小型無人機傾斜攝影建模在礦體地質調查評價中的應用現狀研究

謝志偉，謝維安，單慧媚，彭三曦＊，劉 路

（1.桂林理工大學地球科學學院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學，廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學，巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心，廣西 桂林 541004）

我國是一個地質災害頻發的國家。每年有數百人死于地質災害，嚴重威脅著人民生命財產安全，制約著地質災害頻發地區的經濟發展[1]。其中，危險礦體崩塌是山區高陡邊坡的主要地質災害類型之一，顯著特點是發生時間不確定、運動速度極快[4]，其在短時間內可造成巨大破壞，極大程度威脅礦區周邊人民群眾生命財產安全。盡管，我國在1990年建立的群體性監測防治體系在地質災害防治領域取得了較好的效果減輕了大量損失，但該預防體系對于特大地質災害的預防處置收效甚微[5]。災害發生后，應急調查作為地質災害應急處理的首要和基本環節，即在盡可能短的時間內為科學確定減災計劃提供盡可能準確、完整、詳細的相關信息[6]。然而，我國眾多地區地形地貌復雜，很難在短時間內將災害信息全面反饋，為救災指揮部提供決策支持[7，8]。為克服這一問題，衛星遙感技術迅速發展起來，國內衛星技術和激光雷達技術日益廣泛用于重大地質災害的應急調查和監測[9]。但衛星遙感存在重訪周期長、云層遮擋嚴重等困難缺點，嚴重阻礙了應急工作的有效開展[10]。當前，無人機以其操作簡單、響應迅速、高分辨率和機動靈活等特點，已廣泛應用于土地測繪[22]、地質調查[23]、災害監測[24]、氣象探測[25]、電力監測[26]、農業植保[27]等領域，其中，在地質災害調查與監測領域日益受到關注[11]。

小型無人機的應用最早開始于20世紀80年代，隨著通信技術和計算機技術的發展，各種新型傳感器的出現，其性能不斷的提高，通過搭載不同遙感傳感器、GPS差分定位系統、通信設備，可以快速、精準獲取各種環境遙感信息[12]。小型無人機在地質災害調查中主要應用于滑坡早期識別、災害調查、變形監測等方面，已經成為衛星遙感不可缺少的補充手段[13]。以無人機為平臺，傾斜攝影建模技術通過傳感器等設備進行信息的收集與儲存及傳輸等，從多個角度進行航拍，并記錄下圖像的高度、方向、坐標等信息，得到正射影像和傾斜影像，進而在建模軟件中對照片進行歸并處理，建立三維模型[14-16]。

無人機應用于不同類型礦山地質災害調查或監測時，不同建模方法導致監測結果存在不同程度的計算精度問題，嚴重時會導致錯誤的評價。基于此，本文以危險礦體崩塌這一常見的地質災害為例，通過對目前應用較多的Pix4D、Smart3D、PhotoScan建模軟件對危險礦體調查情況進行對比評價，重點總結小型無人機傾斜攝影在該領域的主要應用方法和存在問題，從而為地質災害的有效調查和防治提供理論和技術支持。

1 無人機傾斜攝影技術在危險礦體調查中的應用

1.1 危險礦體宏觀分析

目前國內消費級無人機的限高高度為500m，基本滿足無人機對危險礦體的航空拍攝需求。在該高度下，無人機基本可拍攝到危險礦體清晰的全貌圖像。而傳統的現場人工測量在此方面耗費時間長，工作量大，工作風險性高。即便是使用廣泛使用的衛星遙感技術，其獲取的圖像存在較大的滯后性，不能及時的服務于現場。例如在范宣梅等人對于貴州納雍“8·28”崩塌災害的研究中，谷歌地球衛星影像對于貴州納雍地區的最新影像為2014年，而通過無人機獲取的危險礦體正射影像清晰度甚至比衛星遙感影像更為及時準確。借助這些成果可以快速地對區域的整體地形地貌、危險礦體分布特征、危險礦體與危害對象的空間位置關系等形成宏觀分析，對危險礦體的性狀和形成機理也可以建立初步的認識。

