃描儀對(duì)高陡邊坡進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查及危巖體的識(shí)別( 董秀軍等，2006; 劉昌軍等，2012; 黃江等，2013; 江顏等，2013) ，邊坡變形監(jiān)測(cè)( 李秋等，2006; 劉文龍等，2009; 徐進(jìn)軍等，2010) 等均有著良好的應(yīng)用。但是由于三維激光掃描儀造價(jià)高昂，并且測(cè)量過(guò)程中需要進(jìn)行測(cè)站選擇以及儀器固定等特性，致使三維激光掃描只適用于淺部巖體結(jié)構(gòu)的調(diào)查測(cè)繪( 董秀軍等，2006; 董秀軍，2007; 鄧小龍等，2017) ，對(duì)于過(guò)高的陡峭山體或復(fù)雜邊坡以及大范圍的復(fù)雜地形則有一定的局限性。無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)利用GPS 差分定位技術(shù)以及無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)、遙測(cè)通訊技術(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)快速的獲取所測(cè)區(qū)域的空間遙感信息( 王新，2010; 張涵，2014) 。通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載鏡頭進(jìn)行近景攝影，具有小巧靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成本低且能獲取高精度遙感影像等特點(diǎn)，是在不同環(huán)境條件下進(jìn)行傳統(tǒng)野外測(cè)繪和標(biāo)準(zhǔn)空中測(cè)量的有效替代方案( Colomina et al.，2014; Manconi et al.，2019) 。基于無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)或近景傾斜攝影技術(shù)并結(jié)合多種圖像處理軟件和三維建模軟件可以用來(lái)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查和巖體結(jié)構(gòu)面特征識(shí)別及信息獲取( 劉海洋等，2017; 孫娟娟等，2017; 張騫棋，2018; 趙明宇等，2018; 陳宙翔等，2019) ; 進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)( Lin et al.，2016) ; 實(shí)現(xiàn)坡面精細(xì)模型的建立( Manconi et al.，2019) ; 運(yùn)用SfM-MVS 算法，生成復(fù)雜地質(zhì)體完整、致密的三維點(diǎn)云，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體自動(dòng)提取表面形貌( Westoby et al.，2012; Brunier et al.，2016; Ferreira et al.，2017) ;許志華等( 2016) 結(jié)合DTM 三角網(wǎng)差值法對(duì)礦山工程量進(jìn)行計(jì)算; 孫娟娟等( 2017) ，劉海洋等( 2017) ，陳宙翔等( 2019) 還將無(wú)人機(jī)航攝與數(shù)值模擬軟件Rockfall 結(jié)合對(duì)危巖體崩塌運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。無(wú)人機(jī)航測(cè)結(jié)合地形制圖軟件還可以進(jìn)行大比例尺地形圖的繪制( 王華俊等，2017; 李天，2019; 楊智翔等，2019; 周光耀等，2019; 周小杰等，2019) 。對(duì)人力所不能及的高陡/直立邊坡以及復(fù)雜地形區(qū)域，往往缺少地形資料，選用無(wú)人機(jī)航測(cè)可以有效的解決這個(gè)問(wèn)題。

如何對(duì)復(fù)雜地形的高陡/直立邊坡進(jìn)行快速測(cè)量獲取地形地質(zhì)信息，如何高效的建立復(fù)雜地形的高陡/直立邊坡三維精細(xì)模型，這對(duì)于復(fù)雜地形的高陡/直立邊坡以及復(fù)雜地質(zhì)體的研究有著重要意義，將極大地促進(jìn)我們對(duì)于復(fù)雜地形的高陡/直立邊坡及復(fù)雜地質(zhì)體地質(zhì)地形資料的快速獲得以及對(duì)于災(zāi)害演化過(guò)程的再現(xiàn)。已有研究者通過(guò)三維激光掃描技術(shù)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體的三維數(shù)值建模進(jìn)行了良好的嘗試( 鄧小龍等，2017) ，作者在總結(jié)前人對(duì)高陡邊坡地質(zhì)災(zāi)害及復(fù)雜地質(zhì)體建模分析研究的基礎(chǔ)上，以浙江省仙居縣神仙居景區(qū)內(nèi)一高陡近乎直立的復(fù)雜邊坡為例，致力于尋求一種快速便捷的地形測(cè)量技術(shù)和三維精細(xì)建模技術(shù)并應(yīng)用于FLAC3D進(jìn)行巖體穩(wěn)定性分析的方法。

