无人机在滑坡调查中的应用研究
时间：2023-04-22 18:55:05 来源：千叶帆 本文已影响人
孙 萌，丁占稳，秦 飞
（1.华北水利水电大学 地球科学与工程学院，郑州 450000；
2.河南省地矿建设工程（集团）有限公司，郑州 450000）
现阶段传统地质灾害调查工作存在一些问题：①野外工作效率低。在传统的野外地质调查中，主要依赖于人工，做不到精细化处理，只能划分重点区域和一般区域。尤其在许多工作条件艰苦的地区，比如荒漠区、高寒区和无人区等，人工很难采集到地质数据。②采集资料的精度不够。在野外地质调查中，传统的技术手段主要包括测量、照相、取样和描述等，获取的地质资料精度有限。在环境不适宜的考察点，时间紧张，无法展开精确的地质工作。一般在重点考察点处的资料详细，精度高，在其他地方获取的资料精度较低。③传统地质调查存在一定危险性，许多地区野外地质工作条件艰苦，很多地形十分危险，会对调查者的人身安全造成很大的威胁。
随着无人机在地质灾害调查中的应用，解决了上述的大部分问题，既提高了野外工作的精度和效率，又保障了地质工作者的生命安全。面对应急调查（如郑州“7·20”特大暴雨、汶川地震等），需要快速对现场进行勘察，此时无人机的优势就更加明显。周林辉用无人机采集研究区域的地质点、线、面和体等信息，提高了地质调查的速度和精度。郑昕提出了一种基于无人机影像和高程数据的地形构造线的确定方法。马娟等采用无人机技术、地理信息技术和图像融合技术，实现采集流程全自动化。张晶晶等通过无人机获取倾斜影像资料，构建了实景三维模型。无人机建模可以产生三维点云、正射影像等多种数据，能更加真实地反映地形地貌。通过无人机获取的高精度数据，其时效性、真实性和可靠性都能得到保证。
1.1 研究背景
新安县引畛济涧工程位于河南省洛阳市新安县境内，自畛河引小浪底库水经过引水隧洞进入新安县城南侧的涧河。工程任务为新安县城提供生产、生活用水，充分利用小浪底库区库容。滑坡位于小浪底水库下游畛河右岸。
1.2 地形地貌
滑坡位于洛阳市新安县引畛济涧工程畛河右岸进水口附近，在地貌单元上属低山丘陵区和黄土塬区地形起伏大，沟谷切割强烈，大部分地区被第四系松散系松散地层覆盖，少部分地区出露基岩地层。
畛河右岸山岭北高南低，一般山岭高程250～420 m，沟底高程245～300 m，相对高差60～220 m。畛河河谷较宽，呈对称“U”型，局部发育阶地，河床高程250 m 左右，小浪底水库非汛期蓄水后，畛河河床多被淹没于库水位之下。新安县引畛济涧工程进水口距离滑坡区50 m，滑坡位置如图1 所示。
图1 滑坡位置
1.3 地层岩性
滑坡区及其附近出露奥陶系、石炭系和二叠系。地层由老到新如下。
1.3.1 古界奥陶系（O）
中统马家沟组（O2m）：底部为黄色或黄绿色砂砾岩、页岩及泥灰岩，厚2～20 m，下部为深灰色（表面风化色为灰白色）厚层石灰岩；
上部为厚层灰岩夹白云质灰岩及泥灰岩。该岩组厚约74 m，与石炭系本溪组平行不整合接触，主要出露于涧河南岸。
1.3.2 古生界石炭系（C）
中统本溪组（C2b）：下部岩性主要为杂色页片状铁铝质泥岩、褐红色页片状铁质铝土岩及灰白色铝土矿层; 上部为灰白色薄层含砾粗粒石英砂岩及杂色页片状铝质泥岩，顶部为灰白色泥岩。该岩组厚约15 m，平行不整合于奥陶系马家沟组岩层之上，主要出露于畛河南岸。
1.3.3 古生界二叠系（P）
下统山西组（P1s）：底部一般为灰白色厚层粗粒长石石英砂岩（厚3～35 m），有时相变为砂质页岩、硅质泥岩;其上为铝土页岩、炭质页岩夹细砂岩，区内该岩组厚20～90 m，主要出露于涧河南岸。
下统下石盒子组（P2x）：底部为厚约20 m 的灰白色石英砂岩（局部相变为2 层砂岩夹粉砂质页岩），其上以泥岩（图2）为主，夹长石石英砂岩，一般呈黄绿色；
主要出露于西北部畛河岸边。
图2 泥岩
本文用的无人机型号是DJ1 大疆精灵Phanto 4，如图3 所示。精灵4 配备1 英寸2000 万像素影像传感器，搭载高分辨率多视角航空摄影仪。拍摄时，同步记录相机拍摄瞬间的姿态角及地理坐标，后期通过航空摄影测量相关软件对影像数据进行处理，主要经过密集匹配、三角网构建和纹理映射等步骤构建目标区域实景三维模型。DJ1 大疆精灵Phanto 4 技术参数见表1。
