無人機三維建模在邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

李俊

（廣東省建科建筑設(shè)計院有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

在大型的工程建設(shè)中，隨著工程項目的推進(jìn)，場地的施工開挖，邊坡逐漸形成。在工程施工現(xiàn)場，邊坡是一種常見的工程結(jié)構(gòu)，也是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要安全隱患[1]。因此，為了有效的治理邊坡的滑坡災(zāi)害，對邊坡的地質(zhì)構(gòu)造、高差及坡率等數(shù)據(jù)資料進(jìn)行調(diào)查成為一項必不可少的工作。然而，由于邊坡現(xiàn)場復(fù)雜的地形條件，尤其是高陡型邊坡和高危邊坡無法近距離直接測量，傳統(tǒng)的地形測量手段（如全站儀、RTK測量）難以實施，地質(zhì)調(diào)查人員無法獲取邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的分布位置，難以精確描述邊坡體的演化狀態(tài)，極大的增加了邊坡調(diào)查的難度。如何在不受地形影響的條件下快速調(diào)查邊坡的周邊環(huán)境和巖土體結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為邊坡地質(zhì)調(diào)查中的一項難點。無人機低空攝影測量技術(shù)以其對起降場地要求低、數(shù)據(jù)獲取速度快、數(shù)據(jù)可視化效果好等特點，逐漸被應(yīng)用于邊坡地質(zhì)調(diào)查與巡檢工作中[2-4]。

1 無人機地質(zhì)調(diào)查技術(shù)流程

根據(jù)邊坡地質(zhì)調(diào)查需要，在無人機航拍前應(yīng)進(jìn)行測區(qū)踏勘、已有測量資料收集、確定項目飛行區(qū)域，然后在已有資料的基礎(chǔ)上對測區(qū)的無人機航線進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計和像控點布設(shè)。航攝作業(yè)階段應(yīng)根據(jù)已設(shè)計的飛行區(qū)域及目標(biāo)分辨率，設(shè)置合適的飛行高度和影像重疊度，進(jìn)行航拍獲取影像數(shù)據(jù)并采集像控點坐標(biāo)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集工作完成后即可導(dǎo)入ContextCapture軟件進(jìn)行空中三角測量及特征點云匹配，生成邊坡的三維模型。最后，基于三維數(shù)據(jù)對邊坡體進(jìn)行遙感解譯和量測，獲取各巖土體結(jié)構(gòu)的空間屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析。綜上所述，無人機邊坡地質(zhì)調(diào)查的整體流程可簡要劃分為航測數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)建模以及遙感解譯、邊坡穩(wěn)定性分析4個階段。

2 研究區(qū)及無人機數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)域位于清遠(yuǎn)市職教城區(qū)，屬低矮丘陵地貌單元，處于沖積平原邊緣，地形起伏較大，現(xiàn)狀條件為經(jīng)濟林、山地等。邊坡調(diào)查范圍內(nèi)地形起伏較大，邊坡高程在38.99~115.99m之間，相對高差77.0m。場地內(nèi)的邊坡主要是人工開挖整平后形成，總長約為350m，邊坡現(xiàn)狀為人工開挖的分級邊坡，寬約1.8~2.0m，坡頂標(biāo)高介于92.00～115.99m，坡底標(biāo)高介于 37.46～41.75m，走向北西，傾向北東，傾角為 60°～80°，局部近直立。

2.2 影像獲取

本次航拍工作選用的無人機為大疆精靈4PRO四旋翼無人機，攜帶FC6310數(shù)碼相機鏡頭，飛行區(qū)域總面積為1.2km2，覆蓋了整個邊坡和周邊建筑區(qū)域。進(jìn)行航線規(guī)劃時，考慮到地形起伏較大，山體部分植被茂密，為了保證后期數(shù)據(jù)處理時不出現(xiàn)航攝漏洞，航向重疊度設(shè)置為85%，旁向重疊度設(shè)置為75%，總航線長度為5628m，飛行時間約12min。為保證三維模型紋理清晰，根據(jù)地形特點，相對航高設(shè)置為170m。本次無人機航拍，共獲得了106幅數(shù)字影像，其影像分辨率達(dá)到了4.7cm。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

獲得邊坡航拍影像數(shù)據(jù)后，為保證三維立體模型成果的精度，在空中三角測量處理之前，首先需要對航攝影像進(jìn)行預(yù)處理。將同一項目的所有原始影像放入同一文件夾內(nèi)，并剔除不合格影像，然后對曝光不足或過度的影像進(jìn)行勻光勻色和色彩增強，根據(jù)相機畸變參數(shù)對影像進(jìn)行畸變矯正。最后整理機載定位定向系統(tǒng)（position orientation system，POS）的數(shù)據(jù)及像控點數(shù)據(jù)，將兩者統(tǒng)一至同一坐標(biāo)系統(tǒng)下。

