上海崩塌灾害的多传感器融合观测技术与普查识别.pdf

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2023.02.019上海崩塌灾害的多传感器融合观测技术与普查识别高顺喜（上海市地矿工程勘察（集团）有限公司，上海 200436）摘 要：上海市西部零散分布的基岩残丘群，由于历史时期强烈的采石和建筑工程活动，形成了崩塌灾害易发区，岩体崩塌事件相继发生。受技术条件限制，以往开展的崩塌灾害调查无法实现有效的监测和预警，传统地质勘察、地形测量难以在陡峭山体开展，或者其精度无法满足灾害评估的要求。三维激光扫描、无人机倾斜摄影与机载激光雷达等实景复制技术是近年来快速发展的高新技术，是目前解决上海市山体崩塌灾害的可能路径。在此背景下，笔者在比较多种新型观测技术优势基础上设计了上海市崩塌灾害多技术手段综合调查技术流程。以辰山采石坑为例，基于无人机获取的高精度山体实景模型，构建了地质灾害三维解译场。通过数字地形分析和计算机模拟等技术实现了灾害特征数据自动化提取、结构面产状的智能化识别和崩塌地质灾害过程模拟，为崩塌孕灾条件调查、危险性评价找到了新的方法和手段。研究结果表明，辰山矿坑距边坡 30 m 的范围内为崩塌潜在的风险区域。本次研究为上海市基岩残丘区崩塌灾害调查和防治提供了技术方法借鉴。关键词：无人机；倾斜摄影；激光雷达；山体崩塌；危险性评价中图分类号：P231；P642.21 文献标志码：A 文章编号：2095-1329(2023)02-0119-072018 年 10 月 10 日，习近平总书记主持召开中央财经委员会第三次会议，亲自部署地质灾害防治“九项重点工程”建设，强调地质灾害防治首先要掌握风险隐患底数。地质灾害综合风险普查作为地质灾害防治的基础性工作，被列为“九项重点工程”第一项工程。崩塌是山区常见的危害较大的地质灾害1。上海作为河口三角洲平原区的超大城市，崩塌不是其主要地质灾害。然而，上海西部零星分布的基岩残丘群分布着近百米高的陡峭山体和近百米深的矿坑。这些区域是崩塌的易发区和潜在灾害区，历史上曾发生过数起崩塌事件，崩塌灾害造成了不同程度的经济损失。基岩残丘群土地面积总和虽小，却是上海重要的自然生态、历史文化和地质遗迹景观区，其中包括佘山 AAAAA 级风景名胜区、世茂深坑酒店、辰山植物园等重要景观设施和重大工程，对上海市自然生态和历史文化保护及旅游业发展具有重要意义。因此，基岩残丘区崩塌等突发性地质灾害的调查监测十分必要。2013 年以来，自然资源部门针对上海西部残丘区持续开展了山体边坡突发性地质灾害调查与监测预警工作，取得了较多的成果。但受限于当时的技术条件，陡峭山体的地质勘察、地形测量难以实现，导致调查精度无法满足高质量灾害评估的要求。面对当前的局面，提高地质灾害调查创新能力，运用新型观测技术解决这些困难显得十分关键。近年来，航空遥感、无人机等新型观测技术在地质灾害调查中正逐步推广应用，其辅助调查能力是传统观测设备无法比拟的2，可为山体崩塌等地质灾害的精细调查提供有力支撑。机载激光雷达具有测量精度高、智能化程度高的特点。传感器发出的激光可到达植被下的地表，能够实现通过获取地表点云数据快速、准确地获取山地植被茂密区域地表三维坐标，这为地质灾害调查提供了有效的技术手段3。一些学者借助人工智能算法，利用无人机获取的激光点云数据进行了地质灾害识别与危险性评估4，也有学者提出基于空天地一体化的调查方法，即利用高清卫星遥感、低空摄影、激光雷达等多种新型对地观测技术，开展地质灾害隐患早期识别与监测工作5。这些技术方法为施工难度大的山体崩塌易发区的调查监测提供了重要的借鉴。收稿日期：2023-04-01修回日期：2023-05-06作者简介：高顺喜，1980 年生，男，学士，工程师，主要从事测绘和自然资源调查、城市地质灾害调查和监测评估等工作。电子邮箱：基金项目：上海市规划和自然资源局计划项目“上海市突发性地质灾害风险普查崩塌地质灾害风险调查与评价”上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.2 119无人机具有高效率、高精度等技术优势，并且可以灵活搭载不同传感器。无人机机载激光雷达模块可以高效获取地表三维坐标数据，进而获取地质灾害隐患体的坡度、坡向等灾害特征数据，能够提高地质灾害隐患调查的定量化程度 6。无人机搭载倾斜摄影模块可获取隐患点的高分辨率实景三维模型、数字正射影像等数据，极大提高了地质灾害野外调查工作效率。这些新型观测技术的综合应用可为地质灾害隐患识别、调查与评估工作提供科学依据7。在全国第一次地质灾害普查工作中，本文的支撑工作首次尝试应用无人机搭载多种新型观测装备开展上海西部基岩残丘区崩塌灾害调查评价，取得了较好的效果。本文介绍基于无人机搭载的多种新型观测技术装备在上海市基岩残丘区的观测应用的方法流程，并以辰山矿坑为例，评述新型观测技术在上海市崩塌灾害调查评价中的应用效果。1 研究区崩塌灾害发生情况上海岩石边坡的崩塌地质灾害主要分布在松江区和金山区内的基岩残丘区，属突发性地质灾害。基岩裂隙相切形成块体，于边坡数米至数十米不等高度崩解坠落。据历史灾害调查，20152021 年上海市松江区和金山区发生的崩塌灾害中，落石体积在 20 m3至 200 m3不等，其中最严重的一起崩塌事件发生于 2018 年 1 月 26 日，崩塌面位于辰山植物园西采石坑临水边坡，崩落岩壁高度约 15 m，估算崩塌方量约 200 m3。