无人机三维建模技术在边坡危岩体勘查中的应用

刘梦亮，左三胜

（成都理工大学，四川 成都 610059）

危岩体是指受多组岩体结构面切割，并位于矿山陡崖上的稳定性较差的岩体块体及其组合[1]。危岩体往往具有突发性、随机性和难预测等特点[2]，危岩体多发生于深切矿山两侧边坡、道路边坡和矿山边坡，其危害性与破坏性极大，如位于长江西陵峡西段兵书宝剑峡出口处的链子崖危岩体，是一处典型的危岩体，历史上曾发生多次大规模的崩滑，造成堵江断航的严重灾害。因此对大型矿山危岩体的勘查与防治是非常有必要的。

无人机三维建模技术是近年来兴起的矿山地质灾害研究技术手段[3，4]，具有快捷、高效和低成本等优势，能够实现科学调查和数据处理，不仅提高了效率而且成果准确可靠，并多次危岩体灾害调查中应用。无人机三维建模技术结合影像数据处理、三维建模和数据分析技术方法，能够完成边坡危矿山地质灾害调查工作；也可完成危矿体的判别、结构面产状及卸荷带走向、宽度的识别，是传统卫片和航片遥感方式的极大突破[5]。无人机三维建模技术在快速获取高分辨率三维模型方面具有显著优势，可以极大提高复杂矿区边坡危岩体勘查的效率和精度。

1 无人机影像数据采集与处理

1.1 危岩体影像数据采集

通过现场对桑坪矿区边坡勘查，边坡高差在120m左右，长度约为180m，边坡坡度近垂直。本次飞行采用的无人机为大疆INSPIRE 1四旋翼无人机，对边坡危矿体进行了正射航拍和倾斜航拍。

共布置了7飞行架次（图1），首先进行了对边坡所在矿区进行的正射航拍，然后按照15°、30°、45°、60°、75°和90°倾角[6]，边坡的危岩体的立面影像数据，对需要重点研究的范围，即危岩体发育的高陡斜坡、裂缝发育部位等，进行悬停精细拍摄，获取更为精细的数据，最终共获取582张航拍照片。

图1 无人机航线规划图

1.2 影像数据处理

桑坪矿区危岩体影像数据处理选用了Acute3D Context Capture Center处理软件。Acute3D Context Capture Center，该软件自动化程度高、操作简单、运算速度快以及处理容量大的优点。

Acute3D Context Capture Center将数据处理过程分为以下四个步骤。

（1）初始化处理。将带有POS照片数据导入软件后，软件会自动对相机参数进行校正，提交空中三角测量，这个过程同时会对飞行照片的参数进行一个快速检测，如地面分辨率（GSD）和影像信息完整性等。

（2）任务分配。在初始化处理完成后，被提交的任务会被Context Capture Master自动分解成几个不同的小任务，即形成多个Job queue。

（3）生产三维模型。在这个步骤中可选择三维网格参数选择高分辨率模式，其具体分辨率根据计算机性能和照片数量的大小决定。

（4）生产正射影像图和DSM。通过得到的三维模型可以生产出相应的正射影像以及DSM。

2 三维模型在边坡危岩体勘查中的应用

2.1 危岩体的判别与分类

研究人员以深入的野外地质调查为基础，借助先进的无人机航测技术得到的三维模型等成果进行分析，从各角度对边坡危岩体进行细致的分析与测量，完成了对边坡危岩体的判别、定位与几何特征信息的提取，并结合现场勘查确定了桑坪矿区边坡发育危岩体69块。

（1）危岩体破坏形式分类

根据矿山危岩体破坏的类型将边坡危岩体分为四类，即孤立式、坠落式、滑移式、倾倒式。

边坡危岩体数量最多的类型为坠落式危岩体，占总量的42.0%，滑移式、倾倒式和孤立式危岩体分别占26.1%、24.6%和7.3%。

边坡岩性主要为绢云母千枚岩，河谷下蚀速度快，卸荷强烈，因此容易形成高陡斜坡，加之差异风化、地震、人类工程开挖的作用，边坡凹腔发育，因此，坠落式危岩体发育最为广泛。

（2）危岩体危害性分类

危岩体危害性分类由危岩体的稳定性、威胁对象重要性和可能造成的经济损失决定，将危岩体危害性分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类。

其中危害性大的Ⅰ类危岩35块、危害性中等的Ⅱ类危岩19块、危害性小的Ⅲ类危岩15块。

2.2 危岩体特征的提取

通过使用软件Acute 3D Viewer模块，在三维模型上对每个危岩体的尺寸及体积进行量取，并根据矿产体积大小对危岩体的规模进行划分，大型危岩体（≥100m3）为6块，占8.7%；中性危岩体（20m3＜V＜100m3）为29块，占42.0%；小型危岩体（≤20m3）为34块，占49.3%。

在PolyWorks软件中导入obj格式的三维网格，在危岩体结构面上构建平面，对危岩体的结构面进行产状的提取。

3 无人机遥感技术的应用优势

（1）监测效率高

在无人机遥感技术中，最核心的问题就是监测效率。例如，在矿山勘查过程中，出现复杂地质等紧急事件，如果采用监测效率低的技术手段，肯定会延误矿山勘查的最佳处理时间，并造成巨大损失。而无人机遥感技术最大的优势就是监测效率高，所以，在矿山复杂地质勘查过程中，无人机遥感技术可以在无人的情况下进行准确的监测，并且可以更加高效率的解决问题。

（2）监测尺度大

如果想要获得良好的矿山地质监测效果，就要求能够实施小范围内的监测，无人机遥感测绘技术现在以及可以完成对小范围物体的监测。该项任务的实现，使得无人机遥感测绘技术的监测尺度得到了很大的扩展，大大增加了矿山地质工程测绘范围的伸缩性。另一方面，应用无人机遥感测绘技术，可以通过三维形式将目标地区的实际情况反应在相应设备当中，提高测绘的直观度。

（3）信息处理速度快

在进行矿山地质目标区域监测中，无人机遥感技术能够快速处理各方面的信息，同时具有较高的分辨力，提高了矿山地质信息采集效率，也提高了信息的精确度，保证测绘质量。

（4）与其他系统结合程度高

如果在矿山地质测绘工程中使用单一的遥感技术，有可能出现一些漏洞，即使是无人机遥感技术也同样具有该项缺陷，所以，为了提高遥感技术使用的效果，可以将不同的遥感系统进行结合，各个系统之间优缺点互补，解决单一系统中的漏洞。无人机遥感技术能够与其他系统充分结合，提升遥感技术的监测效果。

4 结论

通过利用无人机三维建模技术对桑坪矿区边坡进行勘查研究，主要得到结论：

（1）经过对勘查资料的整理与分析，共确定了桑坪矿区边坡危岩体69块，按照危岩体破坏形式分类，其中坠落式29块、滑移式18块、倾倒式17块、孤立式5块；按照危岩体危害性分类，其中危害性大的危岩体为35块，危害性中等的危岩体为19块，危害性小的危岩体为15块。

（2）无人机三维建模技术在边坡危岩体灾害勘查中，可以获取边坡危岩体的精确位置、几何特征、岩体结构特征、边界条件等信息，对边坡危岩体的类型、发育分布规律进行了研究，为边坡危岩体的防治提供了技术支持。

（3）利用无人机对桑坪矿区边坡危岩体勘查的技术方法，查明了边坡危岩体灾害，其结果准确可靠，使得该勘查研究技术方法为无人机在矿山边坡勘查等方面应用提供了依据。