无人机摄影测量技术在危岩勘查中的应用

罗 崴，黄之巍

（广西壮族自治区地质调查院，南宁 530023）

[关键字] 无人机摄影测量技术；危岩；三维模型；应用

0 引言

无人机技术最早出现并应用于军事领域，但近年来随着计算机技术、通信技术、控制技术、3S技术等各种技术迅速发展，无人机技术也取得了巨大的进步，使其应用范围从单一军事方面逐渐进入到民用和商用领域[1]。近年来，我国无人机测绘技术开始得到广泛应用，尤其是在国土监察、农业与林业监控[2]、生态环境保护以及地理测绘等方面起到越来越大的作用[3]。无人机技术在地质勘查运用方面也从理论研究进入了实用化阶段[4]，同时在地质灾害快速测绘、三维建模、排查评估[5]具有明显优越性。通过无人机摄影测量技术，构建危岩三维实景模型[6]，从而准确获取危岩体参数数据，由此，无人机摄影测量技术将以其极大优越性、极强适应能力，在危岩勘查应用中发挥巨大作用。

1 无人机摄影测量技术方法

在地质灾害防治工作中，以无人机对危岩进行勘查最为常见。2018年，为进一步完善地质灾害信息系统和群测群防网络体系，全面提升防灾减灾救灾能力，广西全面启动县（市、区）范围地质灾害详查工作。罗城县积极响应，成为第一批开展地质灾害详查的县市之一。

罗城县位于广西北部，地势总体北西高南东低，北面为中山峡谷、低山丘陵地貌，南面以岩溶喀斯特地貌为主，大面积分布着岩溶谷地、丘陵、峰林谷地和峰丛洼地，岩溶区面积1627 km2，约占全县面积61%。罗城县境内地层岩性分布较复杂，整体上北西部主要是碎屑岩、变质岩、岩浆岩分布区，南东部主要为碳酸盐岩分布区。地质构造发育较强烈，主要受北北东—南南西向构造控制与影响。本次罗城县地质灾害详查共调查到地质灾害点228 处，其中危岩99 处、岩崩27 处，两者占到灾害总数55%。危岩为罗城县最为常见的地质灾害类型，主要分布于南面岩溶地貌区，规律明显，突发性强，致灾严重。危岩灾害在罗城县地质灾害中日益突出，运用无人机新技术对其进行详细勘查意义重大。本文以罗城县地质灾害详查项目为依托，以无人机对罗城县四把镇白石下危岩点进行勘查为例，介绍了无人机摄影测量技术在危岩勘查中具体应用，为类似条件地区危岩勘查提供参考。

1.1 无人机参数

本次选用某四旋翼测绘级无人机作为航拍无人机，结合千寻基站定位信息，航测定位精度优于1 cm。无人机内置厘米级导航和定位系统，具有支持RTK 和PPK 高性能成像系统，精度达厘米级，外业操作简便，内业成图快捷，对于时间紧迫、任务繁重的测量任务，可有效地提高工作效率。罗城县危岩灾害突出，数量多，范围广，地形复杂，高差大，测量任务重，时间紧，精度要求高，综合考虑项目成本等因素，无人机最适合运用到本次危岩勘查工作中，其参数见表1。

表1 无人机参数

1.2 工作流程

1.2.1 周围环境确定

结合收集到的白石下危岩点的地质资料，开展实地踏勘，观察危岩体及周围植被覆盖情况，确定是否符合航测作业。白石下危岩点位于罗城县四把镇白石下屯东北部的山体上，山体的正下方是一个采矿区，采矿造成了上方的山体塌陷，塌陷处上方的山体整体划分为危岩体，塌陷的山体形成3 条明显的断裂（见图1 中①②③），山体存在崩塌和塌陷的安全隐患。山体东南方向较松散的部位已经有一定规模的崩塌，对东边新辽屯和西边的白石下屯造成较大威胁。经前期踏勘，危岩山体植被以杂草灌木为主，植被覆盖适中，陡崖处基岩大面积裸露，适合使用无人机对危岩进行航测。

1.2.2 航线规划及像控点布置

根据危岩与周围环境情况，白石下危岩山体面积约10 000 m2，测量面积较小，山顶标高最高约700 m，相对地面高差300 m，因此，根据大疆自带的飞行APP，本次飞行相对高度设置为330 m，选择RTK坐标系，设置照片比例尺1∶2500，点选3个边界点生成测绘区域，自动规划航线见图1，航线为弓字型路线，共7条航带，线路航向与山体延伸方向垂直，设置覆盖度航向80%，旁向70%。为获取精准地面坐标，拍摄前需要进行控制点的布设，分别于白石下、新辽及两者之间共布设3个控制点（见图1中K1、K2、K3），并采用RTK进行控制点坐标的精确测量。