另外几起崩塌事件分别发生在天马山、横云山和薛山，崩塌落石岩块体积较小，约为 20 m3。金山区崩塌岩块主要分布在大金山、小金山和浮山岛，但由于岛上人迹罕至，崩塌发生的时间不详。崩塌地质灾害造成了不同程度的经济损失，对人民生命与财产安全造成严重威胁。2 新型观测技术方法比较及工作流程设计2.1 新型观测技术的优势比较三维激光扫描技术是一项近年来快速发展的、高精度、高效率三维观测技术，它具有自动化程度高、点云密度高、测量精度高、工作效率高等技术优点。通过三维激光扫描，能快速获取物体表面的三维点云坐标数据，为三维模型的建立提供了新型的技术手段和海量的数据来源8。无人机获取的倾斜模型具有真实地物的坐标、外形、纹理等特征 9。倾斜摄影通过无人机搭载多镜头相机。相机可以从不同的视角同步进行对地观测并采集影像数据，克服了传统航空摄影只能从垂直视角拍摄地物影像的短板。无人机获取的高精度多视角影像数据，结合三维建模软件能快速重建三维模型，从而更加逼真地表达地物的外观、尺寸、纹理等特性10。在地质灾害调查领域，三维激光扫描技术和无人机倾斜摄影技术的应用虽然已很普遍，但两者在使用中都存在一定的缺陷。地面三维激光扫描技术虽然能快速获得高精度地面三维坐标数据，但受限于视线高度的影响，视线遮挡的区域会出现盲区。无人机倾斜摄影能快速获取地表精度较高的影像数据，但其高程精度不高，并需要布设较多的像控点来提高整体精度。机载激光雷达技术具有倾斜摄影与地面三维激光扫描仪无可比拟的优势，但后者设备价格昂贵，在项目生产中提高了成本投入11。因此，综合考虑技术方法、经济效益等因素及无人机倾斜摄影技术和地面三维激光扫描技术的优缺点（表 1），将激光雷达和倾斜摄影相结合，形成技术优势互补，可有效改善数据获取效率和提高数据的真实性、丰富性，从而实现高效获取地质灾害隐患地质体高分辨率、高精度的地表影像和真实地貌特征数据12。2.2 工作流程设计采用无人机载 LiDAR 和倾斜摄影技术获取地质灾害隐患点三维空间数据，主要分为无人机外业飞行和内业数据处理两大部分。外业航拍分为：像控点布设、像控点测量、无人机摄影、激光点云扫描等步骤。内业数据处理工作主要分为：点云数据预处理和数字正射影像、数字高程模型、实景三维模型数据生产等。工作流程如图 1 所示。表 1 各项观测技术性能比较Table 1 Performance comparison of various surveying and mapping technologies对比项目机载 LiDAR倾斜摄影地面三维激光扫描定位原理极坐标定位透视几何定位极坐标定位观测方式主动式观测被动式观测主动式观测作业条件少量控制点大量控制点大量控制点野外工作量小大大精度高程精度优于平面平面精度优于高程高受植被影响小大小成果展示效果纹理差纹理丰富，展示效果好纹理差生产效率高中底市场预测潜力巨大基本成熟完全成熟上海国土资源 Shanghai Land&Resources120 2023Vol.44.2 2.2.1 外业数据获取（1）倾斜摄影数据获取。倾斜摄影技术通过倾斜相机从五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的地物纹理信息。这不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取地物纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维模型。（2）LiDAR 数据获取。激光扫描就是将 POS 系统、GNSS 定位系统和激光测量设备安装到无人机平台上，通过激光测距的方式获取地表高程数据。GNSS 定位系统安装于飞机顶部便于接收信号，采用差分定位的方法对飞行器进行定位。POS 系统安装到飞机内部，与扫描仪具有一定的位置关系，用于确定飞行器的姿态。2.2.2 内业数据处理（1）倾斜摄影数据处理。影像数据处理主要包括数据检查、空三加密、实景三维模型建立等步骤。数据检查主要检查航空摄影的飞行质量以及航拍影像质量。基于原始影像及空三成果，使用内业处理软件生成三维模型及派生数据，包括 DOM、DSM（含 DEM）、密集点云等数据。（2）LiDAR 数据处理。激光点云处理步骤主要是提取地面点数据和 DEM 信息提取。激光雷达可以穿透植被，产生 3 次回波。在林地区域，激光雷达提取地面点信息非常容易，在植被稀疏和植被茂密的地方都能得到较好的效果。根据地面点信息可以生成工作区的 DEM 高程数据。（3）数据质量评估。经内业数据处理后生成的数据主要有 LiDAR 点云数据、DOM、DEM、实景三维模型等。精度验证主要从高程质量、与原来数据的吻合度（是否出现分层）、高程值信息等来判断。3 辰山采石坑崩塌灾害调查辰山采石坑是上海市典型的崩塌地质灾害点，位于辰山植物园内，为采石活动停止后遗留的坑体。目前该矿坑已改建为矿坑花园，裸露的坑体边坡高差近 70 m，边坡坡度一般为 8085，局部呈直立、倒坡状。边坡下方部分富集水源形成人工湖泊，湖面海拔约-22 m，其他区域为景观和绿化地带。为了精准查明崩塌灾害风险隐患，本次研究布置了全覆盖航空倾斜摄影和激光雷达扫描。根据测区的高程信息和成图比例尺的要求，进行航飞分区规划及航线设计。3.1 数据获取在适航条件下开展无人机摄影，根据飞行质量情况进行局部区域重飞或补飞。