基于貼近攝影測量技術的高位崩塌早期識別技術方法研究

梁京濤，鐵永波，趙聰，張肅

(1.四川省地質調查院/稀有稀土戰(zhàn)略資源評價與利用四川省重點實驗室，成都 610081；2.中國地質調查局成都地質調查中心，成都 610081)

0 引言

崩塌是我國主要的地質災害類型之一，因具有高突發(fā)性的特點，往往難以對其發(fā)生做出準確的預警預報，因此開展崩塌的早期識別并有針對性提前預防意義重大。一般來說，高位崩塌因具有發(fā)育位置高、斜坡坡度陡、距離地面高差大等特點，靠人工進行地面調查難度大，且容易存在調查盲區(qū)[1]。近年來，高精度衛(wèi)星遙感和無人機航空攝影技術逐漸應用于強震區(qū)[2]、公路高陡邊坡[3-4]、輸電線路[5]以及旅游景區(qū)[6-7]等的崩塌災害調查評價。對于已發(fā)生過崩塌的災后調查，采用無人機航空遙感技術，能夠對崩塌源區(qū)的位置、面積、主崩方向以及邊界實現(xiàn)快速識別[8]，估算堆積體方量等[4]；對于尚未發(fā)生崩塌的潛在危巖體，采用無人機航空遙感技術，能夠提取大尺度的巖體裂隙跡長信息[9]，識別結構面產(chǎn)狀[10-11]，建立三維模型[6-7,12]，以及預測滾石運動特征等[13-14]。

現(xiàn)有遙感成像技術多是從空中“俯視”成像，僅能獲取到發(fā)育在危巖體“上部”的裂隙信息，而對裂隙的貫通情況或發(fā)育深度無法測量，更無法有效獲取危巖體“兩側”和“底部”裂隙信息。雖然現(xiàn)有無人機可以超低空作業(yè)，地面分辨率可以達到分米級別，但對于崩塌壁上塊度較小的“危巖單體”細微裂隙信息識別能力仍舊不足，對于厘米級甚至亞厘米級裂隙無法實現(xiàn)有效探測。

相比于垂直航空攝影或傾斜攝影而言，貼近攝影測量優(yōu)勢在于貼近危巖帶近距離成像，拍攝距離甚至可以控制在5 m范圍內(nèi)，微觀信息清晰、直觀；同時，多角度拍攝可有效獲取巖體不同方向結構信息，更加精準地獲取巖體裂隙貫通深度及其組合特征，對巖體穩(wěn)定性分析的關鍵參數(shù)獲取有極大幫助，有效解決了當前攝影角度受限、巖體結構參數(shù)無法精準獲取的問題，大大提高了崩塌的識別效果?；诖耍疚膶?“貼近攝影測量”技術引入高位崩塌災害調查識別工作中，在介紹貼近攝影測量技術和崩塌識別方法的基礎上，以康定市郭達山崩塌為例，詳細闡述了具體應用過程，希望該技術能為我國地質災害調查和高位崩塌早期識別等工作提供參考。

1 貼近攝影測量技術介紹

1.1 概況

貼近攝影測量(nap-of-the-object photogrammetry)是由武漢大學張祖勛院士團隊針對精細化測量需求所提出的一種全新的攝影測量技術[15]。該技術利用旋翼無人機貼近被攝對象表面(5～50 m)攝影，獲取亞厘米級高分辨率影像，并進一步通過攝影測量軟件處理，恢復被攝對象的精確坐標及形狀，從而實現(xiàn)被攝對象的高精度實景三維模型重建。

相比于衛(wèi)星遙感技術和無人機航空攝影技術，貼近攝影測量技術具有更高的空間分辨率和“多角度”觀測優(yōu)勢，可以“環(huán)視”觀測對象，直接獲取危巖體“兩側”和“底部”信息特征(圖1)。

(a)衛(wèi)星影像(俯視成像,分辨率0.5m) (b)無人機航空影像(俯視+側視成像,分辨率0.1m) (c)貼近攝影測量影像(多角度成像,分辨率0.01m)圖1 不同遙感數(shù)據(jù)源成像方式及效果比較Fig.1 Comparison of imaging modes and effects of different remote sensing data sources

