基于小型无人机的三峡库区地质灾害全景与三维展示平台研究

王悦，贾雨欣，徐子一，付超，张端淼，邓永煌，黄海峰

（1.三峡大学，湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站，宜昌443002；2.宜昌市地质环境监测站，宜昌443002）

0 引言

习近平总书记指出：“长江拥有独特的生态系统，是我国重要的生态宝库。当前和今后相当长一个时期，要把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护，不搞大开发。”[1]这深刻揭示了建设长江生态文明的重要性和必要性。而地质灾害防治是生态文明建设中的重要组成部分。针对地质灾害防治，“两个坚持、三个转变”[2]中指出要“坚持预防为主，努力把自然灾害风险和损失降至最低”，并提出“实施自然灾害监测预警信息化工程，提高多灾种和灾害链综合监测、风险早期识别和预报预警能力”等若干重点工程建设。

三峡库区地质环境脆弱，历来就是我国地质灾害多发区[3]，如1985 年6 月12 日发生的秭归新滩滑坡，就直接摧毁了整个新滩古镇[4]。随着三峡工程的建设与运营，库区高水位蓄水以及每年大幅度水位升降，叠加汛期降雨以及密集的人类工程活动，使三峡库区的地质灾害更呈高发态势[5-6]，如2003 年7 月就发生了秭归千将坪滑坡，共造成14 人死亡、10 人失踪以及重大经济损失[7]。国家历来重视三峡库区的地质灾害防治工作，从三峡蓄水之初就开始实施库区地质灾害监测预警工程，这对保障三峡工程以及库区人民生命财产安全发挥了极其重要的作用。如今，三峡库区地质灾害防治已进入后续规划阶段，虽然成绩斐然，但库区的地质灾害形势仍十分复杂、严峻，为此，持续探索地质灾害监测预警信息化方法，加强地质灾害风险管理能力与水平，对于三峡库区仍然非常重要。

近年来，随着无人机遥感技术的迅猛发展，其开始被应用到地质灾害行业[8]。例如，采用无人机遥感开展地质灾害调查，能够快速获得较大区域范围内的高分辨率地形与影像等成果，不仅能提高现场工作效率，而且可以获得形象直观、可视化效果极佳的丰富信息[9]。这其中，随着小型无人机的快速发展以及人们对大视域全景图像需求的迅速增加，虚拟全景与三维实景模型制作技术都得到了快速提高，其成果也深受专业人员与普通大众喜爱。目前，相关技术已在诸多领域如航空航天、医学、旅游、房地产、地质勘探等得到了广泛应用[10]。

为进一步加强三峡库首区域地质灾害监测预警信息化水平，提高综合监测和预报预警能力。本文采用小型无人机、720 度虚拟全景、三维实景建模等技术，针对三峡库首区域的地质灾害专业监测预警点实现了虚拟全景与三维实景模型展示平台，以下具体阐述。

1 平台方案设计

1.1 建设目标与功能需求

随着移动互联网、云计算等的快速发展，考虑到地质灾害的突发性以及应急处置“快”且“高效”的实际需求[11-12]，将平台的建设目标设定为：针对三峡库区库首区域后续规划阶段实施的50 处地质灾害专业监测预警点，利用小型无人机[13]采集高清全（实）景影像，建设三峡库首区域后规地质灾害点虚拟全景与三维实景模型展示平台，满足随时、随地、跨平台、快速演示与查看的应用需求。进一步地，为满足该建设目标，技术功能需求分为：

