梁京濤，鐵永波，趙聰，張肅

(1.四川省地質(zhì)調(diào)查院/稀有稀土戰(zhàn)略資源評(píng)價(jià)與利用四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610081；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081)

0 引言

崩塌是我國(guó)主要的地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型之一，因具有高突發(fā)性的特點(diǎn)，往往難以對(duì)其發(fā)生做出準(zhǔn)確的預(yù)警預(yù)報(bào)，因此開(kāi)展崩塌的早期識(shí)別并有針對(duì)性提前預(yù)防意義重大。一般來(lái)說(shuō)，高位崩塌因具有發(fā)育位置高、斜坡坡度陡、距離地面高差大等特點(diǎn)，靠人工進(jìn)行地面調(diào)查難度大，且容易存在調(diào)查盲區(qū)[1]。近年來(lái)，高精度衛(wèi)星遙感和無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)逐漸應(yīng)用于強(qiáng)震區(qū)[2]、公路高陡邊坡[3-4]、輸電線(xiàn)路[5]以及旅游景區(qū)[6-7]等的崩塌災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)。對(duì)于已發(fā)生過(guò)崩塌的災(zāi)后調(diào)查，采用無(wú)人機(jī)航空遙感技術(shù)，能夠?qū)Ρ浪磪^(qū)的位置、面積、主崩方向以及邊界實(shí)現(xiàn)快速識(shí)別[8]，估算堆積體方量等[4]；對(duì)于尚未發(fā)生崩塌的潛在危巖體，采用無(wú)人機(jī)航空遙感技術(shù)，能夠提取大尺度的巖體裂隙跡長(zhǎng)信息[9]，識(shí)別結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀[10-11]，建立三維模型[6-7,12]，以及預(yù)測(cè)滾石運(yùn)動(dòng)特征等[13-14]。

現(xiàn)有遙感成像技術(shù)多是從空中“俯視”成像，僅能獲取到發(fā)育在危巖體“上部”的裂隙信息，而對(duì)裂隙的貫通情況或發(fā)育深度無(wú)法測(cè)量，更無(wú)法有效獲取危巖體“兩側(cè)”和“底部”裂隙信息。雖然現(xiàn)有無(wú)人機(jī)可以超低空作業(yè)，地面分辨率可以達(dá)到分米級(jí)別，但對(duì)于崩塌壁上塊度較小的“危巖單體”細(xì)微裂隙信息識(shí)別能力仍舊不足，對(duì)于厘米級(jí)甚至亞厘米級(jí)裂隙無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效探測(cè)。

相比于垂直航空攝影或傾斜攝影而言，貼近攝影測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)在于貼近危巖帶近距離成像，拍攝距離甚至可以控制在5 m范圍內(nèi)，微觀信息清晰、直觀；同時(shí)，多角度拍攝可有效獲取巖體不同方向結(jié)構(gòu)信息，更加精準(zhǔn)地獲取巖體裂隙貫通深度及其組合特征，對(duì)巖體穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵參數(shù)獲取有極大幫助，有效解決了當(dāng)前攝影角度受限、巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)無(wú)法精準(zhǔn)獲取的問(wèn)題，大大提高了崩塌的識(shí)別效果。基于此，本文將 “貼近攝影測(cè)量”技術(shù)引入高位崩塌災(zāi)害調(diào)查識(shí)別工作中，在介紹貼近攝影測(cè)量技術(shù)和崩塌識(shí)別方法的基礎(chǔ)上，以康定市郭達(dá)山崩塌為例，詳細(xì)闡述了具體應(yīng)用過(guò)程，希望該技術(shù)能為我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和高位崩塌早期識(shí)別等工作提供參考。

1 貼近攝影測(cè)量技術(shù)介紹

1.1 概況

貼近攝影測(cè)量(nap-of-the-object photogrammetry)是由武漢大學(xué)張祖勛院士團(tuán)隊(duì)針對(duì)精細(xì)化測(cè)量需求所提出的一種全新的攝影測(cè)量技術(shù)[15]。該技術(shù)利用旋翼無(wú)人機(jī)貼近被攝對(duì)象表面(5～50 m)攝影，獲取亞厘米級(jí)高分辨率影像，并進(jìn)一步通過(guò)攝影測(cè)量軟件處理，恢復(fù)被攝對(duì)象的精確坐標(biāo)及形狀，從而實(shí)現(xiàn)被攝對(duì)象的高精度實(shí)景三維模型重建。