1.2 貼近攝影測量技術流程

貼近攝影測量技術流程主要遵循 “由粗到精”的基本思路。首先，采用旋翼無人機針對被攝對象進行初次航攝飛行，獲取被攝對象的初始地形信息；然后，根據(jù)初始地形信息進行三維航線規(guī)劃，并將所規(guī)劃的三維航線通過飛控軟件導入旋翼無人機的飛行控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)自動貼近飛行；最后將貼近飛行拍攝的大量圖像導入半自動建模軟件，經(jīng)過空中三角測量計算、影像密集匹配、紋理映射等一系列流程，得到被攝對象高精度的三維實景模型。

貼近攝影測量技術流程最為關鍵的步驟為三維航線規(guī)劃。在獲取被攝對象初始地形信息后，將拍攝對象目標表面擬合為一個空間平面(Σ)，平行距離于該擬合平面d(5 ～50 m)的位置即為飛行軌跡規(guī)劃平面(Σ′)(圖2)。

圖2 三維航線示意圖Fig.2 3D sketch of air route

在該飛行軌跡平面，通過預先設置航線參數(shù)，旋翼無人機可實現(xiàn)對拍攝對象的自動貼近飛行，相機自動垂直于擬合平面進行拍攝、左右偏轉一定角度進行拍攝，依據(jù)所拍攝的大量圖像最終實現(xiàn)高精度三維實景建模。

2 研究思路及技術方法

2.1 研究思路

將貼近攝影測量技術與崩塌穩(wěn)定性分析相結合，充分發(fā)揮貼近攝影測量技術高精度、多角度獲取巖體結構特征的技術優(yōu)勢，在三維模型構建基礎上，解譯危巖帶上每一處潛在危巖單體的結構面信息和變形特征，在此基礎上，基于赤平投影分析方法，對危巖體失穩(wěn)模式和穩(wěn)定性進行定性分析，進而圈定危巖單體，達到高位崩塌早期識別的目的。

2.2 高位崩塌早期識別技術流程

高位崩塌早期識別技術流程包括作業(yè)準備及現(xiàn)場踏勘、貼近攝影、巖體結構信息提取、危巖單體圈定及早期識別等步驟，如圖3所示。

圖3 高位崩塌早期識別技術流程Fig.3 Flow chart of early detection technology for high-level collapse

(1)作業(yè)準備及現(xiàn)場踏勘。對工作區(qū)地質環(huán)境條件進行現(xiàn)場踏勘，確定飛行條件。

(2)貼近攝影。通過無人機正射航拍獲取工作區(qū)高精度DEM，為貼近飛控面選取和航線規(guī)劃奠定基礎；根據(jù)危巖體面積大小、高度和寬度，合理規(guī)劃飛行航線；起飛和降落的高度應注意避讓高壓線、樓房和其他民用設施或汽車、火車等移動目標。

(3)巖體結構信息提取。巖體結構參數(shù)獲取是危巖體穩(wěn)定性分析評價的基礎，獲取的關鍵參數(shù)包括結構面產(chǎn)狀、臨空面、裂隙貫通深度、裂隙寬度以及節(jié)理組合特征等。

(4)危巖單體圈定及早期識別。分別制作巖體優(yōu)勢結構面、裂隙面及臨空面的赤平投影圖，根據(jù)優(yōu)勢結構面交線的位置與臨空面象限分布關系，定性分析該巖體的穩(wěn)定性以及失穩(wěn)破壞模式，以實現(xiàn)危巖單體圈定及早期識別。

2.3 危巖體結構特征關鍵參數(shù)獲取

危巖體結構特征關鍵參數(shù)包括巖體結構面產(chǎn)狀、裂隙面貫通深度及節(jié)理組合特征3個方面。裂隙面貫通深度和節(jié)理組合特征主要用于危巖體失穩(wěn)模式分析，可以借助三維模型直接測量(ContextCapture軟件自帶功能)；巖體結構面產(chǎn)狀則是危巖體穩(wěn)定性分析的關鍵參數(shù)，需要定量計算獲取。

本文在高精度三維實景模型基礎上，基于空間解析幾何理論，簡單闡述計算巖體結構面產(chǎn)狀的方法和過程。

假定A、B、C3點構成的“ABC”空間平面可表征某巖體的巖層面，A、B、C3點的坐標分別為(XA，YA，ZA)、(XB，YB，ZB)和(XC，YC，ZC)，則設該平面的空間平面方程為