倾斜摄影使用赛尔 102S 五镜头获取数据，飞行高度为 110 m，地面分辨率为 1.72 cm/pixel，旁向重叠率 75%，航向重叠率 80%，航线长度为13121 m，测区面积为 259062 m2，累计拍摄照片 4920张。机载激光扫描使用大疆 zenmuse L1 三维激光扫描镜头进行数据采集，飞行高度为 110 m，正射地面分辩率为3.00 cm/pixel，点云密度为 227 个/m2，激光旁向重叠率为 60%，回波模式为三回波，采样频率 160kHz，航线长度 8486 m，拍摄照片 168 张。3.2 内业处理（1）影像预处理在不影响地物立体观测、属性判读的前提下，对影像进行预处理，包括影像畸变纠正、去除畸变差和图像增强，以增加地物的可读性。（2）空中三角测量利用 Bentley 公司开发的 ContextCapture 软件进行空中三角测量。待区域网平差计算结束后进行误差估算，连接点与最近野外控制点的平面中误差、高程中误差符合相关规定，连接点的中误差一般采用检查点（多余像片控制点）的中误差进行估算。3.3 模型生产（1）倾斜三维模型生产选用 Bentley 公司的 Context Capture 三维建模工具开展三维模型构建。Context Capture 是基于图形运算单元GPU 的快速三维场景运算软件，能实现自动地从简单连图 1 工作流程图Fig.1 Work flow chart上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.2 121续影像中构建实景三维场景模型，结合全覆盖的倾斜影像数据可以实现自动化实景真三维模型的建立，建模结果如图 2 所示。（2）三维激光雷达模型生产激光雷达点云处理主要使用 DJI 大疆创新推出的大疆智图软件。首先，对激光点云进行处理，对完成预处理的激光点云数据进行噪声滤除和点云分类；然后，将分类后的点云通过分类显示、不同高程显示等多种方法进行展示，目视检查分类后点云，编辑激光点云成果。生成的三维激光点云模型如图 3 所示。3.4 灾害识别与诊断3.4.1 提取灾害特征数据通过对获取的三维岩壁数据进行拼接、删除、去噪与上色，建立了岩体三维点云数据彩色模型，实现了点云数据中裂缝和隐患石块查找、三维量测和筛选。通过对危岩体点云数据进行等高线绘制，可进一步确定岩壁的坡度与坡向（图 4 和图 5）。3.4.2 节理裂隙面自动化识别为确保分析的典型性，选取某采石坑暴露规模较大的一处边坡作为典型边坡，开展节理裂隙面自动化识别研究。边坡坡体长约 50 m，高约 25 m。针对边坡表面起伏凹凸、非理想空间平面的特点，通过解算无人机影像获取边坡形貌的点云数据，采用 KD-Tree 算法解析坡体所有面状结构的空间几何参数。结果表明，坡体走向为190220（倾向为 100130），边坡坡体近乎直立，坡度集中在 7085 区间范围内（图 6）。图 5 岩壁坡向切线图Fig.5 Slope tangent diagram of rock wall图 2 倾斜三维模型 Fig.2 Oblique 3D model 图 3 三维激光点云模型Fig.3 3D laser point cloud model图 4 岩壁坡向、坡度图Fig.4 Slope direction and slope map of rock wall 图 6 边坡倾向分析图Fig.6 Slope inclination analysis diagram上海国土资源 Shanghai Land&Resources122 2023Vol.44.2 该边坡为裸露情况良好、基本无植物覆盖的含裂隙火山岩、火山碎屑岩。崩塌块体产生的概率与边坡岩体裂隙发育密度、产状和规模有很强的相关性。通过裂隙结构面特征提取和统计分析，可详细描述崩塌孕灾条件，进而阐明崩塌灾害机理。边坡的节理裂隙面分析过程，首先要在结构面处生成高精度三维点云模型，其次通过点云模型拟合出最优结构面，根据拟合面的空间属性，最后计算出倾向、倾角等产状特征。本次调查对边坡的裂隙结构面参数进行了全面提取和分析，揭示了边坡裂隙结构面走向、倾向、倾角等发育特征。结果显示，边坡面存在四组裂隙（J1J4）节理面（图 7），其中 J1、J3 走向近东西，J2、J4 走向近南北。裂隙节理面倾向、倾角情况见表 2。多组裂隙结构面的三维建模直观显示了裂隙的规模、倾向和交切特征（图 8）：矿坑四组结构面近乎正交，结构面切割边坡，造成规模大小不一的凸出岩块，存在崩塌灾害隐患。3.4.3 崩塌地质灾害过程模拟及危险性评价崩塌块体产生并脱离是地质灾害产生的必要条件，影响灾害强度和概率的另一重要方面是崩塌块体的运动特征。结构面密集且切割深度较大的区域，块体脱落的概率相对较高，但是否造成严重的灾害效应，取决于其对承灾体接应面造成的直接冲撞，块体坠落的高度、运动过程中与坡体接触形成的摩擦和碰撞都能够影响最终的运动距离和范围。本次研究根据边坡真实的坡体的形貌特征，模拟岩石块体在不同位置崩塌形成的运动轨迹。由图 9 所示，在裸露边坡的坡顶、坡中和坡底多次模拟岩石块体的崩塌坠落、块体运动轨迹、块体的碰撞与摩擦，统计落石终点位置和对应轨迹线数，计算得出了崩塌影响概率和灾害强度概率。崩塌轨迹体现了崩塌块体经过和抵达的区域范围，而某一点位的被崩塌块体经过或停止（抵达）的次数体现了该点位受崩塌冲击的概率，反映了该处崩塌地质灾害的危险程度。