無人機影像在高陡邊坡危巖體調查中的應用

黃海寧，黃 健，周春宏，潘勇杰

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；(2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

受青藏高原隆升影響，我國西南地區河谷深切狹窄，坡體陡峻，地應力水平高，巖體卸荷裂隙發育，且地質結構復雜，地震烈度高，天然岸坡淺表穩定性較差[1]。在外界環境作用下，岸坡淺表很容易發生崩塌、滑坡等地質災害，而這些地方一旦發生地質災害，復雜的地形條件將會制約地質工作人員的深入，正常的地質調查工作將無法迅速開展，并且由于其工作量大，險惡的環境也會對人員安全構成極大威脅。如何快速查明地質災害的巖土體結構和環境條件一直是地質災害調查研究中的難點[2]。

遙感技術以其快速、宏觀、高分辨率等特點，在自然地質災害調查領域具有獨特的優勢[3]。隨著無人機遙感系統的迅猛發展，其憑借機動靈活、成本低廉、風險小、實時性強等特點，已被廣泛深入地應用于各種環境條件下的地質災害調查[4-5]。高嬌嬌等[6]應用無人機遙感對西氣東輸管道所處的典型的黃土丘陵溝壑區與重水土流失區域進行地質災害調查，取得較好的成果。李亮等[7]對發生在貴州山區的關嶺特大型滑坡進行無人機航拍攝影，通過遙感地質解譯和GIS技術對兩期影像和數字高程模型的信息挖掘，為準確評估山區滑坡受災情況提供了客觀數據。張濤等[8]通過遙感與無人機航拍，確定了滑坡的全過程張啟元等[9]利用無人機航測技術查明了青海省大通煤礦區內的地質災害分布，建立了一套適合高原特殊地理環境下的地質災害遙感調查、監測技術流程，提高了工作效率。侯恩科[10]等將無人機遙感用于采煤地表裂縫的識別中。王帥永等[11-12]基于無人機低空攝影測量系統，對強震區地質災害進行精細調查，提高了地質災害解譯的精度及準確度。這些研究成果極大地推動了無人機遙感技術應用于各種環境中的地質災害調查，但是，將無人機攝影測量技術應用于高陡邊坡地區危巖體災害調查的研究，從目前各方面的資料來看開展得還很少，公開發表的研究成果也不多。

本文將無人機遙感系統應用于西南地區高陡邊坡危巖體調查，以探索此項技術在該領域的應用方法，為高陡邊坡危巖調查提供一種可行的技術方法和實踐參考。

1 研究區概況

錦屏二級水電站出線場邊坡位于雅礱江右岸，包括出線場及尾水洞出口以上的自然邊坡。區內河谷為典型的“V”型高山峽谷地貌，谷底狹窄，河流常水位高程1 325～1 330 m，兩岸山脊高程均在3 000 m以上；沿江兩岸多為陡壁和陡坡，直通江邊，區內溝谷大多垂直雅礱江，呈NWW向至EW向發育。1 700 m高程以上河谷相對開闊，1 700 m高程以下河谷相對狹窄。其中1 500 m高程以下的河谷，受巖體結構及河谷演化特征的控制，地形陡峭，坡度一般可達50°～70°，沿江有一系列陡壁發育；在1 500～1 700 m高程間地形相對較緩，坡度為35°～45°；在1 700 m高程一帶，發育由崩積層形成的鈣華臺地(相當于Ⅵ級階地)，臺地前緣為一高度不等的陡坎；在1 700 m高程以上，地形坡度相對較小，坡度35°左右。地層巖性主要為T2y4呈弱風化狀的灰綠色條帶狀云母大理巖。圖1為出線場邊坡全貌。

2018年8月底，受持續降雨的影響，邊坡上部發生落石災害，落石滾落撞擊在下方被動網上，造成被動網嚴重損壞，甚至碎裂后的部分落石越過被動網，砸到下方出線場內。雖未造成人員及嚴重財產損失，但安全風險凸顯，急需針對該區落石災害開展地質調查，為工程防治提供地質依據。

2 無人機攝影測量

2.1 無人機攝影測量系統

無人機攝影測量系統主要由空中部分、地面部分和數據處理部分3個部分組成[13]。

空中部分包括遙感傳感器系統、無人機控制系統及無人機平臺。遙感傳感器系統主要指無人機搭載的各種遙感設備；空中控制系統是對傳感器系統進行穩定和拍攝任務的控制；地面部分包括航跡規劃、無人機地面控制系統以及數據接收顯示。