1 快速地形測(cè)量技術(shù)

近年來(lái)，隨著航空航拍測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展，低空無(wú)人機(jī)由于其小巧靈活，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，維護(hù)成本低，可以獲取高分辨率影像，對(duì)區(qū)域范圍及一些有著特殊地形地勢(shì)的地點(diǎn)在信息獲取方面有很大優(yōu)勢(shì)而被許多研究者采用( 蔡舒翔，2016) 。當(dāng)然無(wú)人機(jī)也有其相應(yīng)的缺點(diǎn)，在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中由于各種因素如風(fēng)力、降雨以及信號(hào)接收等問(wèn)題，易導(dǎo)致飛行過(guò)程中飛機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)定，致使航攝影像存在畸變、旋片角大等現(xiàn)象( 周小杰等，2019) 。基于以上問(wèn)題，使用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)無(wú)人機(jī)航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，會(huì)導(dǎo)致工作量大、工作周期長(zhǎng)等問(wèn)題，影響工作進(jìn)度。由Agisoft 公司出品的Photoscan 軟件根據(jù)多視圖三維重建技術(shù)，可以任意選取照片的拍攝位置，不需要設(shè)置初始值及相機(jī)檢校，基于影像自動(dòng)生成高質(zhì)量三維實(shí)景模型。該軟件配合上無(wú)人機(jī)航攝極大地加快了地形測(cè)量和地質(zhì)調(diào)查的工作效率。

1.1 無(wú)人機(jī)航空攝影航線(xiàn)設(shè)計(jì)

為了獲取復(fù)雜地形地貌區(qū)域的精細(xì)的地形地質(zhì)信息，我們可以充分利用無(wú)人機(jī)的形體小巧、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的航線(xiàn)進(jìn)行航攝。為了確保建模精確度可以考慮采用以下兩種拍攝方法: ( 1) 按設(shè)計(jì)的合理的無(wú)人機(jī)航線(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行航行拍照，但要注意需保證照片重疊度，航向重疊度也即同一航線(xiàn)相鄰照片之間的重疊度應(yīng)大于60%，旁向重疊度也即相鄰兩條航線(xiàn)之間照片的重疊度應(yīng)大于30%，重疊度越高，相應(yīng)建模精度也越高。( 2) 采用興趣點(diǎn)環(huán)繞拍攝的方法，針對(duì)目標(biāo)區(qū)域設(shè)計(jì)合理航線(xiàn)拍攝4K 視頻，再利用“Free Video to JPG Converter”軟件，也可采用其他相關(guān)的從視頻中提取照片的軟件，根據(jù)實(shí)際精度要求，從視頻中按幀數(shù)提取照片。

實(shí)際上第1 種方案按設(shè)計(jì)航線(xiàn)攝取照片比第2種方案拍攝視頻并從視頻中按幀數(shù)截取照片精度更高，但相應(yīng)的需要較好的操作水平以及耗費(fèi)時(shí)間也更多，而視頻拍攝則較為簡(jiǎn)單快捷并且清晰度也足夠滿(mǎn)足要求。拍攝完之后，選擇多個(gè)具有明顯特征的位置，采用GPS、RTK 等工具測(cè)量并記錄其位置及高程信息，以便于對(duì)后期生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的位置及高程信息進(jìn)行校正。當(dāng)然也可在航拍前預(yù)先設(shè)置好多個(gè)易識(shí)別的標(biāo)靶，并測(cè)量標(biāo)靶的坐標(biāo)信息。另外，如果拍攝目標(biāo)較大或較復(fù)雜，單條航線(xiàn)單個(gè)角度拍攝無(wú)法獲取所有細(xì)節(jié)，為使模型更加精細(xì)準(zhǔn)確，可以采取設(shè)計(jì)多條航線(xiàn)以多個(gè)拍攝角度進(jìn)行航攝，最后多條航線(xiàn)航攝照片進(jìn)行結(jié)合處理。

1.2 建立三維仿真實(shí)景模型

通過(guò)無(wú)人機(jī)按設(shè)計(jì)航線(xiàn)獲取目標(biāo)區(qū)域的高精度航空影像后，再借助Photoscan 軟件進(jìn)行三維實(shí)景模型的建立，建模流程如下:

