基于贴近摄影测量技术的高位崩塌早期识别技术方法研究

梁京涛，铁永波，赵聪，张肃

(1.四川省地质调查院/稀有稀土战略资源评价与利用四川省重点实验室，成都 610081；2.中国地质调查局成都地质调查中心，成都 610081)

0 引言

崩塌是我国主要的地质灾害类型之一，因具有高突发性的特点，往往难以对其发生做出准确的预警预报，因此开展崩塌的早期识别并有针对性提前预防意义重大。一般来说，高位崩塌因具有发育位置高、斜坡坡度陡、距离地面高差大等特点，靠人工进行地面调查难度大，且容易存在调查盲区[1]。近年来，高精度卫星遥感和无人机航空摄影技术逐渐应用于强震区[2]、公路高陡边坡[3-4]、输电线路[5]以及旅游景区[6-7]等的崩塌灾害调查评价。对于已发生过崩塌的灾后调查，采用无人机航空遥感技术，能够对崩塌源区的位置、面积、主崩方向以及边界实现快速识别[8]，估算堆积体方量等[4]；对于尚未发生崩塌的潜在危岩体，采用无人机航空遥感技术，能够提取大尺度的岩体裂隙迹长信息[9]，识别结构面产状[10-11]，建立三维模型[6-7,12]，以及预测滚石运动特征等[13-14]。

现有遥感成像技术多是从空中“俯视”成像，仅能获取到发育在危岩体“上部”的裂隙信息，而对裂隙的贯通情况或发育深度无法测量，更无法有效获取危岩体“两侧”和“底部”裂隙信息。虽然现有无人机可以超低空作业，地面分辨率可以达到分米级别，但对于崩塌壁上块度较小的“危岩单体”细微裂隙信息识别能力仍旧不足，对于厘米级甚至亚厘米级裂隙无法实现有效探测。

相比于垂直航空摄影或倾斜摄影而言，贴近摄影测量优势在于贴近危岩带近距离成像，拍摄距离甚至可以控制在5 m范围内，微观信息清晰、直观；同时，多角度拍摄可有效获取岩体不同方向结构信息，更加精准地获取岩体裂隙贯通深度及其组合特征，对岩体稳定性分析的关键参数获取有极大帮助，有效解决了当前摄影角度受限、岩体结构参数无法精准获取的问题，大大提高了崩塌的识别效果。基于此，本文将 “贴近摄影测量”技术引入高位崩塌灾害调查识别工作中，在介绍贴近摄影测量技术和崩塌识别方法的基础上，以康定市郭达山崩塌为例，详细阐述了具体应用过程，希望该技术能为我国地质灾害调查和高位崩塌早期识别等工作提供参考。

1 贴近摄影测量技术介绍

1.1 概况

贴近摄影测量(nap-of-the-object photogrammetry)是由武汉大学张祖勋院士团队针对精细化测量需求所提出的一种全新的摄影测量技术[15]。该技术利用旋翼无人机贴近被摄对象表面(5～50 m)摄影，获取亚厘米级高分辨率影像，并进一步通过摄影测量软件处理，恢复被摄对象的精确坐标及形状，从而实现被摄对象的高精度实景三维模型重建。

相比于卫星遥感技术和无人机航空摄影技术，贴近摄影测量技术具有更高的空间分辨率和“多角度”观测优势，可以“环视”观测对象，直接获取危岩体“两侧”和“底部”信息特征(图1)。

(a)卫星影像(俯视成像,分辨率0.5m) (b)无人机航空影像(俯视+侧视成像,分辨率0.1m) (c)贴近摄影测量影像(多角度成像,分辨率0.01m)图1 不同遥感数据源成像方式及效果比较Fig.1 Comparison of imaging modes and effects of different remote sensing data sources

1.2 贴近摄影测量技术流程

贴近摄影测量技术流程主要遵循 “由粗到精”的基本思路。首先，采用旋翼无人机针对被摄对象进行初次航摄飞行，获取被摄对象的初始地形信息；然后，根据初始地形信息进行三维航线规划，并将所规划的三维航线通过飞控软件导入旋翼无人机的飞行控制系统，以实现自动贴近飞行；最后将贴近飞行拍摄的大量图像导入半自动建模软件，经过空中三角测量计算、影像密集匹配、纹理映射等一系列流程，得到被摄对象高精度的三维实景模型。

贴近摄影测量技术流程最为关键的步骤为三维航线规划。在获取被摄对象初始地形信息后，将拍摄对象目标表面拟合为一个空间平面(Σ)，平行距离于该拟合平面d(5 ～50 m)的位置即为飞行轨迹规划平面(Σ′)(图2)。

图2 三维航线示意图Fig.2 3D sketch of air route

在该飞行轨迹平面，通过预先设置航线参数，旋翼无人机可实现对拍摄对象的自动贴近飞行，相机自动垂直于拟合平面进行拍摄、左右偏转一定角度进行拍摄，依据所拍摄的大量图像最终实现高精度三维实景建模。