航跡規劃是在航飛前按照任務要求、環境特點、無人機性能參數等規劃出飛行區域和航線；地面控制系統與無人機平臺相互配合實現對飛行狀態的精確控制；數據處理部分包括影像數據預處理和數據成果處理，目的是對影像數據進行加工，以提取有效信息。

圖1 出線場邊坡全貌

2.2 傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量技術是測繪遙感領域近年來快速發展起來的一項高新技術。它顛覆了以往只能從正攝角度拍攝影像的局限, 通過在同一飛行器上搭載多臺傳感器,可以同時從一個正攝、四個傾斜等五個不同的角度采集影像數據, 將用戶引入了符合人眼視覺習慣的真實且直觀的世界[14]。傳統的遙感影像數據主要來源于垂直或傾角很小的衛星影像或航空影像，這些影像數據僅能獲得部分地物的高度信息和頂部紋理信息，難以滿足三維真實場景的建立要求，并且由于外界環境影響，導致這些影像上地物產生變形及遮擋壓蓋問題，不利于后期的數據處理。而傾斜影像可以真實地反映出地物的側面詳細輪廓及紋理信息，為三維實體模型的構建提供了數據基礎。相對于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察地物，更加真實地反映地物的實際情況，極大地彌補了基于正射影像應用的不足[12,14]。

3 無人機遙感調查流程

根據調查工作的需要，首先進行前期準備，包括收集研究區資料、定點勘查和確定飛行區域，然后在此基礎上進行航線設計和控制點布設，之后開始無人機航拍攝影；完成后利用航拍數據進行內業處理，獲得密集點云數據，生成地質災害三維模型和DOM(數字正射影像)；最后基于數據成果進行分析，對地質災害體進行遙感解譯，獲取地質災害的空間屬性數據，建立地質災害空間屬性數據庫。綜上所述，整個無人機遙感調查技術流程可分為數據獲取、數據處理以及成果分析3個階段。無人機遙感調查流程如圖2所示。

圖2 無人機遙感調查流程

4 高陡邊坡巖無人機遙感調查應用

4.1 影像獲取

本次對出場線邊坡落石所在區域進行航拍工作所采用的是攜帶五鏡頭的大疆M600Pro多旋翼無人機，能夠同時對多個方向進行航拍，整個飛行區域面積為0.5 km2，所采用無人機和相機的主要參數見表1。進行航線規劃時，由于研究區屬于典型的高山峽谷地貌，地形起伏非常大，且地物特征不明顯，為了保證后期數據處理能夠順利進行，航線設計得比較密集，航向重疊度設置為85% ，旁向重疊度設置為80% ，圖3為航跡圖。整個飛行進行了2次起落，通過無人機航拍，5個鏡頭共獲得了2 780幅數字影像，其影像分辨率達到了0.05 m。圖4為無人機位于落石災害點正上方時，五鏡頭同一時刻航拍的五張影像。

4.2 數據處理

由于無人機上搭載的是普通的高分辨率數碼相機，為保證后期處理成果的精度，因此，在處理之前，首先要對影像進行畸變校正和勻色，然后導入相機中記錄的POS數據，對影像進行同名點匹配；再根據共線條件方程進行自由網平差。完成自由網平差后，將地面控制點坐標信息加入，對影像進行空中三角測量加密，生成整個測區的密集點云數據。通過密集點云數據可以生成測區的正射影像和三維模型，其整個處理流程如圖5所示。對模型精度進行評價，量測模型上控制點的坐標與現場實測坐標數據進行對比計算，得到平面坐標中誤差為0.188 m，高程中誤差為0.29 m。分析可知，平面精度和高程精度均滿足地形圖航空攝影測量內業規范(國家質量監督檢驗檢疫總局，2008)要求[14]。

表1 無人機及相機主要參數

圖3 航跡圖

圖4 同一航拍點的五張影像

圖5 無人機數據處理流程圖

4.3 無人機遙感地質災害解譯

地質災害作為一種不良地質現象，在遙感影像上呈現的形態、色調、影紋結構等均與周圍背景存在一定區別[6]。因此，可通過遙感影像解譯，對目標區域內已發生的地質災害點和地質災害隱患點進行系統全面的調查，查明其空間分布及屬性特征。

