基于多旋翼飞控平台的岩体节理信息提取研究

雷永顺 李 飞 王文军 邬 金，3 徐 帅

（1.甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司，甘肃嘉峪关735100；2.东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁沈阳110819；3.辽宁装备制造职业技术学院工商管理学院，辽宁沈阳110161）

岩体结构面是决定岩体稳定性的关键因素。岩体结构面中规模相对较小、分布较集中的称为节理裂隙，其产状、形态及其相互间的排列组合关系直接影响区域岩体的力学效应和岩体工程稳定性［1］。因此，准确、快速、全面地采集节理信息数据对于地质勘察，工程设计、评价和施工都有重要意义［2］。随着工程地质等领域相关科学技术的发展，岩体结构面信息采集方法也在不断进步。采集方法按照工作人员操作方式的不同可分为接触式岩体结构面信息采集法与非接触式岩体结构面信息采集法。

接触式岩体结构面信息采集法主要包括测窗、测线法和罗盘量测法。接触式测量方法需要测量人员手持设备接触工程岩面采集节理裂隙信息，工作量大、劳动强度高、费时费力，在高边坡等危险环境中，测量工作存在较大风险，并且数据精度受测量人员主观因素影响较大［3］。针对上述不足，近年来国内相关专家学者提出了改进方案，黄磊等［4］基于测窗、测线法数据提出了岩体结构面直径的新算法，对结构面信息采集结果进行了统计优化；王贵宾等［5］扩展了测线法统计节理平均迹长的理论基础，采用扩展的测线法统计了岩体节理的平均迹长，效果较好；万斌等［6］通过修正磁偏角和控制铁器影响范围，减小了现场环境对罗盘工具的影响，进而减小了罗盘测量法的误差。上述工作只是从数据处理、误差修正等方面对测量方法进行优化，未能从根本上解决接触式测量法存在的工作量大、数据统计易受人为因素影响的问题。

非接触式岩体结构面信息采集法主要包括三维激光扫描法和摄影测量法，该类方法无需测量人员手持设备接触工程岩面即可完成工程岩面节理裂隙信息采集工作，已成为岩体结构面信息采集工作的发展方向。在三维激光扫描方面，国外KOCAK等［7］于1999年首次将三维激光扫描技术应用于海底岩层露头勘察中；2001年，FENG等［8］提出了应用三维激光扫描技术测量岩体裸露面的理论方法，并于2003年将其应用到岩体结构面粗糙度和迹线测量中，为该项技术的实际应用开创了先河。近年来，国内金鑫［9］以边坡岩体的三维点云数据为基础，开展了岩体结构面智能识别系统研究，提高了从复杂、不规则点云数据中进行结构面表面模型重构及优势产状分组的工作效率；李杰林等［10］为了精确获取地下巷道的结构面信息，基于三维激光扫描技术，开展了地下矿山巷道岩体结构面探测及识别研究，通过与传统测量手段对比，证明了三维激光扫描测量获取的结构面数据更丰富、全面且准确。但相较于摄影测量，三维激光扫描结果多为点云数据，不利于工程地质参数提取，且由于硬件设备固有精度及后期数据处理等原因，存在操作繁琐、误差较大等问题。在摄影测量方面，早在20世纪70年代ROSS-BROWN等［11］首次应用摄影摄像图片解译方法对节理的走向和迹线长度进行了测量，测量结果与传统监测方法相比，精度有明显提升；LAURA等［12］采用高陡边坡的连续拍摄图像与现场量测数据相结合进行了边坡动态监测；KIM等［13］通过摄影测量技术调查了岩质边坡的结构面发育情况，并对边坡破坏模式进行了反演分析；王凤艳等［14］应用数字近景测量技术在采石场边坡开展试验，并提取了边坡岩体结构面的迹长和产状等信息。上述应用取得了显著成效，但是，用以进行岩体节理裂隙调查的摄影设备普遍较笨重、且受调查区域地形环境及岩体工程施工要求等因素限制，工作人员往往无法深入调查区域及时有效地获取岩体节理裂隙信息。