( 1) 添加照片。工作流程里選添加照片將無(wú)人機(jī)航攝得到的照片添加進(jìn)去，或者照片單獨(dú)放在一個(gè)文件夾，添加整個(gè)文件夾。如果采用的多航線(xiàn)多角度拍攝，照片量太大，一起進(jìn)行后續(xù)運(yùn)算對(duì)電腦配置要求較高，耗時(shí)較長(zhǎng)，可以分多個(gè)區(qū)塊進(jìn)行處理，不同航線(xiàn)不同角度放在一個(gè)區(qū)塊，保證相同區(qū)塊也即相同航線(xiàn)的航攝影像有著一定的航向和旁向重合度，最后再進(jìn)行區(qū)塊結(jié)合，成為一個(gè)更加精細(xì)的整體。

( 2) 對(duì)齊照片。進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定和影像排列，并重建疏點(diǎn)云; 精度從最低到最高有5 個(gè)選項(xiàng)，如果對(duì)模型精度有極高的要求，可以選到最高，但解算流程較費(fèi)時(shí)間，且對(duì)電腦配置要求較高，質(zhì)量越高解算時(shí)間呈幾何倍數(shù)增長(zhǎng)，因此建議選中等精度; 成對(duì)預(yù)選禁用; 關(guān)鍵點(diǎn)限制選默認(rèn)值40 000; 連接點(diǎn)限制選默認(rèn)值4000; 另外勾選Adaptive camera model fitting 選項(xiàng); 最后確認(rèn)進(jìn)行運(yùn)算。疏點(diǎn)云建立后，可對(duì)疏點(diǎn)云進(jìn)行修剪，刪去不必要或者多余的邊角區(qū)域，選取所需范圍進(jìn)行建模，提高運(yùn)算效率。

( 3) 建立密集點(diǎn)云。質(zhì)量選擇如上一步的精度選擇，可以根據(jù)需要自行選擇; 深度過(guò)濾選禁用，保證模型細(xì)節(jié)準(zhǔn)確度。

( 4) 生成網(wǎng)格。表面類(lèi)型選任意，因?yàn)槭菑?fù)雜模型，包含多種不同類(lèi)型點(diǎn); 源數(shù)據(jù)選密集點(diǎn)云; 面數(shù)可根據(jù)需要選擇; 高級(jí)設(shè)置選用默認(rèn)值。

( 5) 生成紋理，模型建立。選通用映射模式，默認(rèn)混合模式，勾選Enable hole filling。計(jì)算完成后，三維仿真模型建立完成，還可導(dǎo)出正射影像及DEM模型。

模型生成后，可以將之前選取的特征點(diǎn)和控制點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入并校正，形成真實(shí)坐標(biāo)的三維模型。

1.3 地形圖快速生成

以上我們可以通過(guò)Photoscan 三維重構(gòu)得到精細(xì)的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，作者基于Geomagic Studio 強(qiáng)大的點(diǎn)云處理功能對(duì)密集點(diǎn)云進(jìn)行修理，再使用南方CASS 軟件提取修正后的點(diǎn)云高程數(shù)據(jù)，利用其地形制圖功能快速生成地形圖。具體流程如下:

1.3.1 從Photoscan 中導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù)

將通過(guò)Photoscan 三維重構(gòu)得到的密集點(diǎn)云以XYZ Point Cloud( * .txt) 格式導(dǎo)出，并用Geomagic Studio 打開(kāi)，導(dǎo)入點(diǎn)云時(shí)可以選擇保持全部數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，或者從1%～100%選擇特定的采樣比率進(jìn)行采樣選擇，具體可依據(jù)精度要求以及電腦解算速度而定。

1.3.2 將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio 中進(jìn)行修整

點(diǎn)云封裝，封裝之后，可以清晰的看到模型表面的特征。在等高線(xiàn)繪制過(guò)程中植被茂密區(qū)域及人工構(gòu)筑物會(huì)使等高線(xiàn)繪制存在較大誤差，因此我們可以在Geomagic Studio 中對(duì)植被及構(gòu)筑物區(qū)域的點(diǎn)云進(jìn)行修整，減少植被及構(gòu)筑物等對(duì)高程的影響，提高地質(zhì)體高程信息的準(zhǔn)確度以及模型的精細(xì)程度，使得高程信息更加接近實(shí)際。修理完畢后，再將封裝模型轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，另存為AutoCAD 可打開(kāi)的* .dxf 格式的DXF 文件。

