無人機近景測量技術在高陡邊坡地質調查中的應用

馬丹璇 張丙先 謝建波 王銳 王寺響

摘要：在高山峽谷區對高陡邊坡進行地質調查一直是地質工作者面臨的難題?；跓o人機傾斜攝影技術，采用近景攝影測量方法對高陡邊坡進行三維實景建模，獲取邊坡的高精度三維模型?；谌S影像進行地質解譯工作，辨識主要的物理地質現象?；谌c法提取巖體結構面產狀并進行統計分析，從宏觀的角度推測不良地質現象對工程的潛在影響，并提出處理措施建議?？偨Y出一套無人機近景攝影測量技術在高陡邊坡地質調查中的應用方法，彌補了傳統人工調查工作的不足。

關鍵詞：高陡邊坡;地質調查;傾斜攝影;無人機

中圖法分類號：P231文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.007

文章編號：1006 - 0081（2021）10 - 0038 - 05

0 引 言

中國西南地區以山地為主，河谷縱橫交錯，水能資源豐富，是目前水利水電工程建設的主要地區。但該地區地質結構復雜，河谷兩側巖體陡峭，其中高陡邊坡所引發的地質災害是影響工程建設和人民生命財產安全的重要風險因素之一，對邊坡地質條件的掌握和描述是進行高陡邊坡穩定性評價的基礎。而對于地形條件復雜的高陡邊坡而言，傳統的野外地質編錄手段因其操作難度大、精度低、人員安全無法保障等問題已經不再適用。隨著技術的發展，新型技術手段在輔助野外地質調查方面的應用越來越廣泛，主要體現在三維激光技術與近景攝影測量技術兩個方面。

國內最早將三維激光掃描技術應用在巖體結構測量方面，董秀軍等[1]詳細闡述了三維激光掃描技術在巖體結構測量中的可行性及實現方法。其后，三維激光技術在滑坡監測[2]、邊坡穩定性分析[3]等方面均得到良好應用。但由于三維激光設備價格昂貴，核心元器件易損壞，使用及維護成本較高，且測量過程中需要儀器固定，掃描范圍有限，致使該技術只適用于淺層巖體結構的調查測繪，對于落差較大的高陡邊坡以及大范圍的復雜地形則有一定的局限性。

早在20世紀90年代，國內就開始探索利用攝影測量技術進行地質編錄的方法[4]，目前已能夠利用普通數碼相機實現高精度的巖體結構面數字識別與信息提取[5]?；诮臧l展起來的SfM（運動結構算法）算法，結合基于圖像的三維建模技術，能夠創建具有真實紋理特征的高精度三維實景模型[6]。但傳統方法數碼影像采集設備需在地面架設，應用于高陡邊坡場景時，由于距離坡腳和坡頂的落差較大，會造成較大的影像畸變而影響最終成果的測量精度。

隨著近些年無人機技術的飛速發展，行業用無人機朝著小型化、智能化、集成化方向發展，使用門檻越來越低，基于低空低速的輕小無人機傾斜攝影技術很好地解決了上述兩種方式的痛點。無人機可以抵達目標巖體任意高度的臨空空間，能夠快速獲取目標巖體的空間影像信息，加上近年來機載RTK（實時動態差分）技術的興起，能夠實現免像控點的三維實景模型創建，特別適合高陡邊坡這種不利于像控點布設的應用環境。

1無人機近景攝影測量技術

1.1 仿地飛行

采用傳統方式進行無人機低空攝影測量時，不管是進行正射影像還是傾斜攝影測量，飛行路線一般都設定在固定高度。對于坡度變化大的高陡邊坡，處于不同高度地物的影像分辨率不同，后期進行空三解算時難以達到整個模型精度的統一，因此，坡度變化大的高陡邊坡一般利用固定翼類型的中大型無人機進行比例尺1∶2 000～1∶5 000精度的航空攝影。近些年隨著輕小多旋翼無人機技術的迅猛發展，使無人機更能貼近被測對象飛行，獲取的影像分辨率更高，可提供厘米級精度的航空影像測量成果。

為了保證邊坡三維模型精度的一致性，本次應采用仿地飛行方式進行作業（圖1），無人機航線不固定，根據地面起伏自主調節飛行高度，與被攝地物始終保持固定航高，能夠最大程度保證整個邊坡各高程模型精度的統一，提高成果質量。

1.2粗略地形數據獲取

無人機進行仿地飛行前需要獲取測區的DSM（數字表面模型）或DEM（數字高程模型）數據作為仿地飛行線路規劃的參考數據，一般首選DSM，對于地表植被較少、沒有高大建筑物的測區，可使用DEM代替DSM。獲取的方式主要有兩種：

（1）基于公開的DEM數據。目前覆蓋全國的免費DEM數據有SRTM（分辨率90 m/pix）、ASTER GDEM（分辨率30 m/pix）、ALOS（分辨率12.5 m/pix）可供下載。

（2）利用無人機預掃生成。采用2D正射的方法對測區進行預掃后在空三軟件中進行預合成，一般飛行高度在數百米，航向及旁向重疊率大于50%即可。該種方法生成的數據較公開數據更為精細，可以更好地實現仿地飛行。

