空地一体三维建模技术在地质灾害调查中的应用.pdf

经纬天地Survey World2023年第3期No.320230引言我国是地质灾害发生较为频繁的国家之一，且灾害种类多、分布广、危害大，制约着国民经济的发展，使人民群众的生命财产安全遭受到严重威胁。全国自然灾害综合风险普查是我国一项重要的基本国情调查，是提高自然灾害控制能力的重要基础。开展地质灾害风险普查是自然灾害防治体系建设的关键环节之一，其成果是自然灾害防治“九大工程”中地质灾害综合治理和避险移民搬迁工程的重要依据，也是保障城市安全运行的重要支撑。传统的崩塌点地质灾害调查主要以人工勘探崩塌点地质构造及隐患情况，工作效率低、危险系数高，并且仅依靠人工也难以全面地观测病害坡体或危岩体结构裂隙发育情况。近年来，倾斜摄影技术逐渐得到飞跃式的发展，其具有数据采集精度高、多角度、可视化、自动化的优势，在应急灾害处理、灾害监测等诸多领域有着广泛应用。传统倾斜摄影测量相对航高较高，且相机角度固定，难以全面采集测区影像数据，构建的实景三维模型部分近地区域极易出现分辨率低、拉花和破洞等问题，无法满足地质灾害精细化调查的要求1-2。针对以上问题，本文提出一种无人机航空摄影测量融合近地影像，通过“空地”影像数据互补构建精细化实景三空地一体三维建模技术在地质灾害调查中的应用孙立恒，张华平（江西省地质局地理信息工程大队，江西 南昌 330001）摘要：灾害风险调查和重点隐患排查是中央到地方的重点工作任务之一，在山区高危边坡崩塌地质灾害精细化调查中，人工调查方式工作效率低且风险系数高。基于传统无人机倾斜摄影测量技术建立的实景三维模型能减少外业工作量，但由于近地山体分辨率和精度低、纹理映射不足，因此难以全面地观测岩体滑坡及崩塌情况。应用无人机摄影测量技术融合近地影像进行地质灾害空地一体三维建模，经验证，该技术可以提高三维模型的整体精度，满足精细化病害坡体或危岩体结构裂隙调查的要求。关键词：空地一体；实景三维模型；崩塌体；精细化调查中图分类号：P258文献标识码：A文章编号：2095-7319（2023）03-0094-04Application of three dimensional modeling technologyin the investigation of geological hazardsSUN Liheng ZHANG Huaping(Department of Geographic Information Engineering,Jiangxi Geological Bureau，Nanchang 330001，China)Abstract:Disaster risk investigation and key hidden danger investigation are one of the key tasks from the central government to thelocal government.During the fine investigation of high risk slope collapse geological disasters in mountainous areas，the manualinvestigation method has been found to be in low efficiency and high risk.The 3D model obtained by the traditional UAV tiltphotogrammetry can reduce the field workload.However,due to the low resolution and precision of the near-earth mountain andinsufficient texture mapping，it is difficult to observe the landslide and collapse situation of the rock mass comprehensively.In thispaper,UAV photogrammetry technology is used to integrate near-earth images to conduct three-dimensional modeling of geologicaldisasters.It has been proved that this technology can improve the overall accuracy of the three-dimensional model and meet therequirements of fine investigation of structural cracks in diseased slopes or dangerous rock masses.Key words:open space integrated;real 3D model;a collapsing body;detailed investigation收稿日期：2022-07-04作者简介：孙立恒（1978），男，江西丰城人，本科，学士学位，高级工程师，主要从事自然资源管理和测绘地理信息技术研究和推广应用等工作。E-mail：946月维模型，辅助进行地质灾害调查的方法。