根据崩塌轨迹模拟结果评价了崩塌地质灾害危险程度的空间差异，将崩塌概率划分为四个等级：级（崩塌轨迹统计值 50）、级（50 崩塌轨迹统计值 150）、级（150 崩塌轨迹统计值 250）、级（250 崩塌轨迹统计值 300），统计值越大则表明崩塌块体可能给该位置带来的冲击概率越大（图 10）。图 7 边坡节理裂隙面产状赤平投影Fig.7 Stereographic projection of slope joint fissure surface occurrence图 9 矿坑边坡崩塌轨迹模拟Fig.9 Simulation of collapse track of pit slope表 2 边坡四组节理面产状变化范围Table 2 Occurrence variation range of four groups of joint surfaces on the slope节理组产状变化范围倾向倾角J1160 18060 80J2245 28560 90J3345 36030 40J4110 13050 70图 8 边坡结构面三维模型（脱出岩块细节照片）Fig.8 Three-dimensional model of slope structural plane(detailed photos of detached rock blocks)上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.2 1234 结论地质灾害隐患识别工作是当前地质灾害防治工作的重点和难点，研究地质灾害隐患特征和识别技术方法，对提高地质灾害的预防能力具有重要意义。本文通过无人机获取三维实景模型数据为灾害特征数据提供了基础数据，在此基础上进行智能化识别和地质灾害过程模拟研究，为地质灾害调查提供了新的方法借鉴。本文以辰山矿坑为例，开展了无人机载新型观测技术在山体崩塌灾害中的观测应用研究，主要结论如下：（1）无人机倾斜摄影、激光雷达等观测技术的融合应用可快速获取隐患区高分辨率、高精度地形地貌影像和真实地表三维模型，通过提取三维模型上灾害特征信息，可有效识别陡峭岩壁上的地质灾害体，突破因数据不全对地质灾害隐患识别的局限性，对崩塌灾害的预防预警具有重要应用价值。（2）通过解算无人机获取的三维岩壁数据，自动提取灾害特征数据，并通过结构面产状的智能识别方法进一步解析节理裂隙面等崩塌孕灾条件，为地质灾害调查找到了新的方法。该方法突破了传统崩塌地质灾害调查与评价方法的局限性，可作为边坡崩塌地质灾害详查可靠的技术方法。（3）通过研究边坡真实的坡体形貌特征，模拟岩石块体在不同位置崩塌形成的运动轨迹，可以明确崩塌影响范围和灾害强度概率及风险评价区划。本次研究结果表明辰山矿坑崩塌潜在的风险区域主要位于距边坡 30 m 的范围内。参考文献(References)1 刘传正.重庆武隆鸡尾山危岩体形成与崩塌成因分析 J.工程地质学报,2010,18(3):297-304.LIU C Z.Formation and collapse of Jiweishan dangerous rock mass in Wulong,ChongqingJ.Journal of Engineering Geology,2010,18(3):297-304.2 贾虎军,王立娟,范冬丽.无人机载 LiDAR 和倾斜摄影技术在地质灾害隐患早期识别中的应用 J.中国地质灾害与防治学报,2021,32(2):60-65.JIA H J,WANG L J,FAN D L.The application of UAV LiDAR and tilt photography in the early identification of geo-hazardsJ.The Chinese Journal of Geological Hazard and 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early warning.Traditional geological investigations and topographic surveys are difficult to perform on steep mountains and their accuracy does not meet the requirements of disaster assessment.3D laser scanning,unmanned aerial vehicle(UAV)tilt photography,airborne laser radar,and other real-scene reproduction technologies have developed rapidly in recent years.These are possible methods for resolving mountain collapse disasters in Shanghai.In this context,the author designed a comprehensive technical process using multi-technical means for investigating collapse disasters in Shanghai by comparing the advantages