無人機傾斜攝影測量技術在地質災害隱患調查中的應用研究

閆燁琛,高學飛,于向吉，袁婷婷，席雪萍

（天津市地質工程勘測設計院有限公司，天津 300000）

地質災害對人類生命財產安全威脅極大，隨著人們對礦產資源的開采，道路交通的建設，居民住宅的傍山而建等，使得原本穩定的地質體逐漸松動，失去原有的平衡而處于不穩定狀態，在地震或暴雨等條件誘發下極易引發崩塌、滑坡或泥石流等災害。面對如何預防或者降低地質災害對人類生命財產安全的威脅，一直以來都成為地質工作者面臨的主要矛盾。從而探究如何快速有效地監測預警各類地質災害隱患的方法和手段是當前亟待解決的問題[1]。近年來隨著無人機技術的逐漸成熟與快速發展，其所表現出來的操作簡易便捷、作業迅速高效、精細準確、適用范圍廣及生產周期短等特點，致使其在地質災害隱患調查及地形測繪等領域應用優勢明顯[2]。尤其隨著無人機傾斜攝影測量技術的發展[3]，將航測攝影與地面實景三維空間更加高效地結合。本研究采用大疆經緯M300 RTK無人機搭載睿鉑D2M傾斜相機鏡頭，通過傾斜攝影技術快速獲取地物影像數據，進行室內構建實景三維模型及量測分析[4]，實現高精度的實景三維信息獲取[5]，并通過無人機傾斜攝影測量獲取的實景三維影像信息精確識別、提取地質災害隱患信息[6]，為地質災害隱患識別及提前預防提供技術支持。

1 無人機傾斜攝影

1.1 無人機航測-無人機、鏡頭型號及其參數

規格參數：睿鉑D2M為五鏡頭，其中間為正射鏡頭，作業時垂直于地表進行拍攝，分布在東、南、西、北方向的為傾斜鏡頭，以45°的姿態進行拍攝。相機外形尺寸：145 mm×145 mm×105.5 mm；相機整體重量：840 g；相機焦距：正射25 mm/傾斜35 mm；CMOS數量：5 pcs；傳感器尺寸：23.5 mm×15.6 mm；相機單鏡頭像素2 400萬；總像素：1.2億；最小曝光間隔：≤0.8 s（圖1、圖2）。

圖1 經緯M300 RTK

圖2 睿鉑D2M

1.2 無人機航測-影像信息采集

本次研究區位于天津市薊州區，測區面積為173 518 m2，通過前期收集資料及實地踏勘后，進行航線規劃，飛行高度120 m，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，共11條航線，對測區進行了傾斜攝影測量，共采集照片1 955張，如圖3所示。

圖3 航線規劃圖

本次航測以大疆經緯M300 RTK+睿鉑D2M為載體，由于大疆經緯M300 RTK將高精度導航定位系統引入無人機，經緯M300 RTK集成RTK模塊，通過RTK模塊可為無人機提供實時厘米級定位數據。滿足本次研究的精度要求，所以本次無人機影像信息采集過程中采用了免像控點技術，這樣極大地提高了工作效率。

2 實景三維建模

本次研究利用Context Capture軟件構建實景三維模型，Context Capture軟件是由美國Bentley公司出品的一款目前被廣泛使用的三維實景建模軟件。通過CC軟件新建工程，加載無人機傾斜攝影獲取的數據，進行空三計算，構建實景三維模型。

