基于空三模型实现非接触式实测地质剖面解决方案研究

王康年，吴文刚，王 云，黄 烨，杨秋平

(贵州省地质矿产勘查开发局101地质大队，贵州 凯里 556000)

1 前言

实测地质剖面图(suvreyed geological cross-section)，简称实测剖面，是用仪器(经纬仪、平板仪)或精密度较高的仪器和工具(软盘、测斜仪、GPS定位仪、视距望远镜、气压计、测绳、皮尺等)通过实地测绘而制成的地质剖面图(黄宗理 等，2014)。简而言之，传统的实测剖面图，是使用量测仪器到实地进行现场测量，再通过手工、半手工或计算机自动化绘制成图，工作手段显然落后跟不上时代的步伐。

随着计算机技术的发展，地质行业专家学者对实测地质剖面的自动化成图都有不同程度研究(杨光忠 等，2002；杨利容 等，2011；姚高峰 等，2012；孙羽 等，2012；王兆国 等，2015；罗华彪，2015；屈海浪 等，2018)。2006年笔者“地质测量计算机数据处理及辅助成图系统”(以下简称“地质测量”)的“实测剖面”模块，也解决了通过地质罗盘、经纬仪野外采集数据的自动化处理，并在AutoCAD中自动生成实测导线图、实测剖面图。

至21世纪，无人机航空摄影测量技术迅速普及，打破了传统的测量方式，经纬仪、平板仪退出测量业的历史舞台，全站仪逐渐被淘汰。随即以低空消费级小型无人机为航测工具渐渐突显其独特优越性，通过野外快速获取小范围高分辨率影像，内业用Pix4D mapper、Contex capture、PhotoScan、PhotoMetric等软件一站式影像处理，快速生成高精度空间三维模型，在各行业中迅速推广和普及应用。

相应，利用空间三维模型进行二次开发利用，快捷提取三维模型中地质体表面要素点的三维坐标，实现非接触式(遥感)精确测量地质体几何尺寸、体量、结构面产状等逐渐成为当今地质工作新方法新手段研究的热门课题(韩东亮，2014；杨力龙，2017；刘海洋 等，2017；张骞棋，2018；王栋，2018)。然而，以此技术实现非接触式(遥感)高精度实测剖面方面的研究甚少，很难搜索到这方面的研究成果和成图软件。

2 解决方案和思路

笔者等通过一些危岩体、滑坡勘查项目实践和研究，前述航测影像内业处理软件和国产EPS三维测图等大都能实现从三维模型中快捷提取剖面线上若干测点的三维坐标。对于植被不发育的地质体裸露地区，提取三维模型剖面线上若干测点(如地形点、地质要素点)的三维坐标，利用第三方剖面图成图软件或自主开发辅助软件，快捷实现非接触式(遥感)高精度实测剖面，尤其是危岩体勘查，精确反映凹凸不平的陡壁峭崖微地貌形态和结构面特征，建立精准的危岩体稳定性计算模型，能实现人工实测无法完成的工作，不失为一种可行的创新工作方法。

本解决方案工作思路如图1。

图1 解决方案思路图

3 辅助软件设计

基于上述思路，笔者“地质测量”软件中“图切剖面”模块具有较完整的剖面成图功能，提供多种样式的剖面图(图2)，在此基础上笔者增加设计“空三工具”模块，其中包括“导出图切剖面数据”(图3)。

图2 “图切剖面”剖面样式设置

图3 “导出图切剖面数据”窗体设计

模块基于Windows系统开发，采用Visual Basic 6.0语言编程，“导出图切剖面数据”主要解决经纬度坐标转换为3度带直角坐标、3度带直角坐标换算为图切剖面需要的坐标数据两种算法问题。软件窗体设计思路如下：

1)测点数据显示采用MSFlexGrid表格控件。如图3界面，左侧表格用于显示三维模型提取剖面线测点的三维坐标及偏移剖面直线距离等，通过打开文本文件输入数据，目前支持WGS 84、国家2000坐标系统的经纬度坐标和3度带坐标；右侧表格用于显示换算出的比例尺为1∶1的绘制图切剖面的平距、高程数据。

2)左侧表格下方，原始数据坐标系统及格式通过ComboBox控件下拉选择。

3)如存在三维模型坐标系统与成果地形图坐标系统不一致的情况，或剖面图、地形图两图剖面起点、终点坐标值存在偏移时，目前提供X、Y、H坐标增量平均值三参数法换算处理。

4 应用实例

以某地崩塌和某地滑坡为例，笔者自主编程辅助成图软件，简单介绍本方案实现非接触式实测剖面的成图过程。

4.1 崩塌勘查应用

如图4以PhotoScan软件处理好的三维模型为例：

1)绘制剖面线、测点并导出剖面线测点三维坐标数据，保存为文本文件。操作步骤简述如下：

(1)在PhotoScan界面中绘制一条剖面直线，退出绘制模式转至导航模式。

(2)单击鼠标左键选择直线，在直线上需要加测点的位置单击鼠标右键弹出快捷菜单，Insert Vertex为线上加点，如此周而复始，直线成为多段线。线上测点越多，越能接近真实地形起伏形态。

(3)选择剖面多段线，单击鼠标右键进入快捷菜单，单击Measure弹出多段线各拐点坐标窗口如图4，Ctrl+A全选表格数据，Ctrl+C复制表格坐标数据至系统粘贴板。