of various new observation technologies.Taking the Chenshan Quarry as an example,a 3D geological disaster interpretation field was constructed based on a high-precision mountain real-scene model obtained by the UAV.Using digital terrain analysis and computer simulation,the automatic extraction of disaster feature data,intelligent identification of structural plane occurrence,and simulation of geological disaster processes were determined.These new methods have revolutionized collapse hazard investigations and risk assessments in Shanghai.The results showed that a potential risk area for collapse in the Chenshan Quarry was 30 m from the slope.This study provides a reference for the investigation and prevention of collapse disasters of bedrock mounds in Shanghai,China.Key words:UAV;oblique photography;lidar method;mountain collapse;risk assessmentResearch on surveying and mapping technology design of engineering review for land consolidation projectCHEN Qiping(Shanghai Geotechnical Engineering Testing Center Co.,Ltd.,Shanghai 200436,China)Abstract:Because land remediation work is carried out in depth,an engineering review is a necessary part of acceptance of land remediation project completion.Engineering mapping can provide the necessary basic information.Because the standardization of engineering reviewing is lagging at present,there is urgent need for higher requirements of engineering mapping technology,concise design of mapping technology design documents,and optimization.This study relies on the practical experience of the Shanghai land remediation project and the support of relevant standard technical requirements,with the help of system engineering theory to propose a technical route of analysis and research based on existing information and relevant standard technical requirements.It also proposes the design of categories,content,and file output three-dimensional structure mapping technology methods.The optimizing of the design of land consolidation and related engineering surveying and mapping technology will help improve the efficiency and quality of surveying and mapping work.Key words:land remediation;engineering review;mapping technology design;three-dimensional structure（上接第 89 页）上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.2 125