无人机航拍技术的发展给地质调查工作提供了新思路。当前无人机航拍视频图像的清晰度与分辨率等参数精度完全可以达到节理图像尺度的识别要求，且轻型无人机体积小、价格低廉、操作步骤简单；依靠设备自带的定位操作系统，能够使无人机轻易抵达测量人员或其它手持式设备无法到达的地质勘查区域开展工作。基于此种思路，贾曙光等［15］分析了无人机航拍技术在高陡边坡地质调查中的应用，提出了一套使用无人机采集岩体结构面信息的工作流程；赵明宇等［16］采用无人机摄影测量技术获取岩体结构面信息，提取了结构面二维迹线及产状等信息；李水清等［17］利用无人机摄影测量技术半自动统计了岩体结构面的产状信息，并与人工实测值进行了比较分析，验证了方法的可行性。上述研究重点在于针对岩体结构面倾角、倾向信息提取，对于结构面三维间距、迹长等关键参数的统计分析涉及较少，且相应工作流程中关于无人机现场航拍部分的工作步骤有待进一步简化，后期三维岩体结构模型的建模效果也有待提高。为此，本研究提出一种基于多旋翼飞控平台的岩体节理裂隙信息提取方法，通过多旋翼飞控平台精准、快速地对局部区域的节理裂隙发育情况进行现场航拍调查，并根据拍摄图像开展区域三维地质建模及结构面绘制等工作，快速且有效地提取局部岩体节理裂隙信息。所提出的岩体节理调查方法可以有效降低节理裂隙调查工作的工作量、节省成本，可为大范围、高精度提取岩体节理信息提供参考。

1 基于多旋翼飞控平台的岩体节理信息提取系统

基于多旋翼飞控平台的区域岩体节理信息提取系统包括多旋翼航拍无人机、3DF照片建模软件及Sirovision图像处理软件。

1.1 硬件

多旋翼无人机选用DJI大疆公司新一代消费级无人机御Navic Air 2，飞机实物如图1所示。该款直升机搭载1/2英寸影像传感器，可拍摄4 800万像素的照片及4 K/60FPS（每秒传输帧数（Frames Per Second））MP4格式的视频，图传距离达10 km。该款无人机为多旋翼无人机，可依靠多个旋翼产生的升力来平衡飞行器自身重力；通过改变每个旋翼的转速来控制飞行器姿态，使无人机实现垂直起降、悬停拍摄并在一定速度范围内以任意姿态飞行拍摄［18］。

1.2 软件系统

（1）3DF建模软件。3DF建模软件由意大利乌迪内大学（University of Udine）下属的3Dflow软件公司研发，是一款可用于摄影测量、真实感三维建模、三维处理和三维视觉效果展示的商用三维图片建模软件，可以利用无人机航拍获得的视频文件，对现场工程岩面进行三维虚拟重构（图2（a））。

（2）Sirovision软件。Sirovision软件由澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）研发，是一款专门用于开展矿山和岩体工程节理裂隙调查及分析研究，继而辅助开展岩体稳定性评价工作的软件系统（图2（b））。

1.3 系统工作流程

基于多旋翼飞控平台的岩体节理裂隙信息提取系统工作流程包含外业测量与内业建模两部分，作业流程如图3所示。外业测量是指多旋翼无人机飞控平台按照规划好的航拍线路，对工程岩面进行结构面信息采集工作；详细划分为勘察节理调查区域、规划无人机航拍路线、布置坐标控制点以及无人机现场航拍4个部分。岩体工程现场环境复杂，为保证无人机获得清晰的航拍图像，完整记录岩体结构面信息，保证后期建模效果，尽可能选取节理裂隙发育特征明显、结构面产状具有代表性的工程岩面展开调查；按照无人机航拍高度、拍摄距离及待测工程岩面面积等参数合理规划无人机航拍路线；在待测工程岩面上布置坐标控制点，并利用测绘设备读取控制点三维坐标，便于后期提取结构面空间信息；无人机拍摄时应预先排除车辆、人员、工业设备等干扰因素，保证良好的岩体结构面勘探环境。

内业建模是指利用航拍视频数据重构工程岩面的三维模型，进行节理裂隙信息提取工作，包括航拍视频数据处理、重构区域岩体三维模型、三维模型坐标真实化以及节理裂隙信息提取4个部分。航拍得到的原始视频数据需要按实际要求拆分为数量不等的图片数据，才能利用图片建模技术重构岩体三维模型。重构模型的优劣性在很大程度上依赖航拍视频的质量，对于建模失败或质量无法满足节理信息提取要求的模型，需排查外业测量流程中的各个环节，重新进行航拍测量，直到模型满足后续工作要求。为精确统计结构面走向、倾向等产状信息，将现场布设的控制点坐标信息导入生成的三维模型，使模型空间信息与工程岩面信息（走向、倾向）相匹配。在模型表面进行岩体结构面绘制时，软件将根据绘制结果自动提取岩体结构面信息，并对结构面产状与分布特征进行统计分析。