1相关理论与方法1.1倾斜摄影测量倾斜摄影测量技术是在无人机上安装多台影像采集装置，一般通过多台倾角大于 15 的相机从垂直、左右、前方和后方等不同视角采集影像数据，并利用建模软件生成倾斜三维模型，用数字化方式完整地表达地物实际情况。但是由于视角的原因，无法完整获取待测目标数据，所以极易出现纹理不清晰、模型体凹凸不平、变形和扭曲失真等问题，尤其在落石密集、植被茂密的地区弊端更加明显3。1.2近景摄影测量近景摄影是指对物距不超过 100 m 的目标物拍摄一定数量的影像，再根据空间几何算法，确定物体几何特性的一种技术。利用无人机的近景摄影测量技术和单反相机拍摄被测对象的影像数据，通过计算机进行空三测量解析，得到初始的影像外方位元素，快速建立目标对象的三维模型，该方法具有高效、准确、无接触等优势。然而，由于近景摄影的工作效果偏差大，不适合进行大范围的影像数据采集。1.3空地一体三维建模理论空地一体三维建模，则是将“无人机倾斜航拍和地面定点拍照”空地结合实现了目标实景数据的自动采集。除了无人机采集倾斜影像数据外，还通过地面站获取危体侧面数据，可以较好避免传统倾斜摄影测量影像数据采集不全的局限性。最后将空三的结果通过人工添加的方式进行空地两类空三成果融合，生成实景三维模型。2空地一体三维建模技术在崩塌灾害调查中的应用2.1测区概况测区位于华北平原和太行山山脉的交界处，位于北京市房山区，面积超过 3000 m2，地貌类型复杂，加上近期遭受强降雨，地质灾害风险点增多，且风险点地势陡峭、难以攀登，为地质人员地面调查工作带来严峻的考验。2.2空地一体三维建模流程航空倾斜摄影测量采用大疆 M300 RTK 无人机搭载M6Pros 近景照相机进行采集，地面点影像数据由大疆精灵4 RTK 无人机以及搭载差分模块的尼康单反设备获取，按照设定距离进行环绕拍摄。为了确保空地影像在同一空间参考坐标系内，本文将空中倾斜影像与地面近景影像结合，首先获取无人机 POS 数据，惯性导航系统直接测定的姿态信息需要转换到摄影测量中所需要的姿态信息才能用于作为外方位元素使用；其次通过提取连接点、匹配连接点、光束法区域网平差、创建区块提交空三任务等构建 TIN 三角网；最后通过纹理映射和贴图，得到更加精细、逼真的实景三维模型。空地一体三维模型构建流程如图 1 所示。2.3基于崩塌隐患点的空地影像获取航空倾斜摄影测量外业数据采集时应用的是大疆M300 RTK 无人机，航线重叠设置为 80%，旁向重叠设置为75%，飞行高度设置为 200 m，侧面拍摄角度为 60，设置“井”字型飞行航线4-5。为采集岩体完整的侧面纹理数据，还采用阶梯环绕法，按测区地形的不同海拔设置不同的航高，手动控制大疆精灵 4 RTK 无人机按照多层环绕飞行方式环绕岩体获取。作业时布置多个带补偿航高的环形飞行，从而形成不同台阶数目的环形航拍，邻近地区的环绕圆彼此重叠。但是阶梯型环绕航拍方案的难点在于不同高度测量图像之间的连接，当重叠率不够时，就不能进行同名点的匹配。因此外业数据采集时利用过渡影像作为“桥梁”，将不同航高的航摄影像联合起来，保证不同高度影像有足够的重叠率，设置 80%影像间重叠度以及 60%环绕层重叠率。在近地面区域采用人工手持尼康相机围绕岩体周围进行拍照，获取近地影像数据。需要注意的是，为避免转角区域因视角变化过大造成漏飞，在摄影过程中，镜头的焦点应集中在中上部，以保证后期模型效果。近景地质灾害区域影像获取示意图如图 2 所示。2.4基于崩塌隐患点的空地一体三维模型构建空地一体实景三维建模应用的是 ContextCapture Center软件，将航空影像与近地影像结合像片控制点，进行空三加密，建立同一坐标系下的三维模型。首先，将高空倾斜摄影测量获取的影像及 POS 数据导入建模软件中，并在三维处理软件中建立测区 block 1；然后对无人机航摄影像进行匀图 1空地一体三维模型构建流程图图 2近景地质灾害区域影像获取示意图孙立恒，张华平：空地一体三维建模技术在地质灾害调查中的应用95经纬天地Survey World2023年第3期No.32023再进行中误差计算公式，如式（1）所示：根据表 1 结果分别计算 X 和 Y 方向的中误差，如式（2）、式（3）所示：光匀色处理，再对影像进行像控点转刺，以及区域网多镜头联合平差，获得空三成果；最后再通过软件对近景环绕影像和近地数码相机影像进行三维建模，将目标区域内的定点拍摄的废片剔除，通过空三软件建立测区 block 2，再将影像数据导入进行空三解算，最后获得空三成果。在 block 1 中，选择空地两种不同类型的影像在同一目标岩体相同的位置，至少选择 3 个相同的点作为同名连接点，然后进行刺点，并将其导出为 block 2 的控制点；在 block2 中，将 block 1 上的连接点作为控制点导入到加密平台中，根据保留的点位图进行刺点，再选取刚性配准进行空三解算；block 1 和 block 2 通过刺入的连接点进行匹配，再将经过最后空三解算的 block 1 和 block 2 测区的空三成果合并，创建新的生产项目，以此完成空地一体实景三维模型的构建。崩塌点三维模型及细部纹理如图 3 所示。2.5成果精度对比分析根据提前布置的野外检核点（地面检核点、特征地物和特征拐点），以全站仪实地采集坐标为基准，对空地一体化和常规倾斜摄影目标岩体实景三维模型分别进行精度分析，平面坐标对比偏差结果如表 1 所示。