（1）采用现阶段相对成熟的网络云端应用技术，将所有数据信息集中存放在云端环境，不需在本地安装、部署任何数据库与应用程序，易于管理且安全性高；

（2）网络展示平台兼顾地质灾害点的宏观位置分布与细节，布局逻辑清晰，操作简单；

（3）支持台式机、笔记本、平板、手机等多终端，无需安装任何应用程序或插件；

（4）打开平台只需连接互联网，且虚拟全景与三维实景模型显示速度快、效果清晰；

（5）平台数据维护和迁移便利。

1.2 主要技术平台

近年来，基于虚拟全景以及三维实景的云端平台逐渐涌现，其中最具代表性的包括：

（1）720yun[14]。国内最具代表性的虚拟全景平台，基于其可以快速制作和发布720 度虚拟全景，操作简单、质量好、清晰度高、标注链接信息丰富[15]。但720 度全景只是照片拼接，不具备三维特征，因此无法显示和查看地质灾害体及其周边的真实地形地貌情况。

（2）Altizure[16]。先进的实景三维建模网络应用平台，支持直接在线建模，且建模效果好、速度快；Altizure星球可以实现大场景多模型管理。但随着三维场景模型的增加，显示效果和速度存在问题，其次标注链接等功能较弱。

（3）Wish3D[17]。适用于多个3D 场景浏览交互的网络应用平台，标注功能相对丰富；支持添加其他三维模型、大范围影像、地形等多源数据。但存在稳定性较差、跨平台功能弱、三维模型显示速度较慢等不足。

1.3 方案比选

根据建设目标及功能需求，可以拟定四种试验方案：

（1）方案一：以720yun 为主平台展示各灾害点虚拟全景，通过链接Altizure 平台对应展示三维实景模型及其他信息。

（2）方案二：以720yun 为主平台展示各灾害点虚拟全景，通过链接Wish3D 平台对应展示三维实景模型及其他信息。

（3）方案三：以Altizure 为主平台展示各灾害点三维全景模型，通过链接720yun 平台对应展示虚拟全景及其他信息。

（4）方案四：以Wish3D 为主平台展示各灾害点三维全景模型，通过链接720yun 平台对应展示虚拟全景及其他信息。

结合主要技术平台的成熟度，通过综合测试多终端显示速度、清晰度效果、操作便利性等，最终确定采用方案一，这也是目前能满足“云端、随时、随地、跨平台、快速展示”应用需求的最佳技术方案。

1.4 平台架构与技术路线

根据平台技术方案选型，三峡库首地质灾害虚拟全景与三维实景模型展示平台架构与实施技术路线见图1。

图1 平台架构与技术路线图

2 具体实现

根据实施方案与技术路线，平台实现主要包括无人机影像采集、单点虚拟全景与三维实景模型制作以及展示平台建设，以下具体阐述。

2.1 地质灾害点现场无人机影像采集

为满足后期成果需求，对于每个三峡库首区域地质灾害专业监测点，采用小型无人机采集三组照片集，分别为720 度全景照片集、三维实景建模照片集以及全貌照片集。具体采集方法为：

（1）720 度全景照片集：正对灾害点，将小型无人机悬停于一定高度，然后调整相机角度旋转飞机，拍摄一组包含灾害体上、下、左右、前、后各个方位的照片集，而且保证各相邻照片之间具有较高的重叠率[18]。其目的是制作各灾害点的720 度虚拟全景。

（2）三维实景建模照片集：即正射+倾斜照片集。是以灾害体及其周边一定范围为界，根据灾害体具体特征，采用航线规划或者手动操控，在满足一定重叠率（通常是航向重叠率至少75%，旁向重叠率至少60%）的要求下，有规则地采集正射照片（相机镜头垂直向下），必要情况下补充采集倾斜照片（相机镜头倾斜）[19-20]。其目的是制作灾害体的三维实景模型以及数字正射影像、数字地形等成果。

（3）全貌照片集：以灾害体中心位置为准，将无人机飞行到一定高度和距离，拍摄灾害体的全貌照片。理想情况是一张照片能拍摄完整灾害体周界及其外延一定范围，如果遇到无法一张照片拍摄完整的情况，则在保证照片清晰度与控制变形的前提下，拍摄一组照片集。其主要目的是制作各灾害点的全貌及专业监测布置影像图。