1.4 系统特点

相比于当前其它节理裂隙调查系统，基于多旋翼飞控平台的岩体节理裂隙信息提取系统特点为：①方便快捷地测绘现场岩体结构，采集节理裂隙信息，降低工人的工作量；②实现无接触测绘，可在保障工作人员安全的同时扩大测绘范围；③快速详尽地对岩体结构信息进行统计分析，并生成相应的调查报告；④方便岩体结构面信息管理，为后续岩体稳定性分析和质量分级工作奠定基础。

2 关键技术问题研究

2.1 区域节理岩体无人机视频采集

如图4（a）所示，无人机在对工程岩面进行视频图像采集过程中，应按照无人机拍摄距离L与拍摄工程岩面高度S等条件设计合理的航拍计划。整个航拍工作过程应遵守以下两个原则：①应确保无人机航拍的视频图像完整清晰地记录待测工程岩面信息，便于下一步区域岩体建模得到蕴含完整节理信息的岩体三维模型；②如图4（b）所示，应在待拍摄工程岩面上预先选定坐标控制区域，在该区域预先布置3个控制点；控制点1、2、3分别以“叉”、“点”、“圈叉”来进行标记区分，相互间距尽量控制在1～2 m以内，现场通过RTK与免棱镜激光全站仪等测量设备获取3个控制点的（X、Y、Z）空间坐标信息以完成对工程岩面的空间坐标定位；根据3点确定1个空间平面的原理获取待测工程岩面的尺寸、倾角等信息，便于后期模型的三维坐标真实化。

系统采用大疆御2无人机作为航拍摄影平台。经测试，在开展节理信息采集工作时，拍摄视频的分辨率达到3 840×2 160（4 K）、帧率采用60FPS、无人机飞行速度控制在1 m/s左右时，拍摄的工程岩面视频效果较好，图像上的岩体节理特征及分布状态清晰可见，后期可实现良好的岩体三维建模效果。

2.2 基于航拍视频的节理岩体模型虚拟重构

如图5所示，将无人机航拍生成的MP4格式视频文件导入3DF图像三维建模软件中，利用图像建模技术构建区域岩体三维模型。其主要工作步骤如下：

（1）视频分割为图像集。将现场无人机航拍视频导入3DF软件中，通过人工修改FPS提取参数将航拍视频分割为数量不等的图片集。其中FPS提取参数设置越大，分割的图片集数量就越多，越能为后续模型重构提供更多的图片样本，达到更好的建模效果，但相对应的模型重构所需时间也就越长，对于计算机GPU处理能力的要求也就越高。经测试，一般将FPS提取参数设置为2，分割的图片集数量即可满足后期的图像建模要求。

（2）图像识别和自动拼接。3DF软件可从多幅二维图像中计算所需重构模型的三维特征点，并以三维特征点为基础，以导入的原始视频数据为参考，自动进行图像拼接与拍摄场景的三维模型重构，最终生成测点区域的3D模型。

（3）模型坐标真实化。在3DF软件内输入现场布设的控制点坐标，对生成的岩体表面3D模型进行坐标真实化，使模型尺寸和空间分布状况（模型的空间倾向、走向）与真实的工程岩体环境相对应，为进一步进行岩体结构信息绘制与统计分析提供基础模型数据。

重构完成的节理岩体三维模型应满足如下几点要求，方可进行下一步岩体节理裂隙信息的提取与统计。

（1）导入控制点坐标信息后的岩面模型不应出现明显的模型区域错位、反转等现象，应保持与现场工程岩面一致的空间分布形态。

（2）生成的三维模型上的节理特征及分布信息应清晰可见，尽量保持模型整体的完整性，即模型上不应出现明显的漏洞、破损等错误区域。

（3）工程岩面模型构建后，应正常导出标准PLY格式的三维mesh模型与三维点云数据模型，便于后期节理裂隙信息提取与统计。

2.3 岩体节理裂隙信息提取与统计

利用Sirovision图像处理系统进行岩体节理信息提取。如图6所示，在已生成的测点3D模型表面，采用人工识别方法进行岩体结构绘制，系统具体操作流程可参考文献［19-20］所提出的基于Sirovision的节理岩体调查方法。最终得到包括各个节理面的中心点坐标信息（X、Y、Z坐标）、节理倾角信息（Dip）、节理倾向信息（Dip Direction）、迹线长度信息（Persistence）等节理产状与分布信息。