相比于衛(wèi)星遙感技術(shù)和無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)，貼近攝影測(cè)量技術(shù)具有更高的空間分辨率和“多角度”觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，可以“環(huán)視”觀測(cè)對(duì)象，直接獲取危巖體“兩側(cè)”和“底部”信息特征(圖1)。

(a)衛(wèi)星影像(俯視成像,分辨率0.5m) (b)無(wú)人機(jī)航空影像(俯視+側(cè)視成像,分辨率0.1m) (c)貼近攝影測(cè)量影像(多角度成像,分辨率0.01m)圖1 不同遙感數(shù)據(jù)源成像方式及效果比較Fig.1 Comparison of imaging modes and effects of different remote sensing data sources

1.2 貼近攝影測(cè)量技術(shù)流程

貼近攝影測(cè)量技術(shù)流程主要遵循 “由粗到精”的基本思路。首先，采用旋翼無(wú)人機(jī)針對(duì)被攝對(duì)象進(jìn)行初次航攝飛行，獲取被攝對(duì)象的初始地形信息；然后，根據(jù)初始地形信息進(jìn)行三維航線(xiàn)規(guī)劃，并將所規(guī)劃的三維航線(xiàn)通過(guò)飛控軟件導(dǎo)入旋翼無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)貼近飛行；最后將貼近飛行拍攝的大量圖像導(dǎo)入半自動(dòng)建模軟件，經(jīng)過(guò)空中三角測(cè)量計(jì)算、影像密集匹配、紋理映射等一系列流程，得到被攝對(duì)象高精度的三維實(shí)景模型。

貼近攝影測(cè)量技術(shù)流程最為關(guān)鍵的步驟為三維航線(xiàn)規(guī)劃。在獲取被攝對(duì)象初始地形信息后，將拍攝對(duì)象目標(biāo)表面擬合為一個(gè)空間平面(Σ)，平行距離于該擬合平面d(5 ～50 m)的位置即為飛行軌跡規(guī)劃平面(Σ′)(圖2)。

圖2 三維航線(xiàn)示意圖Fig.2 3D sketch of air route

在該飛行軌跡平面，通過(guò)預(yù)先設(shè)置航線(xiàn)參數(shù)，旋翼無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)拍攝對(duì)象的自動(dòng)貼近飛行，相機(jī)自動(dòng)垂直于擬合平面進(jìn)行拍攝、左右偏轉(zhuǎn)一定角度進(jìn)行拍攝，依據(jù)所拍攝的大量圖像最終實(shí)現(xiàn)高精度三維實(shí)景建模。

2 研究思路及技術(shù)方法

2.1 研究思路

將貼近攝影測(cè)量技術(shù)與崩塌穩(wěn)定性分析相結(jié)合，充分發(fā)揮貼近攝影測(cè)量技術(shù)高精度、多角度獲取巖體結(jié)構(gòu)特征的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在三維模型構(gòu)建基礎(chǔ)上，解譯危巖帶上每一處潛在危巖單體的結(jié)構(gòu)面信息和變形特征，在此基礎(chǔ)上，基于赤平投影分析方法，對(duì)危巖體失穩(wěn)模式和穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析，進(jìn)而圈定危巖單體，達(dá)到高位崩塌早期識(shí)別的目的。

2.2 高位崩塌早期識(shí)別技術(shù)流程

高位崩塌早期識(shí)別技術(shù)流程包括作業(yè)準(zhǔn)備及現(xiàn)場(chǎng)踏勘、貼近攝影、巖體結(jié)構(gòu)信息提取、危巖單體圈定及早期識(shí)別等步驟，如圖3所示。

圖3 高位崩塌早期識(shí)別技術(shù)流程Fig.3 Flow chart of early detection technology for high-level collapse

(1)作業(yè)準(zhǔn)備及現(xiàn)場(chǎng)踏勘。對(duì)工作區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，確定飛行條件。

