無人機傾斜攝影測量技術(shù)在公路地質(zhì)災害中的應用

王浩

(天水三和數(shù)碼測繪院有限公司,甘肅 天水741000)

公路地質(zhì)災害識別是公路防災減災業(yè)務的重要工作,更是公路全生命周期管理中不可忽視的必要環(huán)節(jié)。全國發(fā)生危害公路交通設(shè)施的地質(zhì)災害頻起,對經(jīng)濟和人民生命造成直接及間接的巨大損失。因此建設(shè)一套公路地質(zhì)災害識別體系可以安全高效的提出地質(zhì)災害預警,填補國內(nèi)公路預警技術(shù)體制的空白。傳統(tǒng)的勘察設(shè)計手段已經(jīng)無法滿足新形勢下的公路工程建設(shè)需求,在勘察設(shè)計、施工建設(shè)、后期運營各階段中,迫切需要對工程具有重要影響的不良地質(zhì)體進行實時查看和判別,以減少地質(zhì)災害對公路施工及后期的影響。

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù),該技術(shù)目前在歐美等發(fā)達國家已經(jīng)廣泛應用于各個行業(yè)。但是,在我國仍然存在較大的空白,傾斜影像技術(shù)的引進和應用,可以使目前高昂的三維建模成本大大降低。無人機遙感系統(tǒng)具有成本低、速度快、易操作等優(yōu)勢,已廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)農(nóng)業(yè)、災害應急與三維重建等領(lǐng)域中[1-3]。

利用無人機搭載傾斜相機,對地質(zhì)災害地區(qū)進行航拍,獲取原始影像,通過三維建模軟件對原始影像數(shù)據(jù)進行處理,獲得實景三維模型,通過在三維模型上測量及評估,結(jié)合地質(zhì)專家意見,得到該地質(zhì)的災害預警信息。同時還可以給設(shè)計提供參考,并指導任務區(qū)域的施工及后期運維情況。

1 整體方案

1.1 整體構(gòu)架

傳統(tǒng)攝影測量采用下視攝影,這種攝影方式可以很好的觀測到地表和被攝物體頂部的特征[4]。傾斜攝影測量的采集方式是使相機安裝與地面呈一定的夾角,這樣可以更加完整的采集到被測物體的側(cè)面紋理信息,最終生成的模型信息更加豐富,結(jié)構(gòu)更加完整,紋理更加真實。

1.2 硬件設(shè)備

項目所用無人機為六旋翼無人機,無人機技術(shù)參數(shù)如表1 所示。操作人員根據(jù)地面站提示,選擇對應的相機型號,框選作業(yè)區(qū)域,軟件自動形成航線,操作人員根據(jù)實際情況調(diào)整航線至合理,輸入飛行比例尺,軟件自動計算出飛行高度及航程和時間,然后設(shè)置好各項應急保護參數(shù),最大程度的保證飛機在多種不定因素下的安全。

表1 無人機技術(shù)參數(shù)

2 數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 流程簡介

某項目地處云貴高原與四川涼山接壤地帶,位于川滇南北向構(gòu)造- 小江斷裂帶之東緣與其東側(cè)的北東向構(gòu)造的結(jié)合部位,路線走廊帶滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災害發(fā)育,該項目在勘察設(shè)計、施工建設(shè)以及后期的運營階段中針對各種不良地質(zhì)體的判識、風險評估、穩(wěn)定性計算以及處置措施等問題亟待解決。

圖1 測區(qū)影像空三提點后點云及像控點分布圖

圖2 技術(shù)流程

2.2 航飛方案

如圖1 所示,該地高程起伏落差大,測區(qū)高程最低點海拔625m,最高點海拔1293m,為了獲取0.05m 以下的高精度三維模型,無人機航飛相對高度設(shè)置為180m,測區(qū)高程落差668m,大于無人機的航飛相對高度180m,導致不能采用同一航飛高度航飛完整個測區(qū),要對測區(qū)進行不同高度的分層航飛。圖1 中綠色航帶為分層航飛的分布情況。像控點布設(shè)應均勻分布在整個測區(qū),測區(qū)最高點最低點及極高點極低點均需要加布像控點。最后通過三維建模軟件進行空三,得到圖1 的測區(qū)影像空三提點后點云,導入像控點坐標并進行像控點標記及空三平差,得到圖1 黃色圓圈狀的的像控點分布圖。