（a）崩塌点空地一体三维模型（b）崩塌点细部纹理图 3崩塌点三维模型及细部纹理表 1模型与实测坐标偏差分析区域空地一体倾斜摄影房角点E1E2E20E1E2E20三维模型X*98.438*15.056*25.472*10.374*49.138*08.025三维模型Y*22.129*34.208*36.218*42.513*05.156*65.162实测数据X*98.393*15.006*25.418*10.451*49.204*08.107实测数据Y*22.154*34.153*36.260*42.459*05.083*65.074X0.0450.0500.054-0.077-0.066-0.082Y-0.0250.055-0.0420.0540.0730.088单位：m.（1）.（2）（3）mx 空地=120120X2i=0.053 mmy 空地=120120Y2i=0.049 m mx倾斜=120120X2i=0.072 mmy倾斜=120120Y2i=0.076 mmx=XX nmy=YY n点位=m2x+m2y966月最后计算检查点的点位中误差均值，如式（4）所示：综上所述，相比传统的倾斜摄影测量作业方式，X 方向中误差提高了 0.019 m，Y 方向中误差提高了 0.017 m，整体计算的点位中误差提高了 0.033 m，整体来看，空地一体化融合的三维模型精度提高明显，能够满足生产需求。3结果分析模型浏览应用的是 ContextCapture Viewer 软件，在该视图中可以清楚看到没有植被的坡面和裸露土地，在暴雨期间有可能发生滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害。利用该视图中的测量工具，通过沿坡面边缘数据量测，如图 4 所示，得到可能出现的地质灾害区域范围。对可能存在崩塌区域进行量测分析，得到崩塌区域周长约为 580 m，危岩体分布高程为250 m300 m，崩塌点坡度大于 50，崩塌等地质灾害受灾的表面积约为 7860 m2。在 ContextCapture Viewer 软件视图中，以选定的最低点所处的平面为参考面，得出了该地区的土方量。由于研究区尚未发生地质灾害，因此将山脚下居民区周边开挖区作为可能发生的地质灾害区域，对其进行土方分析、数值模拟，得出了可能发生滑坡和泥石流的危体总体积达到 1340 m3。从总体上讲，基于空地一体生成的实景三维模型，不仅可以对地质灾害的影响范围进行测量、对发生的地质灾害进行分析，还可以分析塌方、泥石流、滑坡等地质灾害的发生、发展及影响范围，据此制定相应的风险分级，并为救援工作的合理安排提供参考。4结语综上所述，空地一体实景三维建模方式较传统建模方法精度有了较大提升，通过较高质量实景三维模型可以快速准确地获取地质灾害实况信息，为崩塌隐患点的坡体与围岩体的地质特征、结构条件分析提供了依据和技术支持。同时，该技术还可以进行虚拟地形设计、分析和模拟，可以帮助勘探工作者更好地理解地质灾害的形成机理和发展趋势，为提高防灾减灾能力提供有力的支撑。参考文献：1赵博,彭泊涵,王建楠,李兵.倾斜航空摄影测量技术在北京市高精细地质灾害调查中的应用J.北京测绘,2021,35(12):1565-1571.2熊津茁,韩庆龙.空地一体化的实景三维建模方法研究J.测绘与空间地理信息,2022,45(3):180-182,189.3焦世强.复杂地形中消费级无人机倾斜摄影测量技术研究J.经纬天地,2022(1):34-37.4杨璐宏,吴玮,王芮.基于空地影像联合的精细化三维重建研究J.测绘通报,2021(S1):144-148.5刘家橘,刘家橙,王晓燕,等.倾斜摄影三维建模在矿山恢复调查中的应用J.地理空间信息,2020,18(7):48-50,54,7.第 6 步，重复第 5 步直到找到最后一个点，查找结束；第 7 步，按顺序将 P 连接形成多边形即为所需的凸多边形，也即更新范围。判断待更新管线是否与原有管线位置相同的算法如下：第 1 步，遍历待更新管线管点，依次取出并根据设定的容差对其做缓冲区；管线做矩形缓冲区；第 2 步，将该缓冲区与原入库数据进行空间位置分析，查询缓冲区内是否完全包含原入库数据，如果完全包含则认为位置相同，否则不同。4结语本系统实现了内外业一体化采集质检入库作业模式，在供水管网设施管理及动态更新方面与内外业分离相比有较为明显的效率和质量优势，有效解决了管线数据不能及时动态更新的难题，具有较高的应用价值。后续将对本系统应用领域进一步丰富和扩充，将来支持应用到排水、燃气等行业的管网设施采集质检入库。参考文献：1秦智慧.地下管线探测内外业一体化系统的研究与设计J.工程勘察,2015,43(9):76-80.2杨泽宇,孙炳见.基于Android平台的管线调绘系统设计与实现J.城市勘测,2017(6):40-42.3周杰,刘晓冉,康俊.移动GIS支持下的城市供水管网信息采集与管理J.地理空间信息,2016,14(2):85-87.4李改肖,吕程,彭认灿,等.一种利用双侧凸包扩张模型的路径快速规划算法J.武汉大学学报(信息科学版),2021,46(1):58-64.图 4崩塌点模型数据分析（上接第89页）孙立恒，张华平：空地一体三维建模技术在地质灾害调查中的应用（4）空地=m2x+m2y=0.072 m倾斜=m2x+m2y=0.105 m97