無人機(jī)技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

李 磊，焦龍進(jìn)，吳禮浩，權(quán)芹鋼

（江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212001）

在開展諸如地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、礦山復(fù)墾復(fù)綠、金屬礦山開采工程、鐵路建設(shè)工程和公路建設(shè)等大規(guī)模工程的時(shí)候，最常見的一種工程結(jié)構(gòu)就是高陡邊坡，這種工程結(jié)構(gòu)也是最常見的風(fēng)險(xiǎn)來源。評(píng)價(jià)高陡邊坡是否具有穩(wěn)定性的時(shí)候需要掌握和描述邊坡的地質(zhì)條件。在鎮(zhèn)江新區(qū)某高陡邊坡中，復(fù)雜的地質(zhì)工作環(huán)境對于工作人員的長期深入工作產(chǎn)生了一定程度的影響，也在后期的地質(zhì)探測過程中產(chǎn)生了阻礙的作用。

另外，工程項(xiàng)目在建設(shè)的過程中需要在最短的時(shí)間之內(nèi)編錄地質(zhì)環(huán)境，并且將結(jié)果反饋給相關(guān)的技術(shù)部門。在鎮(zhèn)江新區(qū)某高陡邊坡中的調(diào)查現(xiàn)場，存在著很多松動(dòng)的巖石，為工作人員埋下了很大的安全隱患。所以說，想要突破傳統(tǒng)的巖石結(jié)構(gòu)測量、調(diào)查方法，擺脫地質(zhì)地形條件的約束，就要適當(dāng)?shù)囊M(jìn)新的地質(zhì)調(diào)查技術(shù)。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在使用中精度高、效率高，對于被測物體的性質(zhì)有著較為清晰的還原能力，逐漸被應(yīng)用于高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中[1]。

1 以立體視覺為基礎(chǔ)重建三維地質(zhì)模型

傳統(tǒng)的單鏡頭無人機(jī)在拍攝的時(shí)候存在的弊端還是相當(dāng)明顯的，它只能在同一個(gè)時(shí)刻之內(nèi)獲取一個(gè)方向的單張數(shù)字相片，同時(shí)還因?yàn)樾⌒蜔o人機(jī)的實(shí)際重量比較輕，所以其所搭載的相機(jī)往往都是畫幅比較小的，要嚴(yán)格按照一定的順序和時(shí)間間隔進(jìn)行相片拍攝。在本文中進(jìn)行探討的工作過程是利用同一飛行平臺(tái)上搭載的5個(gè)鏡頭進(jìn)行垂直、傾斜等5個(gè)角度的拍攝工作。目的是進(jìn)行多鏡頭、多角度的地形地物的觀察工作，從而對于被觀察的物體形成多角度的清晰圖像，客觀反映地形地物的實(shí)際情況，便于后期工作中的具體使用[2]。

在多鏡頭傾斜影像拍攝工作中，與正射影像不同，在配套軟件的使用之下可以更加清晰的對于地質(zhì)行業(yè)調(diào)查中高度、長度、面積、角度等一系列參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的分析工作，使得后期工作分析更加精準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上的重建三維地質(zhì)模型工作，以立體視覺為主要的工作基礎(chǔ)，與多鏡頭傾斜影像的有效結(jié)合使得相機(jī)拍攝部位和目標(biāo)場景進(jìn)行清晰的構(gòu)建工作。具體流程包括三步：

第一，提取特征點(diǎn)。無人機(jī)拍攝相片的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)比較大的畸形，傳統(tǒng)的拍攝技術(shù)在提取時(shí)以紋理特征和幾何特征為基礎(chǔ)，在使用當(dāng)中是存在很大難度的，于是采用尺度不發(fā)生變化的特征點(diǎn)提取算法（scale invariant feature transform，SIFT）成為最好的選擇。特征點(diǎn)提取算法具備旋轉(zhuǎn)、縮放等多種特性，能夠?qū)θ展庾兓鸵朁c(diǎn)的變換形成一定的抗拒力。使用特征點(diǎn)提取算法的主要工作思路是利用無人機(jī)航拍圖像空間尺寸的表示方法進(jìn)行空間尺度圖像的極值點(diǎn)搜索工作，使得被選中的極值點(diǎn)作為圖像的特征點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)的工作[3]。

第二，影像匹配工作。單一的特征點(diǎn)提取算法匹配影響工作速度是相對比較慢的，通過使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行采集，在采集工作中可以收集到圖像中GPS坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)和IMU所提供的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，作為后期圖像處理工作的最基本的數(shù)據(jù)可以建立其影響之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在之后的工作中主要是利用最鄰近方法尋找圖像特征點(diǎn)之間的關(guān)系。因此可以形成具有幾何約束性的匹配特征點(diǎn)的集合工作，在空間中篩選的坐標(biāo)點(diǎn)逐漸構(gòu)成了被測地區(qū)的三維點(diǎn)云。

第三，運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)。以照相機(jī)成像的基本原理作為依據(jù)，把相片中的相點(diǎn)投射到空間坐標(biāo)之中，定義誤差函數(shù)是重投影誤差的平方之和，具體目標(biāo)函數(shù)可以表示為：f（P（Ci，Xj），qij）2。在公式中，Cp={C1，C2，C3……Cn}，表示的是相機(jī)參數(shù)。vij在公式中表示的是變量，其基本含義就是空間點(diǎn)Xi在相機(jī)Ci中是否可見。字母n所表示的內(nèi)容是相片綜述，字母m所表示的內(nèi)容是精匹配特征點(diǎn)的實(shí)際個(gè)數(shù)，函數(shù)f（P（Ci，Xj），qij）2所表示的含義是相機(jī)Ci中點(diǎn)Xj的投影誤差。