(2)貼近攝影。通過(guò)無(wú)人機(jī)正射航拍獲取工作區(qū)高精度DEM，為貼近飛控面選取和航線(xiàn)規(guī)劃奠定基礎(chǔ)；根據(jù)危巖體面積大小、高度和寬度，合理規(guī)劃飛行航線(xiàn)；起飛和降落的高度應(yīng)注意避讓高壓線(xiàn)、樓房和其他民用設(shè)施或汽車(chē)、火車(chē)等移動(dòng)目標(biāo)。

(3)巖體結(jié)構(gòu)信息提取。巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)獲取是危巖體穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，獲取的關(guān)鍵參數(shù)包括結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、臨空面、裂隙貫通深度、裂隙寬度以及節(jié)理組合特征等。

(4)危巖單體圈定及早期識(shí)別。分別制作巖體優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面、裂隙面及臨空面的赤平投影圖，根據(jù)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面交線(xiàn)的位置與臨空面象限分布關(guān)系，定性分析該巖體的穩(wěn)定性以及失穩(wěn)破壞模式，以實(shí)現(xiàn)危巖單體圈定及早期識(shí)別。

2.3 危巖體結(jié)構(gòu)特征關(guān)鍵參數(shù)獲取

危巖體結(jié)構(gòu)特征關(guān)鍵參數(shù)包括巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、裂隙面貫通深度及節(jié)理組合特征3個(gè)方面。裂隙面貫通深度和節(jié)理組合特征主要用于危巖體失穩(wěn)模式分析，可以借助三維模型直接測(cè)量(ContextCapture軟件自帶功能)；巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀則是危巖體穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵參數(shù)，需要定量計(jì)算獲取。

本文在高精度三維實(shí)景模型基礎(chǔ)上，基于空間解析幾何理論，簡(jiǎn)單闡述計(jì)算巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的方法和過(guò)程。

假定A、B、C3點(diǎn)構(gòu)成的“ABC”空間平面可表征某巖體的巖層面，A、B、C3點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(XA，YA，ZA)、(XB，YB，ZB)和(XC，YC，ZC)，則設(shè)該平面的空間平面方程為

Z=aX+bY+c。

(1)

將A、B、C三點(diǎn)代入方程(1)，可得矩陣

(2)

“ABC”空間平面與XY水平面的夾角即為該巖層面的傾角(α)，即

(3)

為計(jì)算“ABC”所在巖層面傾向，首先需要判斷“ABC”空間平面與XY水平面的交線(xiàn)KJ與Y軸的位置關(guān)系，如圖4所示。作一條與直線(xiàn)KJ垂直且經(jīng)過(guò)O點(diǎn)的直線(xiàn)MN。

圖4 結(jié)構(gòu)面傾向計(jì)算的平面示意圖Fig.4 Schematic diagram for the calculating slant of the structural plane

直線(xiàn)MN的平面方程為

(4)

直線(xiàn)MN與Y軸的夾角β1為

(5)

若“ABC”空間平面上點(diǎn)A在XY平面上的投影點(diǎn)A′位于交線(xiàn)KJ的右側(cè)，則該平面傾向Y軸左側(cè)，即“ABC”所在巖層面的傾向?yàn)棣?=180°+β1；反之，A′位于交線(xiàn)KJ的左側(cè)，傾向?yàn)棣?。

綜上所述，“ABC”所在巖層面的傾向表示為

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 郭達(dá)山崩塌概況

郭達(dá)山崩塌位于四川省康定市爐城鎮(zhèn)郭達(dá)街后山瓦斯河左岸，經(jīng)緯度坐標(biāo)為東經(jīng)101°58′05″、北緯30°03′28″。崩塌所處山體郭達(dá)山海拔約3 700 m，地貌上屬于高山峽谷區(qū)，山高谷深，地形陡峻。主要危巖區(qū)距離地面高差約50～250 m，屬于高位崩塌。該區(qū)域歷史上曾發(fā)生過(guò)多次崩塌，較為嚴(yán)重的一次發(fā)生于 2007年4 月28 日，巖體崩落至坡腳農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，砸毀頂部鋼架棚，致使3 人受傷；在汶川地震當(dāng)天，部分巖體崩落，造成1人死亡[16]。目前對(duì)右側(cè)危巖區(qū)的右側(cè)已進(jìn)行了工程治理，在危巖體表部布設(shè)了主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)，坡腳布設(shè)了被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，危巖帶中部采用了錨桿錨固(圖5)。

