无人机倾斜摄影测量技术在地质灾害隐患调查中的应用研究

闫烨琛,高学飞,于向吉，袁婷婷，席雪萍

（天津市地质工程勘测设计院有限公司，天津 300000）

地质灾害对人类生命财产安全威胁极大，随着人们对矿产资源的开采，道路交通的建设，居民住宅的傍山而建等，使得原本稳定的地质体逐渐松动，失去原有的平衡而处于不稳定状态，在地震或暴雨等条件诱发下极易引发崩塌、滑坡或泥石流等灾害。面对如何预防或者降低地质灾害对人类生命财产安全的威胁，一直以来都成为地质工作者面临的主要矛盾。从而探究如何快速有效地监测预警各类地质灾害隐患的方法和手段是当前亟待解决的问题[1]。近年来随着无人机技术的逐渐成熟与快速发展，其所表现出来的操作简易便捷、作业迅速高效、精细准确、适用范围广及生产周期短等特点，致使其在地质灾害隐患调查及地形测绘等领域应用优势明显[2]。尤其随着无人机倾斜摄影测量技术的发展[3]，将航测摄影与地面实景三维空间更加高效地结合。本研究采用大疆经纬M300 RTK无人机搭载睿铂D2M倾斜相机镜头，通过倾斜摄影技术快速获取地物影像数据，进行室内构建实景三维模型及量测分析[4]，实现高精度的实景三维信息获取[5]，并通过无人机倾斜摄影测量获取的实景三维影像信息精确识别、提取地质灾害隐患信息[6]，为地质灾害隐患识别及提前预防提供技术支持。

1 无人机倾斜摄影

1.1 无人机航测-无人机、镜头型号及其参数

规格参数：睿铂D2M为五镜头，其中间为正射镜头，作业时垂直于地表进行拍摄，分布在东、南、西、北方向的为倾斜镜头，以45°的姿态进行拍摄。相机外形尺寸：145 mm×145 mm×105.5 mm；相机整体重量：840 g；相机焦距：正射25 mm/倾斜35 mm；CMOS数量：5 pcs；传感器尺寸：23.5 mm×15.6 mm；相机单镜头像素2 400万；总像素：1.2亿；最小曝光间隔：≤0.8 s（图1、图2）。

图1 经纬M300 RTK

图2 睿铂D2M

1.2 无人机航测-影像信息采集

本次研究区位于天津市蓟州区，测区面积为173 518 m2，通过前期收集资料及实地踏勘后，进行航线规划，飞行高度120 m，航向重叠率80%，旁向重叠率70%，共11条航线，对测区进行了倾斜摄影测量，共采集照片1 955张，如图3所示。

图3 航线规划图

本次航测以大疆经纬M300 RTK+睿铂D2M为载体，由于大疆经纬M300 RTK将高精度导航定位系统引入无人机，经纬M300 RTK集成RTK模块，通过RTK模块可为无人机提供实时厘米级定位数据。满足本次研究的精度要求，所以本次无人机影像信息采集过程中采用了免像控点技术，这样极大地提高了工作效率。

2 实景三维建模

本次研究利用Context Capture软件构建实景三维模型，Context Capture软件是由美国Bentley公司出品的一款目前被广泛使用的三维实景建模软件。通过CC软件新建工程，加载无人机倾斜摄影获取的数据，进行空三计算，构建实景三维模型。

2.1 技术路线

技术流程如图4所示。

图4 技术流程

2.2 建模流程

新建工程和加载影像如图5和图6所示。

图5 新建工程

图6 加载影像

空三计算是通过无人机倾斜摄影外业测量的地面像控点位置信息，在室内无人机影像处理过程中辅助确定全部影像的位置信息元素，从而得到更多加密点三维坐标的测量方法。随着科技的进步与发展，目前研究空三计算主要采用包含GPS数据及IMU数据的pos数据辅助完成解算[7]。在实际航测作业中，无人机通过在测区空间中某一位置对目标地物进行航测，获取该组镜头所处位置的姿态角及空间位置信息，从而生成航测瞬间的pos信息，该信息包括该组镜头航测瞬间所处位置的高程、经纬度、航向角、俯仰角及翻滚角信息。然后利用获取的pos信息进行区域网平差计算求解出所摄区域未知点的坐标信息。根据空三计算的结果有效还原了无人机影像数据在测区中航测时的空间信息，完成实景三维模型框架的初步构建。

空三计算的关键取决于航测过程中获取pos数据的精度，它将直接影响到后期构建研究区实景三维模型的质量和精度。传统的单镜头无人机只能通过1个镜头作业获取pos数据参与计算，本次研究中无人机倾斜摄影测量技术采用5个镜头同时拍摄，从而联合5个镜头的pos数据参与计算，极大地降低了由于pos数据单一而导致的计算结果误差，显著提高了计算精度，增加了后期构建实景三维模型的质量和精度。

三维实景建模如图7－图9所示。

图7 倾斜摄影空中三角测量计算

图9 实景三维模型

3 地质灾害信息解译

基于对研究区构建的实景三维模型，进行地质解译和地质信息采集。不仅可实现对研究区的野外场景重现，有助于地质工作者对研究区的现状进行观察和理解，而且可借助无人机倾斜摄影测量成果进行室内解译并对地质研究工作中重点关注的地质点、线、面、体等地质信息进行识别、量测、提取和分析。主要包括对各种地质对象的空间位置坐标、地质界线、地层岩性、层面产状及节理、地质灾害隐患区分布范围、体积方量以及野外调查重点区域和调查可行性等信息进行提取，为地质工作者提供更为全面更为丰富的地质信息。

图8 三维实景建模

通过三维模型可以获取本次研究区的地质灾害动态影响面积为16.21 hm2，其中灾害分布范围区为7.06 hm2，灾害影响范围区为9.15 hm2。灾害隐患源主要为岩体崩塌，四至坐标：X1:530853，Y1:4437496；X2:531155，Y2:4437372；X3:531244，Y3:4437527；X4:530984，Y4:4437949。节理为95°∠30°。隐患区岩体分层现象明显，岩体分层厚度在30~50 cm，岩体大多都呈现碎裂结构且分化明显，如遇地震或暴雨等外营力作用，破碎岩体极易发生滑移或者崩落（图10、图11）。

图10 灾害区动态范围获取

图11 灾害点隐患识别分析图

利用无人机倾斜摄影测量技术对该地质灾害隐患区航测获取地物信息，通过室内构建的高清实景三维模型可以高效、精准地识别危险源，提取隐患区裸露破碎坡体的各类地质信息，尤其是针对该隐患区灾害隐患源的识别及其分布现状信息的提取与分析。相比于传统的地质调查方式，这种非接触式获取地质灾害隐患区灾害信息的技术在精度、效率、安全性等方面都有着明显的优势，为灾害区的人身财产安全防护及后期的地质灾害治理等工作提供科学依据。

4 结束语

通过本次研究可知，在地质灾害隐患调查工作中通过无人机倾斜摄影测量技术对地质灾害隐患区航测数字化地物信息，构建研究区高清实景三维模型并进行灾害源识别、灾害体量测及分析，不但在研究方法上具有创新性，也可高效安全地提取地质灾害隐患区关键致灾因素。相比于光学遥感三维模型或传统的单镜头无人机航测成果，本次研究构建的实景三维模型更具高清分辨率，为地质灾害的精细化研究提供更精准可靠的模型依据。综上可知，无人机倾斜摄影测量技术在地质灾害隐患调查中具有广阔的应用前景，为地质工作者的研究提供了更全面、可靠的研究区现状信息，加快了对地质灾害信息的识别、预防及治理工作。