2.4 系统精度验证

基于上述分析可知，该节理信息提取系统的精度误差主要存在于：①重构所得区域岩体三维模型自身精度；②在三维模型上提取岩体节理裂隙信息的精度。两者共同决定该系统对岩体结构面信息的提取效果。

为验证系统重构得到的三维模型精度，采用如图7（图中坐标点“×—·”、“·—⊗”、“⊗—×”之间的距离为“b”、“c”、“a”，坐标点“×”、“·”、“⊗”对应的夹角为“ α”、“β”、“γ”）所示方法统计3组三维模型上各控制点间的距离、夹角参数，通过与现场利用罗盘、卡尺等工具获得的实测参数进行对比，验证系统所建工程岩面三维模型的精度与可靠性，数据对比结果如表1所示。

由表1可知：系统测得模型坐标点距离、夹角等参数与现场实际测量值十分接近，说明系统所建模型与实际工程岩面之间有一致的空间信息，可用来进行下一步的结构面信息提取工作。

为验证系统在三维模型上提取的岩体节理裂隙信息的可靠性，分别对同一工程岩面上选定的3组优势结构面的产状信息进行现场勘察测量和三维模型结构面信息提取。两者对比结果见表2。

由表2可知：系统提取所得结构面参数值与现场采用罗盘等设备获得的实际量测值十分接近，验证了本系统提取的结构面信息数据的有效性。

3 工程应用

镜铁山铁矿黑沟矿区矿体形态简单、厚度较大，采用露天方式进行开采。矿区地质构造为向斜构造，属次级褶皱，并为数条断层所切割，岩层经受区域变质作用普遍发生劈裂，节理较发育。为保障矿区安全生产、分析边坡稳定状态，掌握矿区真实的岩体结构信息，开展了黑沟矿区工程岩体节理裂隙调查工作。

本研究以矿区北翼3 760 m水平局部边坡为例进行节理裂隙调查。该区域边坡高度15 m，调查区域空间跨度达71 m。采用大疆御2多旋翼无人机，拍摄视频的分辨率达到4 K（3 840×2 160），帧率采用60 FPS，将无人机的飞行速度控制在1 m/s左右，按照预先规划的无人机视频采集路线对该区域进行航拍得到视频图像。总计耗时2 min，即可完成对当前区域的视频数据采集工作。

按照如图3所示的节理裂隙信息提取流程，将拍摄的原始视频数据重构得到如图8所示的该区域三维壳体模型。在该模型基础上绘制120处结构面，总结上述结构面产状信息，得到如图9所示的岩体节理产状分布极点图（图9（a））、玫瑰花图（图9（b））以及等密度图（图9（c））。根据数据聚类结果可知，在该区域范围内存在2组主节理（优势节理）和1组随机节理方向。其中第1组优势节理产状为倾角66.1°、倾向159.9°，第2组优势节理产状为倾角40.1°、倾向178.6°。该区域的三维模型重构与节理信息提取工作共用时1 h，经后期现场勘察验证，所得到的节理信息提取结果符合该区域节理分布的实际情况，满足节理信息采集工作需要。

4 结 论

（1）提出了通过无人机航拍采集现场节理岩体的视频数据，利用3DF软件进行节理岩体模型三维重构，基于Sirovision软件开展岩体节理信息提取与统计分析的岩体节理信息提取方法。该方法可以快速且有效地提取局部岩体节理裂隙信息，降低工人劳动强度，在保障测量人员安全的同时，提高节理调查工作的推广覆盖范围和精细化程度。

（2）无人机航拍开展现场节理信息采集时，控制无人机以1 m/s的飞行速度匀速飞行，按照预先规划的航拍路线进行拍摄。拍摄视频的分辨率达到4 K（3 840×2 160）、帧率采用60 FPS时，获得的区域岩体视频图像可以精确构建大范围、高精度的岩体三维模型，有效支持节理信息提取工作。

（3）黑沟矿区露天边坡节理裂隙调查结果反映出本研究提出的节理裂隙信息提取方法合理有效，可实现露天边坡节理信息的精细调查。但受光照和飞行安全限制，地下空间等狭窄复杂空间环境下的岩体节理信息采集效果有待验证。