2 研究思路及技术方法

2.1 研究思路

将贴近摄影测量技术与崩塌稳定性分析相结合，充分发挥贴近摄影测量技术高精度、多角度获取岩体结构特征的技术优势，在三维模型构建基础上，解译危岩带上每一处潜在危岩单体的结构面信息和变形特征，在此基础上，基于赤平投影分析方法，对危岩体失稳模式和稳定性进行定性分析，进而圈定危岩单体，达到高位崩塌早期识别的目的。

2.2 高位崩塌早期识别技术流程

高位崩塌早期识别技术流程包括作业准备及现场踏勘、贴近摄影、岩体结构信息提取、危岩单体圈定及早期识别等步骤，如图3所示。

图3 高位崩塌早期识别技术流程Fig.3 Flow chart of early detection technology for high-level collapse

(1)作业准备及现场踏勘。对工作区地质环境条件进行现场踏勘，确定飞行条件。

(2)贴近摄影。通过无人机正射航拍获取工作区高精度DEM，为贴近飞控面选取和航线规划奠定基础；根据危岩体面积大小、高度和宽度，合理规划飞行航线；起飞和降落的高度应注意避让高压线、楼房和其他民用设施或汽车、火车等移动目标。

(3)岩体结构信息提取。岩体结构参数获取是危岩体稳定性分析评价的基础，获取的关键参数包括结构面产状、临空面、裂隙贯通深度、裂隙宽度以及节理组合特征等。

(4)危岩单体圈定及早期识别。分别制作岩体优势结构面、裂隙面及临空面的赤平投影图，根据优势结构面交线的位置与临空面象限分布关系，定性分析该岩体的稳定性以及失稳破坏模式，以实现危岩单体圈定及早期识别。

2.3 危岩体结构特征关键参数获取

危岩体结构特征关键参数包括岩体结构面产状、裂隙面贯通深度及节理组合特征3个方面。裂隙面贯通深度和节理组合特征主要用于危岩体失稳模式分析，可以借助三维模型直接测量(ContextCapture软件自带功能)；岩体结构面产状则是危岩体稳定性分析的关键参数，需要定量计算获取。

本文在高精度三维实景模型基础上，基于空间解析几何理论，简单阐述计算岩体结构面产状的方法和过程。

假定A、B、C3点构成的“ABC”空间平面可表征某岩体的岩层面，A、B、C3点的坐标分别为(XA，YA，ZA)、(XB，YB，ZB)和(XC，YC，ZC)，则设该平面的空间平面方程为

Z=aX+bY+c。

(1)

将A、B、C三点代入方程(1)，可得矩阵

(2)

“ABC”空间平面与XY水平面的夹角即为该岩层面的倾角(α)，即

(3)

为计算“ABC”所在岩层面倾向，首先需要判断“ABC”空间平面与XY水平面的交线KJ与Y轴的位置关系，如图4所示。作一条与直线KJ垂直且经过O点的直线MN。

图4 结构面倾向计算的平面示意图Fig.4 Schematic diagram for the calculating slant of the structural plane

直线MN的平面方程为

(4)

直线MN与Y轴的夹角β1为

(5)

若“ABC”空间平面上点A在XY平面上的投影点A′位于交线KJ的右侧，则该平面倾向Y轴左侧，即“ABC”所在岩层面的倾向为β2=180°+β1；反之，A′位于交线KJ的左侧，倾向为β1。

综上所述，“ABC”所在岩层面的倾向表示为

3 应用实例

3.1 郭达山崩塌概况

郭达山崩塌位于四川省康定市炉城镇郭达街后山瓦斯河左岸，经纬度坐标为东经101°58′05″、北纬30°03′28″。崩塌所处山体郭达山海拔约3 700 m，地貌上属于高山峡谷区，山高谷深，地形陡峻。主要危岩区距离地面高差约50～250 m，属于高位崩塌。该区域历史上曾发生过多次崩塌，较为严重的一次发生于 2007年4 月28 日，岩体崩落至坡脚农贸市场，砸毁顶部钢架棚，致使3 人受伤；在汶川地震当天，部分岩体崩落，造成1人死亡[16]。目前对右侧危岩区的右侧已进行了工程治理，在危岩体表部布设了主动柔性防护网，坡脚布设了被动防护网，危岩带中部采用了锚杆锚固(图5)。

图5 郭达山崩塌危岩区正射影像Fig.5 Orthophoto map of Guodashan collapse

3.2 郭达山数据获取及处理

3.2.1 初始地形获取

为获取郭达山崩塌所在区域的初始地形信息以便进行贴近摄影三维航线规划，首先利用大疆Phantom 4 Pro无人机对郭达山崩塌所在区域进行航空影像拍摄，飞行高度设置为500 m，航向重叠率约为80%，旁向重叠率约为65%，共获取了该区域16幅高清数字影像。经摄影测量软件处理之后，可得到郭达山崩塌所在区域的正射影像图以及点云数据模型。