第四，采用通用稀疏光束法平差法（sparse bundler adjustmenu）逐步迭代，不斷的將投影點(diǎn)最小化，仔細(xì)觀察圖像點(diǎn)所表現(xiàn)出來的重投影誤差，計(jì)算出相機(jī)最好的位置和場景三維點(diǎn)云坐標(biāo)。

2 采集現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)和后期數(shù)據(jù)處理工作

本次現(xiàn)場試驗(yàn)，選取了鎮(zhèn)江新區(qū)某高陡邊坡，使用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)獲取，其大體的工作流程可以分為四步：

第一步，進(jìn)行現(xiàn)場勘查：沿著被勘測現(xiàn)場區(qū)域大體了解區(qū)域邊坡走向，這里以采石場為主，地勢坑洼不平，積水較多，且有兩個(gè)比較大的蓄水石坑，在此地步行艱難，通過人工測量面臨的任務(wù)是十分艱巨的。

第二步，規(guī)劃拍攝航線：在規(guī)劃拍攝航線的時(shí)候在地面控制軟件中進(jìn)行，航向的重疊率控制在80%，旁向的重疊率也控制在65%，根據(jù)地形的特點(diǎn)和拍攝質(zhì)量要求，將無人機(jī)飛行高度控制在150米的航高，總航線長度為1765米，飛行時(shí)間約為8分鐘，將整個(gè)采石場的邊坡予以覆蓋。

第三步，開展飛行作業(yè)：在本次試驗(yàn)中，使用的是一架多旋翼加載5鏡頭的無人機(jī)開展飛行作業(yè)，使用無人機(jī)自動(dòng)飛行模式，根據(jù)已經(jīng)設(shè)定好的無人機(jī)航線開始全自動(dòng)飛行并拍照，將被測區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)行航拍，獲取相片。

第四步，處理拍攝數(shù)據(jù)：按照規(guī)定的數(shù)據(jù)處理流程整理獲取的照片，根據(jù)他整點(diǎn)提取的算法提取每張照片的特征點(diǎn)，搭建相片拓?fù)潢P(guān)系。通過使用運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法和多視立體視覺算法匹配特征點(diǎn)對拍攝的照片進(jìn)行綜合處理。計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)所參照的多為無人機(jī)所承載的GPS傳感器在測量過程中所形成的空間三維坐標(biāo)系，也就是在測量工作中通常使用的WGS84大地坐標(biāo)系。由此可見，這些點(diǎn)云信息幾乎是包含了所有的巖體結(jié)構(gòu)的外部集合特征，能夠識(shí)別和提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)建設(shè)而成的虛擬巖體結(jié)構(gòu)面。

圖1 鎮(zhèn)江新區(qū)某高陡邊坡稠密點(diǎn)云

3 三維地質(zhì)建模、數(shù)據(jù)提取

業(yè)內(nèi)一般采用Context Capture軟件對勘測數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，按照“空三計(jì)算、聯(lián)合約束平差、瓦片分割、三維重建、成果輸出”作業(yè)流程完成實(shí)景模型成果輸出。在評(píng)估平面精度工作時(shí)，所用到的公式為三個(gè)：

在公式中，RMSX和RMSY所表示的內(nèi)容分別是在X坐標(biāo)方向和Y坐標(biāo)方向上的均方根誤差，而Xobs和Yobs所表示的內(nèi)容分別是在不同的檢查點(diǎn)在X坐標(biāo)方向和Y坐標(biāo)方向上的坐標(biāo)殘差值。Xmean和Ymean所表示的內(nèi)容是在X坐標(biāo)方向和Y坐標(biāo)方向上檢查點(diǎn)的坐標(biāo)殘差均值。RMSXY所表示的內(nèi)容是在XY平面上的均方根誤差，N為檢查點(diǎn)點(diǎn)數(shù)。

圖2 鎮(zhèn)江新區(qū)某高陡邊坡三維建模圖

通過對鎮(zhèn)江新區(qū)某高陡邊坡三維建模圖的結(jié)果來看，三維地質(zhì)模型能夠較為全面的將高陡邊坡結(jié)構(gòu)面的幾何出露形態(tài)真實(shí)的反應(yīng)出來。其中三維建模不僅能夠比較明顯真實(shí)的反映出了高陡邊坡結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，還能直觀的獲取高陡邊坡的高度、長度、面積、角度、坡度等數(shù)據(jù)，為該地區(qū)下一步地質(zhì)調(diào)查、礦山復(fù)墾復(fù)綠、高陡邊坡地質(zhì)災(zāi)害設(shè)計(jì)提供了豐碩的基礎(chǔ)資料和有益參考。

4 結(jié)語

以研究鎮(zhèn)江新區(qū)某高陡邊坡為立足點(diǎn)，探索無人機(jī)技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用是本次論文討論的重點(diǎn)內(nèi)容，在討論過程中，也提出了在應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在測量、調(diào)查巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的一般應(yīng)用方式，并對相關(guān)的分析數(shù)據(jù)的流程進(jìn)行總結(jié)，在使用無人機(jī)測量的時(shí)候，要與立體視覺三維重建算法相結(jié)合，并且配合有多鏡頭的小型無人機(jī)，能夠?qū)Ρ豢睖y地形具有良好的適應(yīng)能力，能夠在比較復(fù)雜的地形條件下完成高陡邊坡的攝影測量及調(diào)查任務(wù)，并且結(jié)果能夠具備比較高的實(shí)用價(jià)值。