圖5 郭達(dá)山崩塌危巖區(qū)正射影像Fig.5 Orthophoto map of Guodashan collapse

3.2 郭達(dá)山數(shù)據(jù)獲取及處理

3.2.1 初始地形獲取

為獲取郭達(dá)山崩塌所在區(qū)域的初始地形信息以便進(jìn)行貼近攝影三維航線(xiàn)規(guī)劃，首先利用大疆Phantom 4 Pro無(wú)人機(jī)對(duì)郭達(dá)山崩塌所在區(qū)域進(jìn)行航空影像拍攝，飛行高度設(shè)置為500 m，航向重疊率約為80%，旁向重疊率約為65%，共獲取了該區(qū)域16幅高清數(shù)字影像。經(jīng)攝影測(cè)量軟件處理之后，可得到郭達(dá)山崩塌所在區(qū)域的正射影像圖以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型。

3.2.2 三維航線(xiàn)規(guī)劃

將郭達(dá)山崩塌所在區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)載入軟件CloudCompare，根據(jù)觀測(cè)任務(wù)區(qū)域范圍分別選取“左下”“右下”“左上”“右上”4個(gè)頂點(diǎn)，并量取其經(jīng)緯度和海拔高度信息，擬合覆蓋觀測(cè)區(qū)域的空間平面；而后將4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)信息導(dǎo)入航線(xiàn)規(guī)劃軟件，將飛行距離擬合空間平面設(shè)置為30 m，起飛點(diǎn)海拔高度設(shè)置為2 563 m，軟件自動(dòng)生成相機(jī)鏡頭垂直于擬合平面以及左右偏轉(zhuǎn)20°的航線(xiàn)軌跡，共2架次。圖6為相機(jī)鏡頭垂直于擬合平面拍攝的航線(xiàn)軌跡。

3.2.3 貼近攝影測(cè)量

將上述航線(xiàn)導(dǎo)入無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)根據(jù)導(dǎo)入的航跡線(xiàn)路、飛行速度、拍攝時(shí)間間隔以及拍攝姿態(tài)角度等信息，自動(dòng)進(jìn)入智能貼近飛行。本次貼近攝影共獲取了500幅亞厘米級(jí)超高分辨率影像。

3.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用三維建模軟件ContextCapture開(kāi)展三維實(shí)景模型建立，處理流程包括自動(dòng)空中三角測(cè)量、精細(xì)影像密集匹配以及影像拼接等，得到高精度三維實(shí)景模型。

3.3 郭達(dá)山高位崩塌早期識(shí)別

采用Acute View 3D軟件打開(kāi)基于貼近攝影測(cè)量技術(shù)獲得的郭達(dá)山三維實(shí)景模型，能夠十分清晰地識(shí)別出該危巖單體巖層面、裂隙面以及臨空條件等信息(圖7(a))，A、B、C3點(diǎn)可表征該危巖單體巖層面；B、C、H3點(diǎn)可表征該危巖單體坡面P(圖7(b))；A、B、D3點(diǎn)可表征該危巖單體右側(cè)側(cè)緣切割面L1(圖7(c))；C、H、E3點(diǎn)可表征該危巖單體左側(cè)側(cè)緣裂隙面L2；A、D、E3點(diǎn)可表征后緣裂隙面L3(圖7(d))。

(a)正視 (b)右視

(c)左視 (d)俯視圖7 某危巖單體多視角圖像Fig.7 Multiangle imags of one dangerous rock mass

各點(diǎn)空間三維坐標(biāo)如表1所示。

表1 危巖單體上各點(diǎn)空間三維坐標(biāo)Tab.1 3D coordinates of the points on the dangerous rock mass m

根據(jù)2.3節(jié)所述方法，該危巖單體坡面以及結(jié)構(gòu)面等控制危巖的結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 危巖單體結(jié)構(gòu)面特征Tab.2 Structural plane characteristics of the dangerous rock mass