2.1 技術路線

技術流程如圖4所示。

圖4 技術流程

2.2 建模流程

新建工程和加載影像如圖5和圖6所示。

圖5 新建工程

圖6 加載影像

空三計算是通過無人機傾斜攝影外業測量的地面像控點位置信息，在室內無人機影像處理過程中輔助確定全部影像的位置信息元素，從而得到更多加密點三維坐標的測量方法。隨著科技的進步與發展，目前研究空三計算主要采用包含GPS數據及IMU數據的pos數據輔助完成解算[7]。在實際航測作業中，無人機通過在測區空間中某一位置對目標地物進行航測，獲取該組鏡頭所處位置的姿態角及空間位置信息，從而生成航測瞬間的pos信息，該信息包括該組鏡頭航測瞬間所處位置的高程、經緯度、航向角、俯仰角及翻滾角信息。然后利用獲取的pos信息進行區域網平差計算求解出所攝區域未知點的坐標信息。根據空三計算的結果有效還原了無人機影像數據在測區中航測時的空間信息，完成實景三維模型框架的初步構建。

空三計算的關鍵取決于航測過程中獲取pos數據的精度，它將直接影響到后期構建研究區實景三維模型的質量和精度。傳統的單鏡頭無人機只能通過1個鏡頭作業獲取pos數據參與計算，本次研究中無人機傾斜攝影測量技術采用5個鏡頭同時拍攝，從而聯合5個鏡頭的pos數據參與計算，極大地降低了由于pos數據單一而導致的計算結果誤差，顯著提高了計算精度，增加了后期構建實景三維模型的質量和精度。

三維實景建模如圖7－圖9所示。

圖7 傾斜攝影空中三角測量計算

圖9 實景三維模型

3 地質災害信息解譯

基于對研究區構建的實景三維模型，進行地質解譯和地質信息采集。不僅可實現對研究區的野外場景重現，有助于地質工作者對研究區的現狀進行觀察和理解，而且可借助無人機傾斜攝影測量成果進行室內解譯并對地質研究工作中重點關注的地質點、線、面、體等地質信息進行識別、量測、提取和分析。主要包括對各種地質對象的空間位置坐標、地質界線、地層巖性、層面產狀及節理、地質災害隱患區分布范圍、體積方量以及野外調查重點區域和調查可行性等信息進行提取，為地質工作者提供更為全面更為豐富的地質信息。

圖8 三維實景建模

通過三維模型可以獲取本次研究區的地質災害動態影響面積為16.21 hm2，其中災害分布范圍區為7.06 hm2，災害影響范圍區為9.15 hm2。災害隱患源主要為巖體崩塌，四至坐標：X1:530853，Y1:4437496；X2:531155，Y2:4437372；X3:531244，Y3:4437527；X4:530984，Y4:4437949。節理為95°∠30°。隱患區巖體分層現象明顯，巖體分層厚度在30~50 cm，巖體大多都呈現碎裂結構且分化明顯，如遇地震或暴雨等外營力作用，破碎巖體極易發生滑移或者崩落（圖10、圖11）。

圖10 災害區動態范圍獲取

圖11 災害點隱患識別分析圖

利用無人機傾斜攝影測量技術對該地質災害隱患區航測獲取地物信息，通過室內構建的高清實景三維模型可以高效、精準地識別危險源，提取隱患區裸露破碎坡體的各類地質信息，尤其是針對該隱患區災害隱患源的識別及其分布現狀信息的提取與分析。相比于傳統的地質調查方式，這種非接觸式獲取地質災害隱患區災害信息的技術在精度、效率、安全性等方面都有著明顯的優勢，為災害區的人身財產安全防護及后期的地質災害治理等工作提供科學依據。

4 結束語

通過本次研究可知，在地質災害隱患調查工作中通過無人機傾斜攝影測量技術對地質災害隱患區航測數字化地物信息，構建研究區高清實景三維模型并進行災害源識別、災害體量測及分析，不但在研究方法上具有創新性，也可高效安全地提取地質災害隱患區關鍵致災因素。相比于光學遙感三維模型或傳統的單鏡頭無人機航測成果，本次研究構建的實景三維模型更具高清分辨率，為地質災害的精細化研究提供更精準可靠的模型依據。綜上可知，無人機傾斜攝影測量技術在地質災害隱患調查中具有廣闊的應用前景，為地質工作者的研究提供了更全面、可靠的研究區現狀信息，加快了對地質災害信息的識別、預防及治理工作。