圖1 “納雍‘8·28”崩塌’谷歌地圖衛星影像與無人機正射影像對比”

1.2 危險礦體體節理裂隙識別和測量

在礦體穩定性評價中，如何有效獲取礦體結構面信息是評價的基礎和關鍵。結構面信息包含產狀、間接及裂隙等參數。目前，礦體結構面野外勘察主要方法仍是使用地質羅盤和皮尺進行接觸式的測窗量測。這種傳統的方法準確性高、可靠性強，但也存在一定的缺陷，主要表現在：測量工作量大、人為因素干擾強、費時費力、甚至還有一定的危險性。例如：在高陡邊坡勘察中，很多構造點是勘察人員無法到達進行接觸測量的；在開挖邊坡現場，高危邊坡下量測的勘察人員具有潛在的傷害威脅。

目前可通過無人機航拍技術，對于獲取影像進行識別與解譯，建立目標體的三維模型，進而提取目標體的三維坐標及結構面幾何信息，實現無人機影像數據的獲取→處理→應用的完整作業流程。由于無人機拍攝的影像上每一個像素點都有其經緯度信息。所以可通過軟件瀏覽危險礦體三維模型并直接讀取巖體結構面的經緯度和高程信息。

根據不在同一直線上的三點確定一個平面的原理，則地質體結構面的平面方程式為：

（1）A=0時，則

（2）當A≠0時，則

其中

通過該方法結合少量的地面補充調查，可得到危險礦體的結構面產狀信息，采用赤平投影法即可對危險礦體進行穩定性評價。

1.3 危險礦體體積計算

在傳統的高位危險礦體積測量中，通過測量礦體的長度、寬度和高度來計算體積。由于測量方法的限制，結構面的組合關系往往被忽略。崩塌體的規模由主要控制結構面的空間組合、間距和延伸特征決定。傳統勘探方法難以準確獲取高位危險礦體結構面的姿態信息，無法準確計算崩塌體體積。無人機攝影測量技術能夠準確獲取危險礦體的空間結構特征并計算危險礦體體積。

針對危險礦體體積計算有規則體計算方法和不規則體計算方法。

危險礦體結構面聯合體積測量理論有以下基本假設：①結構面是貫穿礦體的平面，通過實際模型測量可以得到結構面的產狀；②切割形成的塊體為剛體，不考慮塊體本身的損壞；③礦體失穩是在荷載作用下沿結構面發生剪切滑移。對于受結構面控制的危險礦體，應根據結構面組合關系確定其體積。

在實際應用中，對軟件擬合的結構面進行分組，找出危險礦體的主要控制結構面。通過擴展結構面，可以通過空間組合關系得到危險巖體的體積。一般情況下，利用ploywork點云處理軟件對三組結構面進行擴展，并將結構面組合成危險礦體。王棟通過危險礦體結構面聯合體積測量理論對成昆鐵路吉爾木隧道所處的高山峽谷上方規則危險礦體體進行了測算（圖2）。

圖2 采用聯合結構面進行測算的危險礦體與切割體結構面組合示意圖（JA、JB、JD結構面控制危險礦體）

危險礦體結構面聯合體積測量理論主要應用于規則的礦體，而對于不規則的礦體，由于其形狀不受到結構面的控制，如果依舊使用規則體的計算方法，產生的誤差較大。而Smart3D可在三維建模后，在模型體中假定一個破裂面，軟件會自動對平面進行擬合，并對危險礦體進行切割，提取出危險礦體體積。如圖3對不規則的危險礦體進行了體積測算。

圖3 Smart軟件中對于危險礦體假定平面的劃定及自動計算

2 無人機建模軟件與方法

無人機傾斜攝影測量獲得的三維模型，可全方位無死角的快速再現地質災害體及其周圍的真實場景，清晰顯示地質災害體的類型、規模、區域范圍和地形，直觀、準確地識別地質災害體的形態特征。

通過三維模型可讀取任意點的高程值和任意兩點之間的高差、坡度、坡向等信息，為研究大規模地質災害提供了三維參數。結合地面調查和監測數據，可以快速解釋和評價地質災害體的特征和影響，為現場應急調查和分析提供理論依據和數據支持。