采用無人機搭載傾斜云臺進行航飛,獲得的原始傾斜照片采用三維建模軟件快速建模,獲得的實景三維模型在三維模型基礎(chǔ)上進行測量,得到大比例尺地形圖,同時可以測量坡度距離等信息,同時可以直觀看到地質(zhì)情況,得到結(jié)論,給設(shè)計提供基礎(chǔ)資料。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)勢

利用無人機對目標區(qū)域進行航飛,無人機作為先進的生產(chǎn)工具和作業(yè)手段,與傳統(tǒng)勘測方式相比較具有多方面優(yōu)勢：

2.3.1 精度高。目前無人機所搭載的專業(yè)單反數(shù)碼相機,有效像素優(yōu)于6 千萬像素,通過計算,航飛地面分辨率優(yōu)于0.05m,搭載在無人機上所拍攝的高清晰度數(shù)碼航片經(jīng)數(shù)字化處理后,可以快速的生成實景三維模型,并繪制出精確的大比例尺的地形圖。

2.3.2 快速。無人機航飛相比于傳統(tǒng)人工建模獲取數(shù)據(jù)更加快速,不用再用傳統(tǒng)的測量手段進行逐點測量。

2.3.3 直觀性。獲取的三維實景模型從地物信息及顏色形態(tài)都跟實際對應,得到的三維實景模型更加直觀與真實,同時還可以直接在模型基礎(chǔ)上進行量測[5]。

2.4 最終成果

通過三維建模軟件對原始數(shù)據(jù)進行處理,得到OSGB、OBJ、FBX 等等多種格式的實景三維模型,為該項目最終實景模型成果,可以在多種三維平臺進行瀏覽和測量。三維平臺可以對實景三維模型進行加載、測量,近而得到地質(zhì)體的幾何特性。

3 地質(zhì)災害中的應用

3.1 地質(zhì)災害簡介

我國地質(zhì)災害頻發(fā),損失巨大,其中常見的地質(zhì)災害有山體滑坡、泥石流、堰塞湖、巖石崩塌、地裂縫、道路塌陷等等。高速公路修建時途徑路段采用三維傾斜攝影,對地質(zhì)災害進行一個預判,可以減少損失,提升綜合防災減災能力,保障國土安全。同時,對整個地形進行航飛,可以解決困難地區(qū)人員無法到達現(xiàn)場以及危險地區(qū)人員勘察困難的難題,可以輕松在室內(nèi)對地質(zhì)災害區(qū)域進行識別及預判。

3.2 技術(shù)路線(圖2)

在實景三維模型的基礎(chǔ)上,通過三維地理信息系統(tǒng)軟件進行加載,由于目前模型精度可優(yōu)于0.05m,可以直接在模型上非常清楚看到項目區(qū)地表的地質(zhì)構(gòu)造,同時可以用測量工具對裂縫進行測量,在模型上,人工對地災點進行不良地質(zhì)體的判識并標注,地表覆蓋情況可以完整體現(xiàn)并提供報告素材,最后進行風險評估、穩(wěn)定性計算以及處置措施。

3.3 傾斜攝影應用在地質(zhì)災害的優(yōu)勢

改進了傳統(tǒng)二維地圖識別解譯方式,使二維平面走向三維立體,實現(xiàn)了公路地質(zhì)災害可視化,建立自動化的地質(zhì)災害風險分析與預測模型系統(tǒng),取代以往需要專家到現(xiàn)場判別地質(zhì)災害預測模式,實現(xiàn)高效化、數(shù)字化、自動化的公路地質(zhì)災害協(xié)同預判。

4 結(jié)論

本文針對無人機對地質(zhì)災害區(qū)域進行航飛及三維建模方式進行詳細介紹,包括無人機的優(yōu)勢和操作的便捷性,并概括了三維模型的優(yōu)勢,同時詳述了傾斜攝影的航飛過程和數(shù)據(jù)處理的簡易流程。最后列舉地質(zhì)災害類型及傾斜攝影在地質(zhì)災害中的應用,通過人工判別地質(zhì)災害,對地質(zhì)災害進行預警分析,傾斜攝影技術(shù)是現(xiàn)在公路地質(zhì)災害區(qū)域勘察以及設(shè)計不可缺少的手段。