根據(jù)赤平投影分析，裂隙面L3與坡面P傾向呈小角度相交，屬陡直、外傾結(jié)構(gòu)面，為后緣控制性裂隙(經(jīng)軟件量測(cè)該裂隙最寬張開(kāi)度1.2 m)。巖層層面與裂隙面L1、L3將巖體切割為楔形體，且該楔形體傾向坡內(nèi)。因此，根據(jù)節(jié)理裂隙組合特征分析，失穩(wěn)破壞模式為傾倒式；危巖體在暴雨導(dǎo)致后緣充水或地震等情況下易沿底部巖層面發(fā)生崩塌。

基于前文所述識(shí)別方法，在郭達(dá)山崩塌的航攝區(qū)域內(nèi)共識(shí)別出較大危巖單體8處，均處于未進(jìn)行工程治理的區(qū)域(圖8)。

圖8 研究區(qū)現(xiàn)有危巖體分布Fig.8 Distribution map of the dangerous rock mass in the study area

從破壞模式上分析，研究區(qū)內(nèi)的8處危巖單體包含了傾倒式、滑移式和墜落式3種破壞模式，其中傾倒式2處，滑移式1處，墜落式5處。建議對(duì)上述危巖體加強(qiáng)觀測(cè)，必要時(shí)需進(jìn)一步采取工程治理措施，以保證斜坡坡腳處居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

4 結(jié)論及討論

基于貼近攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)郭達(dá)山高位崩塌開(kāi)展早期識(shí)別工作，取得了較好的應(yīng)用效果，總結(jié)以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)貼近攝影測(cè)量技術(shù)是針對(duì)精細(xì)化測(cè)量需求提出的一種全新的技術(shù)，具有明顯的高分辨率和“多角度”觀測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以“近距離”探測(cè)觀測(cè)對(duì)象的微觀信息，識(shí)別巖體亞厘米級(jí)裂縫，尤其適合于高位崩塌調(diào)查和早期識(shí)別工作，已取得顯著成效。

(2)三維航線(xiàn)規(guī)劃是貼近攝影測(cè)量技術(shù)數(shù)據(jù)獲取階段的關(guān)鍵步驟。布設(shè)航線(xiàn)之前，需要先獲取工作區(qū)較高精度的初始地形。為了達(dá)到較好的貼近效果，觀測(cè)區(qū)域需構(gòu)成一個(gè)相對(duì)平整的“面”，在保證飛行安全的情況下，距離該平整“面”越近，拍攝效果越佳。

(3)定量獲取巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，是貼近攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于高位崩塌早期識(shí)別過(guò)程的關(guān)鍵和核心。本文在高精度三維實(shí)景模型基礎(chǔ)上，基于空間解析幾何理論，應(yīng)用“三點(diǎn)法”計(jì)算巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀；以此為基礎(chǔ)利用赤平投影分析方法，對(duì)危巖體穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析評(píng)價(jià)，達(dá)到早期識(shí)別的目的。

需要說(shuō)明的是，雖然該技術(shù)在高位崩塌識(shí)別過(guò)程中應(yīng)用效果較好，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍然存在著一些問(wèn)題和影響因素，比如：在飛行階段受天氣影響較大，在降雨和5級(jí)以上風(fēng)速條件下，獲取影像質(zhì)量較差，甚至無(wú)法開(kāi)展航測(cè)作業(yè)；飛行區(qū)域選取受高壓線(xiàn)塔和輸電線(xiàn)路走向影響較大，部分高壓線(xiàn)塔和線(xiàn)路密集分布區(qū)，無(wú)法進(jìn)行航測(cè)；在高密度植被覆蓋區(qū)，受拍攝角度遮擋限制，巖體觀測(cè)效果不佳。

致謝：感謝武漢大學(xué)張祖勛院士及其團(tuán)隊(duì)的陶鵬杰副研究員、段延松副教授、何佳男博士等于2019年8月舉辦了貼近攝影測(cè)量技術(shù)培訓(xùn)，感謝張祖勛院士團(tuán)隊(duì)提供了三維航線(xiàn)規(guī)劃軟件FlightPlan(測(cè)試版)。