1.2.3 航拍作业

由于危岩山体面积较小，危岩与周围环境高差大，本次采用四旋翼智能无人机根据航线进行危岩数据采集。无人机根据规划好的航线进行低空摄影，对危岩进行多角度高覆盖的拍摄。为更丰富地捕捉危岩细节信息，除按规划航线采集数据外，根据危岩形态和构造特征，还对危岩上的断裂、岩崩、塌陷、陡崖危岩等地方进行手动的加密航拍（见图1）。

图1 白石下危岩点位置及航线规划图

1.2.4 数据处理

航拍数据处理主要步骤包括照片质量审核、数据预处理、几何校正、区域网联合平差、真正射纠正、三维建模、三维数据生成及多格式输出等。验证合格的数据通过无人机处理软件及点云处理软件，完成倾斜影像自动空中三角测量、倾斜影像密集匹配和倾斜影像的拼接等。数据处理后可得到正射影像、DSM和真实三维模型。处理好的危岩三维再通过点云软件和平面制图软件的处理，可对危岩结构面、体积等进行量测，获得危岩所需的测量数据，包括危岩体边界、结构面产状、地形图、剖面图、危岩体尺寸及体积等。具体流程见图2。

图2 无人机摄影及数据处理流程

2 测量结果

2.1 危岩点正射影像图

根据无人机航测数据处理成果，以危岩体及威胁对象为主体，生成反映危岩周边环境和受威胁对象的位置且比例尺为1∶2500的垂直正射影像图（见图3），能够完整体现危岩与受威胁对象的关系，其中危岩点与东南部的新辽屯距离最近。为了反映危岩点的临空状态及与母岩的分离状态，根据无人机对危岩点断裂拍摄测量得到两张断裂正射影像图（图3）。

图3 白石下危岩点正射影像图

2.2 危岩点的DSM

根据无人机航测数据处理成果，生成白石下危岩点及其周边的DSM（见图4），通过DSM 的数值可以直观得到，危岩点所处位置高程大概在550～700 m，东南部的新辽屯所处的地势位于400～450 m。可以看出从山顶到山体东南的新辽屯高差变化大，危岩点对村庄构成巨大威胁。根据DSM 提取相应的等高线数据，生成等高线差为5 m 等高线图（见图4）。根据等高线分布的疏密情况可知，危岩点的坡度较陡，高差变化大，陡坡是诱发危岩地质灾害的因素之一。

图4 白石下危岩点DSM提取等高线图

2.3 危岩点的三维模型

三维模型图可用相关的三维视图软件打开（见图5。白石下屯获取的航测数据比较完整，是在相对高差330 m 处获取的航拍影像，生成的三维模型质量较高，无明显的空洞，从三维模型中可以直观地看出危岩点与威胁对象的空间位置关系，整体的三维模型长度为1500 m，宽度为1460 m。

图5 白石下危岩点三维模型图

2.4 危岩点初始崩滑方向剖面图

运用相关的软件制作危岩体崩滑方向的剖面图（见图6），从剖面图体现危岩与威胁对象的空间关系，反映危岩与受威胁对象的相对高度、水平距离及地形坡度变化。从剖面图上获取危岩点与最近村庄的水平距离约200 m，最大高差是110 m，危岩体所在的山体坡度约为30°。从这些参数可知，危岩体如果发生滑坡崩塌，极易威胁到下方的村庄，而且具有比较大的破坏力。

图6 白石下危岩点初始崩滑方向剖面图

2.5 危岩点周边可见的结构面产状

根据航拍影像形成的点云数据，运用点云处理软件对危岩点的坡面、岩层、主要的断裂等产状进行测量，结果如下：

（1）边坡：危岩边坡坡向为43°、坡度45°。由于此处是塌陷断面，边坡测量的数据为危岩点初始滑动方向的坡向和坡度。

（2）岩层产状：由点云处理软件测得岩层面产状为105°∠18°。

（3）断裂：两组大的断裂，断裂1，产状为93°∠69°，延伸120～130 m，张开度1.5～10 m，形成明显的断裂面；断裂2，产状为36°∠72°，延伸200～250 m，张开度4～7.5 m。

2.6 白石下危岩点结构面赤平投影分析

根据结构面产状测量的结果，通过平面制图软件制作出相应的赤平投影图（见图7）。由图7可知，断裂1 与断裂2 相交点在边坡的对侧，对岩体的不稳定性贡献较小，单块结构体是比较稳定的结构体。但是此处由于地面下沉，整个山头处于下沉的状态，为不稳定的边坡。几组断裂形成的锥形体都属于不稳定的结构体。随着地面的下沉，山体可能还会出现更多的新的断裂面和不稳定结构体。