1.3.3 在南方CASS 中生成地形圖

將* .dxf 格式文件在南方CASS 中打開(kāi)，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含有高程等坐標(biāo)信息，將南方CASS 中數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)出為無(wú)編碼高程點(diǎn)，通過(guò)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)建立DTM 并繪制三角網(wǎng)，再生成等高線(xiàn)并進(jìn)行圖面整飾，加入原有的地物特征、比例尺及圖例等形成完整的地形圖件，建模流程見(jiàn)圖1。

2 三維數(shù)值建模方法

圖1 快速地形測(cè)量及三維數(shù)值建模流程Fig. 1 Rapid topographic measurement and 3D numerical modeling flow diagram

以上基于無(wú)人機(jī)能快速獲取高精度遙感影像的基礎(chǔ)上，借助Photoscan 的多視圖三維重建技術(shù)可以獲取目標(biāo)的密集點(diǎn)云，結(jié)合Geomagic Studio 強(qiáng)大的點(diǎn)云處理及曲面建模功能，我們可以建立該復(fù)雜陡峭邊坡的三維數(shù)值模型并應(yīng)用于FLAC3D進(jìn)行坡體穩(wěn)定性分析。

具體流程如下: 在無(wú)人機(jī)獲取影像，Photoscan重建密集點(diǎn)云，以及Geomagic Studio 點(diǎn)云修整之后，以Geomagic Studio 強(qiáng)大的曲面建模功能生成CAD 閉合曲面封裝模型。Geomagic Studio 曲面建模步驟如下: ①點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝重建三角網(wǎng)格曲面; ②網(wǎng)格醫(yī)生修復(fù)多邊形網(wǎng)格缺陷; ③對(duì)三角網(wǎng)格進(jìn)行精確曲面片編輯處理; ④模型參數(shù)化曲面分片處理; ⑤柵格化并擬合成CAD 模型; ⑥保存為Hypermesh 可以讀取的* .igs 數(shù)據(jù)格式。CAD 曲面封裝模型建模完成后，再將* .igs 格式文件用Hypermesh 打開(kāi)，以Hypermesh 平臺(tái)強(qiáng)大的布爾運(yùn)算能力及網(wǎng)格劃分功能對(duì)模型進(jìn)行處理，建立可計(jì)算的三維有限元模型。最后通過(guò)FLAC3D內(nèi)嵌的Fish 語(yǔ)言編輯簡(jiǎn)單指令，即可生成FLAC3D可以讀取的* .Flac3D 文件( 鄧小龍等，2017) 。再將該文件導(dǎo)入FLAC3D，并根據(jù)野外考察資料、室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，賦予相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行模擬計(jì)算分析。

圖2 鐮刀洞Fig. 2 Scythe Cave

3 研究實(shí)例

3.1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

神仙居景區(qū)位于浙江省仙居縣，景區(qū)內(nèi)具有典型的火山碎屑巖地貌景觀( 浙江省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989) 。受強(qiáng)烈的斷塊運(yùn)動(dòng)和巖漿活動(dòng)的影響，景區(qū)內(nèi)地形切割強(qiáng)烈，最大切割深度達(dá)800 m，地形坡度變化急劇，地勢(shì)南高北低，中部和南部多懸崖峭壁，地形陡峭，局部坡度可以達(dá)到80°以上( 浙江省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，1978) 。

圖3 飛天瀑巖壁上危巖體Fig. 3 Dangerous rock mass on the rock wall of Feitian Waterfall

該景區(qū)內(nèi)飛天瀑景點(diǎn)所在山體呈三面環(huán)繞態(tài)勢(shì)，瀑布三面環(huán)崖僅向西北方向開(kāi)口，崖底多有落石。區(qū)域內(nèi)微地貌由上至下為陡崖－斜坡的地貌組合，坡底有游路經(jīng)過(guò)。鐮刀洞緊鄰飛天瀑，在飛天瀑西側(cè)崖體，整體分為頂洞、側(cè)洞和底洞3 部分; 頂洞與側(cè)洞之間連有兩個(gè)小洞，側(cè)洞呈透鏡體狀，長(zhǎng)4 ～5 m; 底洞呈卵形，高1.8 m，深5 m; 底洞為主洞，洞內(nèi)巖體較破碎( 圖2) 。飛天瀑東側(cè)陡崖坡向?yàn)?55°，西側(cè)陡崖坡向340°，坡度為85°，高度差約為150 m。該處山體可見(jiàn)明顯的層面，產(chǎn)狀為傾向0°，傾角10°。飛天瀑崖壁受f1 至f5 5 條斷裂的共同作用，巖體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。西側(cè)崖壁巖體受節(jié)理和層面切割，并受風(fēng)化、雨水侵蝕等作用影響，易發(fā)生墜落。相比于飛天瀑西側(cè)，危巖體主要集中分布于東側(cè)坡體( 圖3) 。受斷層f1 ～f5 的控制，危巖區(qū)2 及危巖區(qū)4 的巖體十分破碎，易產(chǎn)生崩塌滾石。坡腳處有早期崩塌形成的堆積體，作者對(duì)堆積體區(qū)域碎塊進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 飛天瀑落石統(tǒng)計(jì)表Table 1 Feitian waterfall rockfall statistics