2.4 三維實景模型的建立

無人機影像數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，再借助ContextCapture軟件進(jìn)行三維實景模型的建立，建模流程如下：

（1）添加照片。選擇本項目文件夾下的所有無人機航拍影像，或者將照片單獨放在一個文件夾，添加整個文件夾。

（2）導(dǎo)入照片POS數(shù)據(jù)及像片控制點數(shù)據(jù)，并完成像控點的刺點工作。

（3）建立密集點云。通過光束法平差迭代計算得到影像的精確外方位元素，恢復(fù)其空間位置，構(gòu)成立體像對，利用多視影像密集匹配技術(shù)，識別出鄰近影像間的同名點，生成項目區(qū)地物的稠密點云。

（4）生成網(wǎng)格。根據(jù)稠密點云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，生成無紋理網(wǎng)格模型。

（5）映射紋理，建立模型。通過計算得到的空間地物點與影像之間的投影關(guān)系，可得到最優(yōu)投影影像，將影像紋理根據(jù)數(shù)學(xué)映射關(guān)系反投影到模型的三角面上，完成三維模型的紋理映射，生成邊坡三維模型，見圖1。

圖1 邊坡三維模型

3 邊坡解譯與穩(wěn)定性評價

3.1 定性分析

綜合分析現(xiàn)場調(diào)查及遙感解譯三維模型的數(shù)據(jù)可知，場地現(xiàn)狀邊坡為人工邊坡，此類人工邊坡變形破壞機制為：由于人工切坡形成臨空面，破壞了原來的應(yīng)力平衡，臨空面一側(cè)由于失去支擋，應(yīng)力重新分布，從而產(chǎn)生卸荷作用，形成卸荷帶；加上坡體本身裂隙結(jié)構(gòu)面和潛在軟弱面影響，破壞了坡體的完整性。由于邊坡局部裂隙發(fā)育，在降雨引發(fā)下，導(dǎo)致坡體強度降低，自重增加，邊坡局部被裂隙切割成“棱形”或“楔形”的巖塊，局部發(fā)生崩塌、滑移、掉塊等現(xiàn)象。

3.2 定量分析

影響邊坡穩(wěn)定性的因素一般可分為內(nèi)在因素和外在因素，內(nèi)在因素包括：地層巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水及地形地貌等；外在因素包括：人類工程活動、地震、降雨等。結(jié)合本次地質(zhì)調(diào)查的情況進(jìn)行分析，此處影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素是人類工程活動（場地平整），降雨。邊坡的穩(wěn)定性計算可依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）[5]的相關(guān)規(guī)定，運用赤平投影法進(jìn)行計算。

結(jié)合無人機航攝輔助現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查顯示：該處山體自然斜坡坡度約34°，整體坡向315°。受人工開挖邊坡影響，邊坡已出露新鮮基巖面，植被覆蓋稀少，設(shè)置有防護(hù)網(wǎng)作坡面防護(hù)，開挖邊坡坡寬約300m，坡高最高69.3m，傾向334°，傾角54°，整體為巖質(zhì)邊坡。野外調(diào)查期間，該區(qū)域在中部坡腳可見巖石裸露，巖性為中風(fēng)化石灰?guī)r，巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，見3組清晰且據(jù)代表性節(jié)理，L1：4°∠34°，2.5條/m，裂隙面較光滑平直；L2：242°∠63°，2.5 條/m，裂隙面較光滑平直；L3：125°∠18°，1.0 條/m，裂隙面較光滑平直。

從該點節(jié)理裂隙赤平極射投影，見圖2，L2節(jié)理裂隙面與坡面近似正交，構(gòu)成斜坡面，L1、L3兩組節(jié)理裂隙面與坡面斜交。

圖2 邊坡節(jié)理裂隙產(chǎn)狀赤平投影

從節(jié)理裂隙面組合情況看，L1-L2組裂隙交線投影（傾向318°，傾角25°）、L2-L3 組裂隙交線投影（傾向 160°，傾角 15°）、L1-L3 組裂隙交線投影（傾向76°，傾角12°）與坡面近乎斜交，巖石分離塊體沿裂隙組合面滑移的空間小，邊坡目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。但若邊坡未采取支護(hù)措施，在暴雨或震動條件下，松散巖塊有可能風(fēng)化剝蝕而滾落，從而引發(fā)巖石崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

4 結(jié)論

無人機航測技術(shù)克服了傳統(tǒng)地形測量的方法受場地條件影響大的困難，在邊坡地質(zhì)調(diào)查中具有較大的靈活性，可適應(yīng)各種邊坡地形條件，有效降低了地質(zhì)調(diào)查成本和減低了人員安全風(fēng)險。無人機三維模型不僅具有良好的可視化效果，能充分的反映邊坡的整體形態(tài)和各結(jié)構(gòu)面的幾何出露形態(tài)，同時模型的定位精度也能較好地滿足對邊坡進(jìn)行量化分析的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。