(4)数据粘贴至新建的文本文件中。

图4 某崩塌三维模型(侧视)提取剖面线三维数据示意图

2)在前图3界面打开文本文件后，单击的“计算并保存数据”按键，计算出的绘制剖面图数据在右侧表格中显示。

3)单击图3窗体右下角“数据导入图切剖面模块”，软件切换至“图切剖面”模块如图5，输入作图比例尺，设置好剖面图参数后“确定”，在AutoCAD中生成的实测剖面图主框架如图5。

4)利用AutoCAD强大编辑功能或笔者“地质测量”软件的图例、图签等模块，完善实测地质剖面图内容。

图5 某崩塌提取三维模型数据生成的实测剖面图主框架

4.2 滑坡勘查应用

如某地滑坡植被不发育(图6)，同样适合此方案，快速生成的实测剖面图如图7。

图6 某滑坡三维模型(正射视角)

图7 三维模型数据生成的实测剖面图

当然，本方案实测剖面的精度取决于空间三维模型的精度。空间三维模型精度越高，提取的剖面线地形点三维坐标精度越高，生成的实测剖面地形起伏形态精度也越高。

4.3 与其它剖面图软件比较

国内免费或低消费级的剖面图软件不多，笔者“空三工具”模块目前数据导出支持低消费级福建林枢“筋斗切剖面”数据格式。数据导出为“筋斗切剖面”数据后，在该工具的界面中导入已保存的数据，设置好作图比例等参数即可作图。笔者“图切剖面”模块与林枢“筋斗切剖面”工具相比较，各有特点：

1)“筋斗切剖面”支持单一直线、拆线(多方位剖面线段)型剖面成图；“图切剖面”目前仅支持单一直线型剖面成图。

2)“筋斗切剖面”偏重于岩土行业剖面样式；“图切剖面”偏重于地质勘查行业，提供的剖面样式相对要多，结合“图例图签”模块使用，能快速绘制一张完整的地质剖面图。

用户根据不同行业习惯选择不同的剖面图工具。

4.4 方案可行性分析

上述某崩塌点通过空间三维模型实现的非接触式(遥感)实测剖面，导出原始数据为经纬度坐标，通过转换为直角坐标后计算结果如表1。

由表1不难得出：

表1 某崩塌三维模型非接触式实测剖面数据计算结果表

续表

1)20至22号测点，坡度开始变陡大于30°，人工实测困难；22至23号测点，坡度开始剧陡，倾角53.78°，传统方法人工根本无法到达现场实测。若模拟人工实测，22至55号测点只能是一条直线，反映不出陡壁的实际微起伏形态。

2)55个测点中，偏移于起止点直线的距离最大值1.78 m、最小值0.00 m、平均值0.83 m。偏移距离取决于手动或软件自动在三维模型中选点的精度，尤其手动选点偏移距离可能偏大，但能重复调整减小偏移距离，最终达到要求的精度。

3)点的密度：按拆线长度计算为0.26点/m，按起止点平距计算为0.38点/m，满足1∶100比例尺的测量精度或更高。还可根据需要在三维模型人为增减测点数量，如EPS等软件可等间距设置提取测点数量，增加测点无需成本。

综上分析，此方案通过非接触式(遥感)测量完成的实测剖面，突破了人工实测无法完成的高陡崖地区的实测剖面测量工作，测量精度取决于空间三维模型的精度，完全可以根据需要无限制增加剖面线测点，以真实反映剖面线的微地貌起伏形态，特别是在危岩体调查、勘查中，是一种可行的、值得推广应用的新工作方法手段。

5 探讨

基于空间三维模型实现非接触式高精度实测剖面解决方案，是通过提取空间三维模型剖面线上若干测点三维坐标数据，利用剖面图成图软件，在AutoCAD快速生成高精度实测剖面图。空间三维模型精度越高，生成的实测剖面图地形形态精度越高，同时解决了高陡崖地区人工实地测量无法完成的工作，适用于植被不发育地区的非接触式(遥感)实测剖面测量与成图，既能提高工作效率，又能提高测量精度，最主要是突破了人工实测无法完成的工作。

当然，此方案肯定还不是最佳的解决方案，存在诸多缺陷和需要完善之处：

1)提取空间三维模型剖面线测点三维坐标数据，目前只能一次性解决地形点数据，对于地质体要素点、工程点等，需要多次提取或人工修测完成。

2)局部地段如遇到建筑物、植被覆盖区需要实地修测和人工调整。

3)PhotoScan等无人机影像内业处理软件提取三维模型剖面测点数据方便程度还有待完善，尚未提供二次开发API接口；除EPS外，三维模型Obj等格式文件浏览器如Acute3D Viewer、Rocky Viewer等尚无完整的提取剖面线测点三维数据功能。因此，能否提取三维模型中剖面线测点的三维坐标，受应用软件限制。

4)剖面图的精度，取决于空间三维模型的精度。而空间三维模型的精度，又受前期无人机本身系统误差、无人机GPS定位高程误差、航拍条件选择造成的误差、内业处理软件空三解算误差等影响。

5)该方案适合于地质情况不太复杂地区，能快速完成实测剖面工作，无需人工到实地进行实测。但对于地质情况比较复杂区域的地质剖面实测，尤其是解决众多地质要素点如何进行智能识别、如何智能化标注在地质剖面中，还有待深入研究和完善。

因此，笔者仅以此阶段研究作抛砖引玉，希望更多专家学者从事到非接触式(遥感)实测剖面方面的研究和软件开发中来，提高地质工作实测剖面的效率和精度，尤其是当今三维激光扫描技术在地表植被处理方面的应用，其三维模型或点云数据快速实现非接触式高精度实测剖面的优越性，将会更上一层楼。