Z=aX+bY+c。

(1)

將A、B、C三點代入方程(1)，可得矩陣

(2)

“ABC”空間平面與XY水平面的夾角即為該巖層面的傾角(α)，即

(3)

為計算“ABC”所在巖層面傾向，首先需要判斷“ABC”空間平面與XY水平面的交線KJ與Y軸的位置關系，如圖4所示。作一條與直線KJ垂直且經(jīng)過O點的直線MN。

圖4 結構面傾向計算的平面示意圖Fig.4 Schematic diagram for the calculating slant of the structural plane

直線MN的平面方程為

(4)

直線MN與Y軸的夾角β1為

(5)

若“ABC”空間平面上點A在XY平面上的投影點A′位于交線KJ的右側，則該平面傾向Y軸左側，即“ABC”所在巖層面的傾向為β2=180°+β1；反之，A′位于交線KJ的左側，傾向為β1。

綜上所述，“ABC”所在巖層面的傾向表示為

3 應用實例

3.1 郭達山崩塌概況

郭達山崩塌位于四川省康定市爐城鎮(zhèn)郭達街后山瓦斯河左岸，經(jīng)緯度坐標為東經(jīng)101°58′05″、北緯30°03′28″。崩塌所處山體郭達山海拔約3 700 m，地貌上屬于高山峽谷區(qū)，山高谷深，地形陡峻。主要危巖區(qū)距離地面高差約50～250 m，屬于高位崩塌。該區(qū)域歷史上曾發(fā)生過多次崩塌，較為嚴重的一次發(fā)生于 2007年4 月28 日，巖體崩落至坡腳農(nóng)貿(mào)市場，砸毀頂部鋼架棚，致使3 人受傷；在汶川地震當天，部分巖體崩落，造成1人死亡[16]。目前對右側危巖區(qū)的右側已進行了工程治理，在危巖體表部布設了主動柔性防護網(wǎng)，坡腳布設了被動防護網(wǎng)，危巖帶中部采用了錨桿錨固(圖5)。

圖5 郭達山崩塌危巖區(qū)正射影像Fig.5 Orthophoto map of Guodashan collapse

3.2 郭達山數(shù)據(jù)獲取及處理

3.2.1 初始地形獲取

為獲取郭達山崩塌所在區(qū)域的初始地形信息以便進行貼近攝影三維航線規(guī)劃，首先利用大疆Phantom 4 Pro無人機對郭達山崩塌所在區(qū)域進行航空影像拍攝，飛行高度設置為500 m，航向重疊率約為80%，旁向重疊率約為65%，共獲取了該區(qū)域16幅高清數(shù)字影像。經(jīng)攝影測量軟件處理之后，可得到郭達山崩塌所在區(qū)域的正射影像圖以及點云數(shù)據(jù)模型。

3.2.2 三維航線規(guī)劃

將郭達山崩塌所在區(qū)域的點云數(shù)據(jù)載入軟件CloudCompare，根據(jù)觀測任務區(qū)域范圍分別選取“左下”“右下”“左上”“右上”4個頂點，并量取其經(jīng)緯度和海拔高度信息，擬合覆蓋觀測區(qū)域的空間平面；而后將4個頂點的坐標信息導入航線規(guī)劃軟件，將飛行距離擬合空間平面設置為30 m，起飛點海拔高度設置為2 563 m，軟件自動生成相機鏡頭垂直于擬合平面以及左右偏轉20°的航線軌跡，共2架次。圖6為相機鏡頭垂直于擬合平面拍攝的航線軌跡。

3.2.3 貼近攝影測量

將上述航線導入無人機飛行控制系統(tǒng)，無人機根據(jù)導入的航跡線路、飛行速度、拍攝時間間隔以及拍攝姿態(tài)角度等信息，自動進入智能貼近飛行。本次貼近攝影共獲取了500幅亞厘米級超高分辨率影像。

3.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用三維建模軟件ContextCapture開展三維實景模型建立，處理流程包括自動空中三角測量、精細影像密集匹配以及影像拼接等，得到高精度三維實景模型。