圖6為生成的出線場邊坡三維場景，對落石點位置進行局部放大后得到圖7，可以明顯識別出落石災害點位置，危巖體失穩滾落后，出露的白色新鮮巖層面與周圍的黑色風化巖層表面呈現鮮明的反差。分析三維模型可知：落石災害點位于出線場上方約560 m處，高度為1 930 m，坡度約36°，落石巖性為大理巖。落石災害點的出露面比較平整光滑，呈規則矩形，底面較緩，與坡面大致平行，后緣面陡傾，與坡面近于垂直相交。結合周圍巖體產狀特征，分析可判定原始危巖體底部和后緣發育兩組結構面，巖體受到緩傾于坡面和反傾于坡外的兩組近于正交結構面控制。危巖失穩原因為：受持續降雨的影響，大量雨水滲入到主控結構面裂隙中，導致裂隙內拉應力不斷增大。當拉應力大于抗拉強度時，后緣結構面裂隙不斷被拉裂開，最終裂隙貫通，巖體失穩，順著底部結構面滑移滾落，可知危巖破壞模式為滑移式。巖體滾落過程中，不斷有碎塊石分離，在圖上呈現出一條較明顯的滾落路徑，路徑大致呈直線狀，長約776 m。

圖6 研究區三維空間場景

圖7 落石點位置

結合現場調查結果，分析整個落石滾落演化過程，大致可分為三個階段：

(1)滾落初始階段

危巖體失穩，從母巖上分離，獲得初始動能，開始滾落。當與坡表發生碰撞時，在沖擊作用下，落石體上原本不穩定部分逐漸脫落，停留于坡表上，脫落部分為粒徑較大的完整塊石，主要分布于路徑0～54 m之間。多次碰撞后，此時的落石整體性較好，只有落石表面由于與坡表碰撞而脫落部分細小碎屑。

(2)撞擊階段

落石在487 m處由坡表滾落到沖溝內，順著沖溝滾落，撞擊在下方的第一道被動網上。由于落石具有巨大的動能，發生撞擊時，不僅造成被動網嚴重損壞，落石自身也發生碎裂，部分落石碎塊被攔截，能量耗盡，停落在被動網附近，某塊較大落石反借著撞擊時的沖擊力越過被動網，繼續滾落。圖8為現場調查照片。

圖8 現場調查照片

(3)墜落階段

落石越過第二道被動網后，沿著陡壁直墜而下，最終砸至下方出線場內，破碎成許多碎塊石。

結合已發生的落石災害特征，對出線場邊坡區域進行危巖隱患點遙感解譯，共統計危巖29個，其分布如圖9所示。危巖分布于1 550～1 840 m，距下部江面220 m以上，屬特高位危巖，主要位于在陡峭坡體上，坡度45°～55°，巖體風化卸荷裂隙發育。危巖主要受后緣結構面控制，穩定性較差，危及下方建筑物及公路。

無人機影像生成密集點云數據賦存空間幾何特征信息，可以對由點云數據所構建的三維模型進行數據提取[16]。如圖10所示，以出露的新鮮巖面為邊界，提取各端點數據，測得原始落石長(AB)為2.2 m，厚(AC)為1.9 m，高(AD)為2.8 m，計算得到體積(V)為11.7 m3；由于落石的兩組主控結構面J1、J2在三維點云數據中出露明顯，且表現為規則的平面，可以直接提取平面上不在同一直線上的任意n(n≥3)個特征點。

圖9 危巖分布圖

圖10 三維點云模型

設結構面擬合平面的方程式為：

Z=AX+BY+C

(1)

采用最小二乘算法進行解算：

(2)

得到結構面擬合平面方程為：

J1：-0.057X+0.603Y+51.02=Z

(3)

J2：0.463X-1.931Y+48.533=Z

(4)

根據結構面產狀與平面方程參數的對應關系[17]，量化計算傾角α與傾向β：

(5)

(6)

其中：

(7)

當A>0時，

β=β0+π

計算得到結構面產狀(表2)。

表2 結構面產狀計算結果表

5 結論

(1)采用無人機遙感航拍進行高陡邊坡危巖體調查，不但能夠避免因復雜的地形條件而限制了地質災害的正常調查，而且還提高了地質災害調查的效率，具有更高的時效性和精確性。

(2)對無人機影像構建的地質災害體三維模型進行遙感解譯，分析可知：落石災害點位于出線場上方約560 m處，巖體主要受近垂直于坡面和近平行于坡面的兩組近于正交的結構面控制，失穩模式為滑移式。結合現場調查，可將落石滾落過程分為滾落撞擊和墜落三個階段。

(3)通過遙感解譯，共識別出29處危巖隱患點，其穩定性較差，嚴重威脅下方建筑物及公路的安全。

(4)基于三維點云數據，精確地提取出地質災害體的屬性信息，測得落石原始體積為11.7 m3；采用最小二乘法對結構面進行平面擬合，得到落石兩組主控結構面產狀為275.4°∠31.2°、103.5°∠63.3°。