图7 危岩结构面赤平投影图

2.7 白石下危岩点体积测量

体积通过截取三维模型上裂隙以及山脚轮廓来确定危岩体的边界，采用软件的体积测量工具来量取危岩体的体积。由于白石下危岩点是整个山体的塌陷，在测量时，将塌陷部分的山体一起测量。由此可量取危岩体的体积量为2 580 668 m3。

3 无人机对危岩勘查优势与局限性

无人机摄影测量技术在危岩勘查中的应用具有显著优势：

（1）对已发现危岩勘查更精细化，测量数据更准确，为后期防治提供有力依据。对于高陡危岩，以往勘查手段基本上是用高清相机拍摄，危岩产状、尺寸等数据多为肉眼估算。而无人机可通过数据采集，建立三维模型，准确得到危岩边界、结构面产状、危岩体尺寸及体积等数据，方便快捷。

（2）对潜在危岩排查更精准，提高灾害预防有效性。在以往对危岩调查时，因无法直接观察到潜在的危岩体，而将山高坡陡，植被发育的点作为易发村屯点。而近几年新发生的岩崩地质灾害多出于这些易发村屯点。通过无人机技术，对易发村屯进行全面排查，找出潜在危岩点，获取相关参数，圈出危岩体威胁范围，根据危岩特征参数，落实具体防治对策，提高危岩灾害治理成效。

（3）有效减少外业工作量，提高安全保障。相比以往需攀爬靠近危岩体测量的方法，无人机技术外业操作简单，获取更多参数数据，有效降低高陡边坡或灾害频发区相关调查人员发生伤亡的概率，极大改善危岩勘查工作条件，保障人员安全。

（4）灵活性强，自动化程度高，可视化监测，安全可靠。采用四旋翼智能无人机进行危岩勘查，起降方便，无需机场或发射装置，灵活机动。采用飞控系统可按航线自动飞行，电量不足时自动返航。在航空摄影过程中可实时画面监控，深度可视化。

同时，受科技水平、软件能力和经济条件等因素影响，本次无人机摄影测量技术在危岩勘查中应用也存在一些技术难题：①外业数据采集过程中，危岩点周边山体高度都比较大，高程差较大，以周边最高的山为基准点设计航线后，会造成正射及三维成果中危岩点偏小，效果较差；②危岩点山体高差比较大，危岩体周围植被比较多，在三维建模数据处理过程中影像的拼接出现拉花现象，危岩体有时也会变形，造成大三维的山顶出现数据缺失，整体质量下降；③由于植被过于茂盛，造成有些照片无法通过空中三角计算，对正射和三维的完整性造成一定的影响；④由于无人机无法自动避障电线、树枝等细小物体，无法靠近拍摄，危岩点的裂隙、分离面、悬空面等微细节拍的不够细；⑤无人机续航时间普遍较短，难以满足较大范围危岩勘查，软件运行对计算机配置要求较高。

可以看出，危岩山体高程差太大，植被过多，对无人机测量结果造成较大的影响，其中植被影响更甚。因此，在今后无人机对危岩勘查应用中，对于山体高程差过大的危岩点，可综合考虑选择适合的测量技术方法，提高危岩体测量数据采集的准确性。对于一些植被覆盖或其他附属杂物较多的地方，无法保证其测量精度时，还需进行人工补测；也可以选择带有雷达测量功能的无人机进行航测，从而尽可能降低植被对测量结果的影响。随着科学技术不断进步，通过研发改进，优化升级，多技术融合发展，规范管理，无人机技术在危岩勘查中的应用将取得更显著成效，体现出更大的应用价值。

4 结语

长期以来，危岩勘查一直是地质灾害调查工作的难点。根据无人机摄影测量工作流程，对罗城县白石下危岩点进行具体应用，通过无人机摄影测量技术，可精准采集危岩体参数数据，生成危岩点正射影像图、DSM、三维模型等，从而准确地获取危岩体的尺寸、形状、岩层产状、构造特征、主滑方向以及体积等具体参数，为危岩防治提供有力基础数据。可以看出，无人机摄影测量技术能很好地解决高陡山体上的危岩地质参数的采集问题，大幅度提升危岩勘查的测量效率和测量精度，有效减少人力、物力以及时间的投入，产生良好效益。今后应用中，应当在保持无人机技术优势的基础上，科技创新，突破难题，将无人机技术更广泛地应用于地质灾害调查中，进一步促进地质灾害勘查工作信息化、现代化发展。