調(diào)查發(fā)現(xiàn)堆積體暫時(shí)較為穩(wěn)定，但從歷史掉塊情況來(lái)看，該坡體存在很大的崩塌風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)引起重視，并且坡體上方及坡面上仍有著諸多危巖體有著崩落的可能，這就亟需我們對(duì)于危巖體進(jìn)行調(diào)查和計(jì)算分析，但近乎直立的陡坡以及超過(guò)百米的坡高人力難以進(jìn)行考察且耗時(shí)耗力，極大阻礙了我們的調(diào)查與分析的進(jìn)度，因此我們采用基于無(wú)人機(jī)等的一系列技術(shù)手段對(duì)于此等高陡邊坡進(jìn)行準(zhǔn)確詳細(xì)的調(diào)查，快速獲取地形特征并進(jìn)行計(jì)算分析。

3.2 快速地形成圖流程

由于飛天瀑主體坡體近乎直立且三面環(huán)崖僅向西北方向開(kāi)口，為了保證坡面信息采集精細(xì)完整，我們采用無(wú)人機(jī)直立上下飛行的航線(xiàn)，無(wú)人機(jī)搭載的鏡頭傾斜朝向坡面并拍攝視頻，充分利用了無(wú)人機(jī)形體小巧的特點(diǎn)。采用拍攝視頻的方法在這種地質(zhì)地形復(fù)雜的區(qū)域更加快速便捷，并且避免了航向重疊度的控制問(wèn)題，只需保證飛行過(guò)程中的旁向重疊度。航線(xiàn)設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 無(wú)人機(jī)航線(xiàn)圖Fig. 4 UAV route map

通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取到坡面高精度影像后，經(jīng)由Photoscan 處理我們可以得到該高陡邊坡的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)( 圖5) 和正射影像( 圖6) 。

圖5 密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig. 5 Dense point cloud data

再借助Geomagic Studio 對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝修理( 圖7) ，圖7a 中綠色突出區(qū)域?yàn)橹脖桓采w區(qū)，高于實(shí)際地表高程，應(yīng)進(jìn)行修理。以該模型能明顯識(shí)別出的出露的巖體表面為基本面，將局部植被區(qū)域摳除，然后基于出露的巖體表面按曲率、切線(xiàn)、平面3 種方式進(jìn)行填補(bǔ)。圖7b 為植被修理后的模型。

圖6 正射影像圖Fig. 6 Orthophoto image

圖7 在Geomagic Studio 中進(jìn)行點(diǎn)云封裝處理Fig. 7 Point cloud encapsulation in Geomagic Studio

植被修理完成后再轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并以DXF文件格式保存。在南方CASS 中打開(kāi)該文件，選擇“定顯示區(qū)”選中該模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)，選擇“展高程點(diǎn)”得到點(diǎn)云中各點(diǎn)所包含的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，再建立DTM 繪制三角網(wǎng)，三角網(wǎng)繪制過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些錯(cuò)誤的連接，我們需手動(dòng)進(jìn)行修正，剔除錯(cuò)誤連接的三角網(wǎng)( 圖8) ，最后生成等高線(xiàn)( 圖9) ，并進(jìn)行圖面整飾( 圖10) 。該流程運(yùn)行過(guò)程中如果點(diǎn)云數(shù)據(jù)量比較大，導(dǎo)入南方CASS 軟件處理時(shí)解算困難，可以將數(shù)據(jù)重新導(dǎo)入Geomagic Studio 軟件，并進(jìn)行點(diǎn)云抽稀采樣，采樣率具體視精度要求而定。