3.2.2 三维航线规划

将郭达山崩塌所在区域的点云数据载入软件CloudCompare，根据观测任务区域范围分别选取“左下”“右下”“左上”“右上”4个顶点，并量取其经纬度和海拔高度信息，拟合覆盖观测区域的空间平面；而后将4个顶点的坐标信息导入航线规划软件，将飞行距离拟合空间平面设置为30 m，起飞点海拔高度设置为2 563 m，软件自动生成相机镜头垂直于拟合平面以及左右偏转20°的航线轨迹，共2架次。图6为相机镜头垂直于拟合平面拍摄的航线轨迹。

3.2.3 贴近摄影测量

将上述航线导入无人机飞行控制系统，无人机根据导入的航迹线路、飞行速度、拍摄时间间隔以及拍摄姿态角度等信息，自动进入智能贴近飞行。本次贴近摄影共获取了500幅亚厘米级超高分辨率影像。

3.2.4 数据处理

采用三维建模软件ContextCapture开展三维实景模型建立，处理流程包括自动空中三角测量、精细影像密集匹配以及影像拼接等，得到高精度三维实景模型。

3.3 郭达山高位崩塌早期识别

采用Acute View 3D软件打开基于贴近摄影测量技术获得的郭达山三维实景模型，能够十分清晰地识别出该危岩单体岩层面、裂隙面以及临空条件等信息(图7(a))，A、B、C3点可表征该危岩单体岩层面；B、C、H3点可表征该危岩单体坡面P(图7(b))；A、B、D3点可表征该危岩单体右侧侧缘切割面L1(图7(c))；C、H、E3点可表征该危岩单体左侧侧缘裂隙面L2；A、D、E3点可表征后缘裂隙面L3(图7(d))。

(a)正视 (b)右视

(c)左视 (d)俯视图7 某危岩单体多视角图像Fig.7 Multiangle imags of one dangerous rock mass

各点空间三维坐标如表1所示。

表1 危岩单体上各点空间三维坐标Tab.1 3D coordinates of the points on the dangerous rock mass m

根据2.3节所述方法，该危岩单体坡面以及结构面等控制危岩的结构面特征参数计算结果如表2所示。

表2 危岩单体结构面特征Tab.2 Structural plane characteristics of the dangerous rock mass

根据赤平投影分析，裂隙面L3与坡面P倾向呈小角度相交，属陡直、外倾结构面，为后缘控制性裂隙(经软件量测该裂隙最宽张开度1.2 m)。岩层层面与裂隙面L1、L3将岩体切割为楔形体，且该楔形体倾向坡内。因此，根据节理裂隙组合特征分析，失稳破坏模式为倾倒式；危岩体在暴雨导致后缘充水或地震等情况下易沿底部岩层面发生崩塌。

基于前文所述识别方法，在郭达山崩塌的航摄区域内共识别出较大危岩单体8处，均处于未进行工程治理的区域(图8)。

图8 研究区现有危岩体分布Fig.8 Distribution map of the dangerous rock mass in the study area

从破坏模式上分析，研究区内的8处危岩单体包含了倾倒式、滑移式和坠落式3种破坏模式，其中倾倒式2处，滑移式1处，坠落式5处。建议对上述危岩体加强观测，必要时需进一步采取工程治理措施，以保证斜坡坡脚处居民的生命财产安全。

4 结论及讨论

基于贴近摄影测量技术对郭达山高位崩塌开展早期识别工作，取得了较好的应用效果，总结以下几点认识：

(1)贴近摄影测量技术是针对精细化测量需求提出的一种全新的技术，具有明显的高分辨率和“多角度”观测技术优势，可以“近距离”探测观测对象的微观信息，识别岩体亚厘米级裂缝，尤其适合于高位崩塌调查和早期识别工作，已取得显著成效。

(2)三维航线规划是贴近摄影测量技术数据获取阶段的关键步骤。布设航线之前，需要先获取工作区较高精度的初始地形。为了达到较好的贴近效果，观测区域需构成一个相对平整的“面”，在保证飞行安全的情况下，距离该平整“面”越近，拍摄效果越佳。

(3)定量获取岩体结构面产状，是贴近摄影测量技术应用于高位崩塌早期识别过程的关键和核心。本文在高精度三维实景模型基础上，基于空间解析几何理论，应用“三点法”计算岩体结构面产状；以此为基础利用赤平投影分析方法，对危岩体稳定性进行定性分析评价，达到早期识别的目的。

需要说明的是，虽然该技术在高位崩塌识别过程中应用效果较好，但在实际应用过程中仍然存在着一些问题和影响因素，比如：在飞行阶段受天气影响较大，在降雨和5级以上风速条件下，获取影像质量较差，甚至无法开展航测作业；飞行区域选取受高压线塔和输电线路走向影响较大，部分高压线塔和线路密集分布区，无法进行航测；在高密度植被覆盖区，受拍摄角度遮挡限制，岩体观测效果不佳。

致谢：感谢武汉大学张祖勋院士及其团队的陶鹏杰副研究员、段延松副教授、何佳男博士等于2019年8月举办了贴近摄影测量技术培训，感谢张祖勋院士团队提供了三维航线规划软件FlightPlan(测试版)。