3.3 郭達山高位崩塌早期識別

采用Acute View 3D軟件打開基于貼近攝影測量技術獲得的郭達山三維實景模型，能夠十分清晰地識別出該危巖單體巖層面、裂隙面以及臨空條件等信息(圖7(a))，A、B、C3點可表征該危巖單體巖層面；B、C、H3點可表征該危巖單體坡面P(圖7(b))；A、B、D3點可表征該危巖單體右側側緣切割面L1(圖7(c))；C、H、E3點可表征該危巖單體左側側緣裂隙面L2；A、D、E3點可表征后緣裂隙面L3(圖7(d))。

(a)正視 (b)右視

(c)左視 (d)俯視圖7 某危巖單體多視角圖像Fig.7 Multiangle imags of one dangerous rock mass

各點空間三維坐標如表1所示。

表1 危巖單體上各點空間三維坐標Tab.1 3D coordinates of the points on the dangerous rock mass m

根據(jù)2.3節(jié)所述方法，該危巖單體坡面以及結構面等控制危巖的結構面特征參數(shù)計算結果如表2所示。

表2 危巖單體結構面特征Tab.2 Structural plane characteristics of the dangerous rock mass

根據(jù)赤平投影分析，裂隙面L3與坡面P傾向呈小角度相交，屬陡直、外傾結構面，為后緣控制性裂隙(經(jīng)軟件量測該裂隙最寬張開度1.2 m)。巖層層面與裂隙面L1、L3將巖體切割為楔形體，且該楔形體傾向坡內(nèi)。因此，根據(jù)節(jié)理裂隙組合特征分析，失穩(wěn)破壞模式為傾倒式；危巖體在暴雨導致后緣充水或地震等情況下易沿底部巖層面發(fā)生崩塌。

基于前文所述識別方法，在郭達山崩塌的航攝區(qū)域內(nèi)共識別出較大危巖單體8處，均處于未進行工程治理的區(qū)域(圖8)。

圖8 研究區(qū)現(xiàn)有危巖體分布Fig.8 Distribution map of the dangerous rock mass in the study area

從破壞模式上分析，研究區(qū)內(nèi)的8處危巖單體包含了傾倒式、滑移式和墜落式3種破壞模式，其中傾倒式2處，滑移式1處，墜落式5處。建議對上述危巖體加強觀測，必要時需進一步采取工程治理措施，以保證斜坡坡腳處居民的生命財產(chǎn)安全。

4 結論及討論

基于貼近攝影測量技術對郭達山高位崩塌開展早期識別工作，取得了較好的應用效果，總結以下幾點認識：

(1)貼近攝影測量技術是針對精細化測量需求提出的一種全新的技術，具有明顯的高分辨率和“多角度”觀測技術優(yōu)勢，可以“近距離”探測觀測對象的微觀信息，識別巖體亞厘米級裂縫，尤其適合于高位崩塌調查和早期識別工作，已取得顯著成效。

(2)三維航線規(guī)劃是貼近攝影測量技術數(shù)據(jù)獲取階段的關鍵步驟。布設航線之前，需要先獲取工作區(qū)較高精度的初始地形。為了達到較好的貼近效果，觀測區(qū)域需構成一個相對平整的“面”，在保證飛行安全的情況下，距離該平整“面”越近，拍攝效果越佳。

(3)定量獲取巖體結構面產(chǎn)狀，是貼近攝影測量技術應用于高位崩塌早期識別過程的關鍵和核心。本文在高精度三維實景模型基礎上，基于空間解析幾何理論，應用“三點法”計算巖體結構面產(chǎn)狀；以此為基礎利用赤平投影分析方法，對危巖體穩(wěn)定性進行定性分析評價，達到早期識別的目的。

需要說明的是，雖然該技術在高位崩塌識別過程中應用效果較好，但在實際應用過程中仍然存在著一些問題和影響因素，比如：在飛行階段受天氣影響較大，在降雨和5級以上風速條件下，獲取影像質量較差，甚至無法開展航測作業(yè)；飛行區(qū)域選取受高壓線塔和輸電線路走向影響較大，部分高壓線塔和線路密集分布區(qū)，無法進行航測；在高密度植被覆蓋區(qū)，受拍攝角度遮擋限制，巖體觀測效果不佳。

致謝：感謝武漢大學張祖勛院士及其團隊的陶鵬杰副研究員、段延松副教授、何佳男博士等于2019年8月舉辦了貼近攝影測量技術培訓，感謝張祖勛院士團隊提供了三維航線規(guī)劃軟件FlightPlan(測試版)。