1.3 創建精細三維實景模型

將粗略地形文件導入飛行器管理軟件中進行仿地飛行線路規劃，飛行高度一般設置在100 m以下，航向及旁向重疊率均大于70%，采用傾斜攝影方式對測區進行多角度拍攝，后期在空三軟件中進行高精度實景模型的創建，通過POS點校正或者RTK免像控方式獲取的模型精度能夠達到厘米級。

1.4 巖體結構面產狀提取

邊坡巖體結構特征控制著巖體的力學性質并影響邊坡的穩定，其中巖體結構面產狀是最為重要的理論分析數據。三維實景模型保留了真實的紋理信息和立體空間信息，地質人員可在模型上解譯出邊坡巖體的結構面。由巖體結構面產狀傾向、傾角的定義可知：要測定巖體結構面的產狀，只需確定巖層所在平面的法向量即可。三維實景模型的坐標系統參照無人機搭載的GPS傳感器所獲取的空間三維坐標系（圖2），在結構面上適當選取不共線3點創建擬合平面，利用3點的經度、緯度及高程信息便可計算其產狀。提取多組產狀數據進而統計分析，并劃分優勢結構面產狀，作為邊坡穩定性評價的參考數據。

假設提取同一結構面不共線3點坐標分別為P1（x1，y1，z1），P2（x2，y2，z2），P3（x3，y3，z3），根據空間平面坐標方程Z=AX+BY+C，則可列：

[x1y11x2y21x3y31×ABC=z1z2z3]

法向量坐標A，B，C可表示為

[A=（y2-y1）（z3-z1）-（y3-y1）（z2-z1）]

[B=（x3-x1）（z2-z1）-（x2-x1）（z3-z1）]

[C=（x2-x1）（y3-y1）-（x3-x1）（y2-y1）]

根據產狀與空間平面坐標方程參數的對應關系，可量化計算出傾角α和傾向β：

[α=arccosCA2+B2+C2]

[β0=arctanBA]

式中：當A<0時，[β= β0，? ? ? ? ? ? B≤0 β0+2π， B>0];當A>0時，[β=β0+π]。

2應用實例

2.1工程區概況

扎拉水電站為西藏玉曲河干流下游河段七級開發方案中的第六級，采用混合式開發方式，其中廠址區位于林芝地區察隅縣察瓦龍鄉據水村下游，預可研階段提供了上、下兩個廠址進行方案比選，后邊坡坐落于廠址區北側，緊鄰廠址（圖3）。廠址后邊坡河道至坡頂高程范圍約2 040～3 200 m，邊坡高差超過1 100 m，地形坡度一般30°～50°，為典型的高陡邊坡，其穩定性對廠房，乃至整個水電站的運營安全都有著重要影響。

2.2獲取高精度三維實景模型

飛行器使用大疆精靈4RTK版本，首先采用2D正射方式進行預掃，起飛點選擇近坡頂處，行高設置最大500 m，鏡頭角度90°，航向與旁向重疊率設置為50%即可，采集相片185張，后處理軟件借助Metashape軟件進行，生成的DEM數據分辨率達到9 m/pix（圖4），滿足仿地飛行的精度要求。

將DEM數據導入飛行管理軟件進行仿地飛行線路規劃，相對航高設置為100 m，鏡頭角度30°，航線按照3D傾斜攝影模式設置，航向與旁向重疊率分別設置為80%和70%，開啟無人機網絡RTK功能進行免像控航測飛行，采集相片6 248張。

將相片導入Metashape軟件進行后期處理，按照軟件中預設的流程（圖5）進行自動處理，生成邊坡的高精度傾斜模型，成果影像地面分辨率為每3.32 cm/pix，邊坡巖體結構面特征清晰可見（圖6）。

2.3 基于三維實景模型的地質解譯

基于三維實景模型進行地質解譯，從宏觀上判斷邊坡出露基巖呈單斜構造，總體呈反傾邊坡，正常層面傾北東，板理（層理）傾北東—南東，傾角一般為24°～50°，變化較大（圖7）。解譯識別出在上廠址西側后山坡中部有一滑坡體，滑體東側緣溝壁可見較為明顯的滑帶，呈灰黃色（圖8）。在模型上量測得到滑坡前緣高程2 555 m，寬157 m，后緣高程2 747 m，通過最佳擬合平面方法計算方量約60.6萬m3?；麦w中、前部地形坡度約40°，后緣為陡崖，地形坡度約50°，初步判斷為基巖切層滑坡。通過模型提取滑動面空間信息計算得到的滑動面產狀為N55°W/42°SW。

在上廠址東側后山坡中上部和下廠址邊坡下部發現碎石流分布（圖9）。上廠址碎石流堆積體在模型上測得前緣高程2 420 m，寬330 m，后緣高程2 649 m，縱長376 m，地形坡度約40°，選取最佳擬合平面法計算方量約27.3萬m3。下廠址邊坡碎石流堆積體前緣高程2 086 m，寬116 m，后緣高程2 150 m，縱長100 m，地形坡度約40°，計算方量約1.5萬m3。