2.2 单点虚拟全景与三维实景模型制作

基于各灾害点的现场无人机影像，分别制作虚拟全景、三维实景模型以及全貌，具体有：

（1）720 度虚拟全景：采用全景照片集，借助PTGui、Photoshop 与ArcGIS 软件，建立各灾害点全景照片；然后上传720yun 平台，制作和发布各点720 度虚拟全景。

（2）三维实景模型：采用三维实景建模照片集，上传Altizure 平台，制作和发布各地质灾害点的三维实景模型。

（3）全貌照片：采用全貌照片或照片集，借助Arc-GIS、Photoshop 软件，制作各地质灾害点的全貌及专业监测布置影像图。

2.3 虚拟全景与三维实景展示平台搭建

按照平台技术方案，首先在720yun 上新建三峡库首区地质灾害专业监测点虚拟全景与三维实景模型展示平台项目，然后按照流域添加与整合各地质灾害单点的720 度虚拟全景，最后在各灾害点虚拟全景内部通过链接实现灾害体简介、监测全貌以及Altizure 三维实景等的综合展示。

3 主要功能

3.1 平台主页面

在台式电脑、笔记本、移动设备（iPad、手机）等所有能够连接互联网的终端设备上，通过网页浏览器输入平台网址或者通过微信等程序扫描二维码，即可在无须安装任何程序或插件情况下直接进入该平台主界面（图2）。

图2 三峡库首区地质灾害专业监测点虚拟全景与三维实景模型展示平台主页面

主页面下部分为两行全景列表。其中底部一行为一级列表，按流域依次又分为“长江干流”、“九畹溪流域”、“童庄河流域”、“香溪河流域”、“归州河流域”与“青干河流域”。上部一行为二级列表，其中首列为对应流域的位置分布图，图中动态显示该流域的所有地质灾害点；接下去则按照从上游至下游的顺序列出对应一级流域中的所有灾害点。

3.2 地质灾害点720度全景展示

用户既可以通过图2 主页面所示的二级列表中第一列的位置分布图，也可以直接通过二级列表的灾害体名称，单击打开对应地质灾害体的720 度全景（图3）。在该全景页面，可以通过按住鼠标左键移动以控制全景的全方位旋转展示；通过旋转鼠标滚轮缩放全景大小。还可以进行全屏显示、VR 虚拟现实模式显示、查看项目简介以及分享二维码等功能设置。

图3 地质灾害点720度全景展示功能

3.3 地质灾害点三维实景模型及其他链接信息展示

对于各地质灾害点的详细信息，包括基本情况简介、专业监测全貌图、三维实景模型等都通过热点标注加链接的方式实现。如要查看基本情况，只需单击图3中的基本情况链接；而要查看三维实景模型，单击“三维模型”链接，就会自动弹出并加载Altizure 平台上对应灾害体的三维实景模型（图4），该模型也可以通过鼠标或者提供的工具按钮实现旋转、缩放、倾斜、鸟瞰等功能。

图4 地质灾害点三维实景展示功能

4 结语

实践表明，综合采用小型无人机、720 度虚拟全景、三维实体建模以及互联网云平台、WebGL 等技术，对三峡库区地质灾害专业监测点进行720 度全景与三维实景模型制作，并构建集中展示平台，能够满足随时、随地、跨平台、快速演示与查看的应用需求，可以为进一步加强库区地质灾害应急处置与监测预警能力与水平提供基础信息支持。

在本平台基础上，对三峡库区全岸坡段，采用大面积无人机倾斜摄影测量技术，创建大区域三维实景模型；并以此为基础集成钻孔、精细地面调查、高分辨率地形与正射影像、高精度三维点云与模型等空间数据，建立三峡库区地质灾害二维-三维一体化、地上-地下一体化、宏观-微观一体化的三维实景综合集成平台，最终实现地质灾害信息全方位展示、有效管理、动态评价以及预警预测。