無人機傾斜攝影測量技術在公路地質災害中的應用

王浩

(天水三和數碼測繪院有限公司,甘肅 天水741000)

公路地質災害識別是公路防災減災業務的重要工作,更是公路全生命周期管理中不可忽視的必要環節。全國發生危害公路交通設施的地質災害頻起,對經濟和人民生命造成直接及間接的巨大損失。因此建設一套公路地質災害識別體系可以安全高效的提出地質災害預警,填補國內公路預警技術體制的空白。傳統的勘察設計手段已經無法滿足新形勢下的公路工程建設需求,在勘察設計、施工建設、后期運營各階段中,迫切需要對工程具有重要影響的不良地質體進行實時查看和判別,以減少地質災害對公路施工及后期的影響。

傾斜攝影技術是國際測繪領域近些年發展起來的一項高新技術,該技術目前在歐美等發達國家已經廣泛應用于各個行業。但是,在我國仍然存在較大的空白,傾斜影像技術的引進和應用,可以使目前高昂的三維建模成本大大降低。無人機遙感系統具有成本低、速度快、易操作等優勢,已廣泛應用于環境監測、生態農業、災害應急與三維重建等領域中[1-3]。

利用無人機搭載傾斜相機,對地質災害地區進行航拍,獲取原始影像,通過三維建模軟件對原始影像數據進行處理,獲得實景三維模型,通過在三維模型上測量及評估,結合地質專家意見,得到該地質的災害預警信息。同時還可以給設計提供參考,并指導任務區域的施工及后期運維情況。

1 整體方案

1.1 整體構架

傳統攝影測量采用下視攝影,這種攝影方式可以很好的觀測到地表和被攝物體頂部的特征[4]。傾斜攝影測量的采集方式是使相機安裝與地面呈一定的夾角,這樣可以更加完整的采集到被測物體的側面紋理信息,最終生成的模型信息更加豐富,結構更加完整,紋理更加真實。

1.2 硬件設備

項目所用無人機為六旋翼無人機,無人機技術參數如表1 所示。操作人員根據地面站提示,選擇對應的相機型號,框選作業區域,軟件自動形成航線,操作人員根據實際情況調整航線至合理,輸入飛行比例尺,軟件自動計算出飛行高度及航程和時間,然后設置好各項應急保護參數,最大程度的保證飛機在多種不定因素下的安全。

表1 無人機技術參數

2 數據采集及處理

2.1 流程簡介

某項目地處云貴高原與四川涼山接壤地帶,位于川滇南北向構造- 小江斷裂帶之東緣與其東側的北東向構造的結合部位,路線走廊帶滑坡、崩塌、泥石流等地質災害發育,該項目在勘察設計、施工建設以及后期的運營階段中針對各種不良地質體的判識、風險評估、穩定性計算以及處置措施等問題亟待解決。

圖1 測區影像空三提點后點云及像控點分布圖

圖2 技術流程

2.2 航飛方案

如圖1 所示,該地高程起伏落差大,測區高程最低點海拔625m,最高點海拔1293m,為了獲取0.05m 以下的高精度三維模型,無人機航飛相對高度設置為180m,測區高程落差668m,大于無人機的航飛相對高度180m,導致不能采用同一航飛高度航飛完整個測區,要對測區進行不同高度的分層航飛。圖1 中綠色航帶為分層航飛的分布情況。像控點布設應均勻分布在整個測區,測區最高點最低點及極高點極低點均需要加布像控點。最后通過三維建模軟件進行空三,得到圖1 的測區影像空三提點后點云,導入像控點坐標并進行像控點標記及空三平差,得到圖1 黃色圓圈狀的的像控點分布圖。

采用無人機搭載傾斜云臺進行航飛,獲得的原始傾斜照片采用三維建模軟件快速建模,獲得的實景三維模型在三維模型基礎上進行測量,得到大比例尺地形圖,同時可以測量坡度距離等信息,同時可以直觀看到地質情況,得到結論,給設計提供基礎資料。

2.3 系統優勢

利用無人機對目標區域進行航飛,無人機作為先進的生產工具和作業手段,與傳統勘測方式相比較具有多方面優勢：

2.3.1 精度高。目前無人機所搭載的專業單反數碼相機,有效像素優于6 千萬像素,通過計算,航飛地面分辨率優于0.05m,搭載在無人機上所拍攝的高清晰度數碼航片經數字化處理后,可以快速的生成實景三維模型,并繪制出精確的大比例尺的地形圖。

2.3.2 快速。無人機航飛相比于傳統人工建模獲取數據更加快速,不用再用傳統的測量手段進行逐點測量。

2.3.3 直觀性。獲取的三維實景模型從地物信息及顏色形態都跟實際對應,得到的三維實景模型更加直觀與真實,同時還可以直接在模型基礎上進行量測[5]。

2.4 最終成果

通過三維建模軟件對原始數據進行處理,得到OSGB、OBJ、FBX 等等多種格式的實景三維模型,為該項目最終實景模型成果,可以在多種三維平臺進行瀏覽和測量。三維平臺可以對實景三維模型進行加載、測量,近而得到地質體的幾何特性。

3 地質災害中的應用

3.1 地質災害簡介

我國地質災害頻發,損失巨大,其中常見的地質災害有山體滑坡、泥石流、堰塞湖、巖石崩塌、地裂縫、道路塌陷等等。高速公路修建時途徑路段采用三維傾斜攝影,對地質災害進行一個預判,可以減少損失,提升綜合防災減災能力,保障國土安全。同時,對整個地形進行航飛,可以解決困難地區人員無法到達現場以及危險地區人員勘察困難的難題,可以輕松在室內對地質災害區域進行識別及預判。

3.2 技術路線(圖2)

在實景三維模型的基礎上,通過三維地理信息系統軟件進行加載,由于目前模型精度可優于0.05m,可以直接在模型上非常清楚看到項目區地表的地質構造,同時可以用測量工具對裂縫進行測量,在模型上,人工對地災點進行不良地質體的判識并標注,地表覆蓋情況可以完整體現并提供報告素材,最后進行風險評估、穩定性計算以及處置措施。

3.3 傾斜攝影應用在地質災害的優勢

改進了傳統二維地圖識別解譯方式,使二維平面走向三維立體,實現了公路地質災害可視化,建立自動化的地質災害風險分析與預測模型系統,取代以往需要專家到現場判別地質災害預測模式,實現高效化、數字化、自動化的公路地質災害協同預判。

4 結論

本文針對無人機對地質災害區域進行航飛及三維建模方式進行詳細介紹,包括無人機的優勢和操作的便捷性,并概括了三維模型的優勢,同時詳述了傾斜攝影的航飛過程和數據處理的簡易流程。最后列舉地質災害類型及傾斜攝影在地質災害中的應用,通過人工判別地質災害,對地質災害進行預警分析,傾斜攝影技術是現在公路地質災害區域勘察以及設計不可缺少的手段。