通過解譯發現在約2 700 m高程至坡頂范圍邊坡巖體結構較破碎，坡體上部發育由卸荷產生的拉張裂隙，多張開。在坡頂高程3 000～3 100 m范圍識別出一區域性斷裂發育（圖10），斷裂走向北西，斷面傾北東，傾角近直立，斷裂帶出露寬度5～15 m。邊坡表層基巖普遍有傾倒變形現象，傾倒后產狀變化較大。突出的巖體被陡傾切層卸荷裂隙切割并張開，在自重及卸荷的作用向后緣延伸貫通后拉裂墜覆，形成圈椅狀裸露巖層（圖11）。

針對中上部邊坡巖體在模型上提取有效裂隙面產狀188條，赤平投影至等密度網上繪制裂隙等密圖（圖12），得到邊坡巖體優勢產狀分為兩組：①走向60°～90°，傾向330°～360°，傾角56°～89°;②走向320°～350°，傾向240°～260°，傾角60°～85°。

2.4邊坡整體評價與建議

滑坡體在模型上未見新近變形及繼續滑動跡象，整體基本穩定。測量得到滑坡體前緣距離上廠址水平投影距離大于800 m，對廠區主體工程影響較小。在三維模型中可見上廠址邊坡碎石流分布區坡面上有零星植被生長，整體處于穩定狀態，且前緣距離上廠址水平投影距離大于500 m，對廠區樞紐主體工程基本無不利影響。

下廠址邊坡碎石流分布區雖處在尾水洞工程施工范圍內，但考慮到其方量較小，對工程的影響較小，施工前只需清除即可。

對廠址區影響較大的為邊坡中上部發育的卸荷及傾倒變形，這些區段巖體風化卸荷作用強烈，裂隙發育，邊坡巖體結構破碎，推測在地震作用下可能會發生局部塊體崩塌，滾落的巖塊可能運動至廠房位置，建議采取攔擋措施，以應對安全儲備稍顯不足的區段巖塊崩落的不利影響，確保廠房安全運行。

3 結 論

（1）對于高陡邊坡而言，采用無人機近景測量技術避免了地質人員調查的危險。外業作業時采用仿地飛行方式能夠獲取高陡邊坡的高精度三維實景模型，克服了巖體結構面統計的局限性，可以為后續工作提供可靠的參考模型。

（2）三維實景模型保留了真實的空間信息數據，具有真實的自然紋理，通過地質解譯可以準確識別出滑坡、碎石流、傾倒變形體等各種不良地質現象，測量其空間信息、分布位置及方量大小，統計計算巖體優勢產狀，能夠極大提高野外地質調查工作的效率。

（3）目前利用無人機近景測量技術開展高陡邊坡穩定性評價還只能從宏觀表層進行初步判斷，今后還要進一步拓展至傾斜模型數據與工程計算分析類軟件的數據共享，通過三維數值模擬得出更加準確專業的工程評價數據。

參考文獻：

[1] 董秀軍，黃潤秋. 三維激光掃描技術在高陡邊坡地質調查中的應用[J]. 巖石力學與工程學報， 2006， 25（增2）： 3629-3635.

[2] 劉文龍，趙小平. 基于三維激光掃描技術在滑坡監測中的應用研究[J]. 金屬礦山，2009（2）：131-133.

[3] 宋杰，胡輝，RAFIG A. 基于LiDAR技術的節理巖質邊坡有限元分析[J]. 巖石力學與工程學報， 2013， 32（增2）： 3972-3978.

[4] 李浩，張友靜，吳繼敏. 用近景攝影測量方法進行邊坡地質編錄[J]. 工程地質計算機應用，1999，13（2）：18-20.

[5] 王鳳艷，陳劍平，龐賀民. 應用數字近景攝影測量提取巖體裂隙跡長信息方法研究[J]. 世界地質，2006，25（1）： 39-42.

[6] 高偉，何宏林，鄒俊杰，等. 三維圖像建模在古地震探槽研究中的應用[J]. 地震地質，2017，39（1）：172-181.

（編輯：江 文）

Application of UAV close range measurement technology in geological survey of high and steep slope

MA Danxuan，ZHANG Bingxian，XIE Jianbo，WANG Rui，WANG Sixiang

（Changjiang Geotechnical Engineering Corporation，Wuhan 430010，China）

Abstract：It is always a difficult problem for geologists to carry out geological mapping of high and steep slopes in high mountain and gorge areas. In this paper， based on UAV tilt photography technology， the approach photogrammetry method is used to model the high and steep slope， and the high-precision 3D model of the slope is obtained. Based on the high-precision 3D model of geological interpretation work， the main physical and geological phenomena is identified. Based on the three-point method， the occurrence of rock mass discontinuity is extracted and statistically analyzed， and the potential impact of adverse geological phenomena on the project is inferred from the macro perspective， and the treatment measures are proposed. A set of application method of UAV close range photogrammetry technology in high and steep slope geological survey is summarized， which can make up for the deficiency of traditional manual survey.

Key words： high and steep slope; geological survey; tilt photography; unmanned aerial vehicle （UAV）