目前市場上應用比較廣的傾斜攝影建模軟件有：美國 的Pictometry， 法 國 的Smart3D（ContextCapture）、StreetFactory，瑞士的Pix4DMapper，以色列的VisionMap等。國內用的最多的是Pix4D、Smart3D和Photoscarn。主流的建模軟件為Pix4D和Smart3D，目前的建模精度已經符合《三維地理信息模型數據產品規范》Ⅰ級標準，可以應用到大部分實際生產項目中。

結合表1可發現，目前無人機傾斜攝影建模應用主要是基于建立真實紋理三維模型，由于傾斜攝影測量建模方法的特殊性，即數據一體性，生成的三維網格數據為一個完全整體。綜合對比評價Pix4D的操作更為簡便快捷，而Smart3D的處理穩定性更好更適合大型項目，二者在不同的項目需求中各自有優勢。

表1 國內常用傾斜攝影建模軟件對比

3 無人機傾斜攝影測量應用現狀與存在問題

危險礦體是潛在的崩塌體。其主要特點是：①所處的位置通常是高差大或坡體是孤立陡峭的山嘴，坡體前有巨大臨空面的凹形陡坡；②危險礦體內裂隙發育，巖體結構不完整，有大量與斜坡傾向一致或平行延伸的裂隙或軟弱帶；③危險礦體上二部已有拉張裂隙出現，并不斷擴展。崩塌災害主要發生在云南、貴州、四川、廣西、湖南、湖北、江西等省份。

針對危險礦體的主要特點，無人機傾斜攝影測量獲取的高分辨率影像資料和真實的三維模型可實現對危險礦體形狀分布特征和微區地形特征的準確描述，準確提取地質災害屬性信息。例如通過無人機航拍傾斜攝影提取的山體點云數據，對礦體的裂隙、結構面等幾何特征進行快速識別，分析潛在崩塌災害。

此類應用主要推廣應用于例如高原復雜山區對于危險礦體的識別、高陡邊坡體上危險礦體的識別等相較傳統勘察手段低效難度大的項目地區，可以大大降低勘查人員的工作危險。

此外，多次連續飛行獲得的圖像和三維模型還可以監測災害體并掌握其隨時間變化的特征，測算危險礦體傾向傾角陡傾變化，實現對于危險礦體的監測。

我國崩塌地質災害大部分分布于西南山區，山區特點主要是地形地貌起伏較大，植被覆蓋度高。無人機在獲取影像時，大部分鏡頭受光源條件影響較大，存在弱光條件下曝光不足或山體陰影遮擋目標等問題，這是無法通過人工補光解決。

另外，植被覆蓋度較大的山區，紋理比較單一，而山區有較多危險礦體被草木覆蓋，其識別效果較差。部分山體起伏較大，無人機影像較容易出現幾何畸變，在提取特征點時會存在著較多的粗差點，影響影像的匹配。

4 結論與展望

我國關于無人機傾斜攝影建模技術在于危險礦體的勘察評價應用中已經逐步推廣，目前無人機傾斜攝影三維建模的應用停留于幾何應用方面。這是由于無人機傾斜攝影測量建模的數據一體性所決定的，即在建模的過程中不能一并將地質體信息錄入并在模型中進行演算。導致利用無人機傾斜攝影建模技術進行危險礦體調查評價工作強烈依賴于地面調查和人工測量基礎。

由于危險礦體本身具備的隱蔽性，加上無人機傾斜攝影技術本身受到光源條件、氣象條件的影響，即在兩者條件惡劣的情況下所拍攝航片會影響建模精度，因此，在某些程度上無人機傾斜攝影無法完全替代人工勘察。今后的研究中，應著重發展無人機建模與數值分析模擬的融合技術，進一步提高無人機技術的穩定性，解決其獲取影像時光源問題，例如，建模時減少影像的畸變等。從而為小型無人機傾斜攝影技術在危險礦體的精準識別和科學建模提供便利，拓展其在危險礦體防治工作的應用前景。