圖8 三角網(wǎng)修正Fig. 8 Triangulation correction

3.3 快速三維建模

依據(jù)基于無(wú)人機(jī)航攝影像的快速建模流程，我們對(duì)目標(biāo)區(qū)域建立了如圖11 所示的邊坡體Mohr-Coulomb 三維數(shù)值模型。該模型的尺寸( 長(zhǎng)×寬×高) 為: 727 m×517 m×288 m，模型共有315 166 個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 626 026 個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查并取巖樣進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，可以得到邊坡體巖石的主要物理力學(xué)參數(shù)。在FLAC3D軟件中使用了interface 命令，在模型中建立了一系列節(jié)理面。巖體層面產(chǎn)狀: 飛天瀑東側(cè)陡崖坡向?yàn)?55°，西側(cè)陡崖坡向340°，坡度為85°; 斷層產(chǎn)狀f1:250°∠60°，f2:270°∠80°，f3:180°∠30°，下方斷層產(chǎn)狀:f5:200°∠10°。

圖9 飛天瀑巖體等高線(xiàn)圖Fig. 9 Contour map of the Feitian waterfall rock mass

圖10 整飾后的地形圖Fig. 10 Topographic map after finishing

圖11 飛天瀑巖體有限單元網(wǎng)格模型Fig. 11 Finite element mesh model of Feitian waterfall rock mass

用FLAC3D軟件對(duì)設(shè)定完參數(shù)及結(jié)構(gòu)面的有限單元網(wǎng)格模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果。如圖12 為FLAC3D輸出的應(yīng)力云圖。

圖12 應(yīng)力云圖Fig. 12 Stress cloud map

可以看出，基于無(wú)人機(jī)的小巧機(jī)動(dòng)并能獲取高精度影像的特點(diǎn)，極大地加速了我們對(duì)于高陡邊坡、復(fù)雜地質(zhì)體的精確信息獲取。將無(wú)人機(jī)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用于巖土工程三維數(shù)值分析軟件FLAC3D，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可真正實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地形的高陡/直立邊坡災(zāi)害發(fā)生過(guò)程的識(shí)別和監(jiān)控并進(jìn)行巖體穩(wěn)定性分析，形成一套行之有效，快速精確的三維地質(zhì)建模技術(shù)。

4 結(jié) 論

對(duì)于復(fù)雜地形的高陡/直立邊坡，往往人力所不能達(dá)，因而相應(yīng)的地形地質(zhì)資料空缺，難以獲取，以至對(duì)于災(zāi)害的發(fā)生得不到好的預(yù)防和控制。無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)，由于其小巧、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、能獲取高精度的遙感影像等優(yōu)點(diǎn)，使人力無(wú)法到達(dá)的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了地質(zhì)地形資料的快速獲得。作者基于無(wú)人機(jī)的傾斜攝影技術(shù)，快速獲取復(fù)雜地形地質(zhì)體的表面形態(tài)特征，借助Photoscan 的多視圖三維重建技術(shù)，以及Geomagic Studio 對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)良好的處理功能，再結(jié)合優(yōu)秀的地形制圖軟件南方CASS，形成了一套地形圖快速生成技術(shù)，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)體能夠?qū)崿F(xiàn)精確快速的地形圖繪制。可以快速生成大面積大區(qū)域的大比例尺地形圖，特別是對(duì)山區(qū)有著很好的效果，極大地提高了測(cè)繪效率和測(cè)繪精度。

基于無(wú)人機(jī)航攝結(jié)合Photoscan 的快速點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取手段，借助Geomagic Studio 強(qiáng)大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和CAD 曲面建模功能，通過(guò)Hypermesh 強(qiáng)大的幾何處理及網(wǎng)格劃分能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地形的高陡/直立邊坡的精細(xì)三維數(shù)值模型的建立，并應(yīng)用于FLAC3D進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算。真正實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地形高陡/直立邊坡災(zāi)害發(fā)生過(guò)程的識(shí)別和監(jiān)控，減少應(yīng)對(duì)山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的盲區(qū)，形成一套行之有效，快速精確的三維地質(zhì)建模技術(shù)。該方法具有簡(jiǎn)單實(shí)用、快速便捷且實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

致 謝:現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作得到了中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所譚玉芳博士、劉海洋博士、孫娟娟博士、邵鵬碩士、王瑞琪碩士、高相波碩士，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)( 北京) 黎晨碩士，衢州學(xué)院范璐鑫、劉帥等人的幫助; 得到了中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所楊志法研究員，衢州學(xué)院建筑工程學(xué)院李燕教授、胡云世教授的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo); 在此表示感謝!