表1 DJ1 大疆精灵Phanto 4 技术参数表
图3 DJ1 大疆精灵Phanto 4
无人机航拍前，要先收集无人机航拍区域内的地形图等资料，现场考察，其是否满足航拍要求。恶劣天气（如大风、下雪、下雨和有雾）时勿飞行，而且要选择开阔、周围无高大建筑物的场所作为飞行场地。在航拍过程中，应随时关注电池电量的情况，预留足够的电量返航。
无人机航拍步骤如下：①组装无人机。②开遥控器和无人机的电源。③打开机后将无人机与遥控器连接，然后输入cors 号，连接RTK。④根据任务要求来规划无人机的航拍路线。⑤开启起飞模式。起飞时返航点已经记录，如果信号受阻，无人机会与遥控器断开连接，电量充足的情况下，无人机会自动返航。
无人机的数据处理包括空中三角测量处理和三维数字模型构建2 部分，处理完成后可以获得正射影像图和DSM 文件。数字正射影像图是一种高分辨率、高精度的三维影像图。正射影像作为一种数字测绘产品，同时具有几何精度、数学精度和影像特征，信息量大，内容丰富，直观真实。对于应急调查（突发地震或极端气候导致的地质灾害），可以直接在正射影像图上计算出滑坡体的总体积（图4），该滑坡体的总体积约为6.6827×104m3。数字地表模型（Digital Surface Model，缩写DSM）是指包含了地表所有建筑，以及树木等高度的地面高程模型。DSM 比DEM 包含的内容更多，包含了除地面以外的其他所有的地表信息的高程。在一些对建筑物高度有需求的领域，得到了很大程度的重视。
图4 正射影像图计算滑坡总体积
本文选用的数据处理软件是Pix4D。①打开软件，建立文件夹，把无人机数据导入，输出坐标系选择CGCS2000。②在处理菜单中设置生成三维网格纹理，在配置中选择高分辨率，并且勾选OBJ 格式。③因需要的是正射影像图，所以输出选择3D Maps。④处理数据前打开设置把自己电脑的显卡勾选上启动显卡加速，一般的数据是没问题的。如果不确定数据是否正确或者有像控点，一般只勾选第一步初始化处理，然后点击确定，点击开始处理就行。⑤创建完成后地图视图里显示照片位置无错乱就可以开始处理数据。⑥每完成一步都可以在处理选项下查看质量报告，确定没问题再点击下一步，因为精灵RTK 是实时差分，精度比较高。DSM 如图5所示，部分点（高精度）数据导出见表2。
表2 无人机导出的点（高精度）数据
图5 DSM
犀牛软件全称为Rhino3D NURBS，是一款功能很强大的三维高级建模软件，主要功能是三维造型建模、绘制二维图形，并进行尺寸标注。这款软件是由美国Robert McNeel 公司在1998 年推出的。犀牛软件功能强大，可以非常流畅地进行建模。其可以创建、分析和编辑NURBS 曲面、曲线与实体，并在角度、尺寸方面没有限制。其可以很快地将数据表示成图形、制图设计界面、3-D 制图法设计图符界面、工作中的透视视窗、无限制的图形视见区、指定的视区和工具栏界面。
对于地质工作者来说，犀牛建模的基础文件是投影坐标系下的等高线。三维地表网格生成的流程是线—点云—网格面—地表面。0.5 m 等高线如图6 所示，点云如图7 所示，网格面如图8 所示。三维建模最核心的思想：建立具有分隔内部空间的密闭焊接网格集。善于利用点和线等物件辅助变动工具的操作，往往可以加快建模效率和提供建模准确性和成功率。简单三维模型如图9 所示。
图6 等高线
图7 点云
图8 网格面
图9 简单三维模型
在地质调查中，使用无人机采集地质数据，不仅提高了地质工作者的工作效率，还提高了获取的地质数据的精度。正射影像图是同时具有地图几何精度和影像特征的图像，不仅能直观真实地反映地形地貌，而且能快速计算出研究体的方量。在犀牛软件强大的网格建模功能下，由等高线到三维模型的建立变得简单而又高效。
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