基于贴近摄影测量技术的高陡危岩体结构面调查方法.pdf
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1、第 卷第期成都理工大学学报(自然科学版)年月 ():文章编号 ()收稿日期 。基金项目国家自然科学基金项目()。第一作者姚富潭(),男,硕士研究生,研究方向:地质灾害防治工程,:。通信作者吴明堂(),男,工程师,研究方向:地质灾害的识别、监测,:。基于贴近摄影测量技术的高陡危岩体结构面调查方法姚富潭,吴明堂,董秀军,房云峰,陈建强,姚义振(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 ;浙江华东建设工程有限公司,杭州 )摘要为解决传统危岩体结构面接触式调查手段风险高、效率低的问题,提出了一种基于无人机贴近摄影测量技术的结构面提取方法,并以某高位危岩体为例,开展了工程实例验证。
2、首先利用多旋翼无人机对危岩体进行多角度贴近摄影,构建精细化的三维模型和三维点云;然后通过近邻算法及 主成分分析完成优势结构面产状的半自动提取,最后结合三维模型中的岩体裂隙等特征,对危岩体稳定性进行快速评价。结果表明:该方法可获取符合工程精度要求的岩体点云数据,完成结构面产状的半自动提取,且倾向倾角的提取误差均在 以内,能满足工程精度需求,为分析危岩体稳定性提供可靠的基础数据。关键词崩塌;危岩体;贴近摄影测量;结构面半自动提取 分类号 文献标志码犐 狀 狏 犲 狊 狋 犻 犵 犪 狋 犻 狅 狀犿 犲 狋 犺 狅 犱狅 犳犱 犻 狊 犮 狅 狀 狋 犻 狀 狌 犻 狋 狔 犻 狀犺 犻 犵 犺犪
3、 狀 犱狊 狋 犲 犲 狆犱 犪 狀 犵 犲 狉 狅 狌 狊狉 狅 犮 犽犿 犪 狊 狊犫 犪 狊 犲 犱狅 狀狀 犪 狆狅 犳 狋 犺 犲狅 犫 犼 犲 犮 狋狆 犺 狅 狋 狅 犵 狉 犪 犿犿 犲 狋 狉 狔 ,犛 狋 犪 狋 犲犓 犲 狔犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔狅 犳犌 犲 狅 犾 狅 犵 犻 犮 犪 犾犇 犻 狊 犪 狊 狋 犲 狉犘 狉 犲 狏 犲 狀 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犈 狀 狏 犻 狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋 犪 犾犘 狉 狅 狋 犲 犮 狋 犻 狅 狀,犆 犺 犲 狀 犵 犱 狌犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔狅 犳犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵
4、 狔,犆 犺 犲 狀 犵 犱 狌 ,犆 犺 犻 狀 犪;犘 狅 狑 犲 狉 犆 犺 犻 狀 犪犎 狌 犪 犱 狅 狀 犵犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵犆 狅 狉 狆 狅 狉 犪 狋 犻 狅 狀犔 犻 犿 犻 狋 犲 犱,犎 犪 狀 犵 狕 犺 狅 狌 ,犆 犺 犻 狀 犪犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊:;岩体结构面是控制危岩体稳定性的最重要因素,使用罗盘和卷尺进行的传统接触式现场调查方式已广泛应用于岩体结构面的调查。然而,通过手动接触法获得的岩体结构面数据通常不完整且效率低下,特别是在对高陡危岩体结构面进行测量时,还会对测量人员的人身安全造成重大威胁
5、。因此,激光扫描技术和数字摄影测量等非接触式的测量方案已成为获取危岩体结构面信息的常用方法。董秀军等首次提出利用地面端的三维激光扫描仪对高陡边坡进行调查,并总结出一套高陡边坡岩体结构面调查的方法,利用三维激光扫描技术获取的三维点云识别并拟合岩体结构面获取其产状信息。宋杰等则提出了基于地面激光扫描技术和模糊聚类分析方法对边坡岩体出露的结构面进行自动识别和统计分组,从而获得岩体优势结构面的几何空间信息和空间位置信息的方法。总而言之,对于利用三维激光扫描技术进行岩体结构面信息调查的方法已有许多研究,并且取得了十分良好的效果。然而,由于三维激光扫描仪器架设的难度较高,且受观测角度、观测距离等因素的制约
6、,在地形复杂的高陡山区往往难以利用该技术全面提取危岩体结构面信息。得益于近年来无人机的广泛使用,许多学者提出利用无人机倾斜摄影测量技术进行危岩体结构面调查的方法。李德仁等首先提出倾斜影像自动空中三角测量的处理方法,并且重建了精细化的城市三维表面模型,为复杂立面的调查提供了新思路。李水清等 提出了基于无人机倾斜摄影测量技术的岩体结构面提取方法,利用三点法人工 提 取 并 统 计 岩 体 结 构 面 产 状。贾 曙 光等 对无人机摄影测量技术在危岩体结构面调查的应用方法进行了总结,并提出利用轻小型单镜头无人机高效采集岩体三维点云数据,基于最小二乘法的平面拟合算法准确提取结构面参数的方法。叶震等 提
7、出基于无人机倾斜摄影测量技术在边坡岩体结构面调查中的应用方法,利用霍夫法向算法和 算法构建可视化的三维岩体结构模型,并对模型进行球形均值聚类来完成结构面分组提取,成功地提取了危岩体优势结构面信息。此外,还有学者提出利用近景摄影测量技术对岩体结构面特征进行分析和描述的方法。综上所述,利用无人机倾斜摄影测量技术对岩体结构面产状进行调查的方法已取得了较好的成果。然而,在面对需要获取精细化的陡立结构面信息的情况时,倾斜摄影测量技术在精度上仍存在一定的不足,无法全方位获取陡立的、复杂的结构面信息。针对精细化测量的需求,张祖勋等 提出了面向对象的贴近摄影测量技术()。该技术以“面”为摄影对象,利用旋翼无人
8、机贴近摄影对象表面进行多角度拍摄,可以获取毫米级超高分辨率影像,高度还原了地表和物体的精细化结构。该技术已在城市建筑物精细化三维重建、地质灾害精细化调查与监测、文物古建筑精细化重建以及水利工程监测等多个行业进行了应用研究,并且取得了十分良好的效果。因此,为解决山区高陡危岩体结构面信息精细化调查困难的问题,本文提出了一种基于贴近摄影测量技术的高陡危岩体结构面调查方法,以贴近摄影测量技术为基础,对如何利用多旋翼无人机对高陡危岩体进行多角度精细化贴近摄影的方法流程进行了研究;并利用毫米级的超高分辨率三维实景模型、三维空间点云等成果数据,通过 程序法 实现了岩体结构面产状信息的半自动提取;此外,还利用
9、 软件对结构面迹线、迹长信息进行了手动提取,结合三维实景模型对危岩体优势结构面空间发育关系进行分析,最终对危岩体稳定性进行快速的定性评价。研究区概况如图所示,研究区位于云南省昆明市东川区金沙江右岸长地象鼻岭岸段,距离白鹤滩水电站约 。两岸地形陡峭、地貌复杂,沟谷深第期姚富潭,等:基于贴近摄影测量技术的高陡危岩体结构面调查方法图研究区地理位置犉 犻 犵 切狭窄,断面呈“”字形。冲沟呈树枝状发育,均为季节性冲沟,雨季流量较大。研究区地质构造发育明显,主要表现为断层、节理等,未见褶皱发育。出露基岩主要有晋宁期侵入岩()及前震旦系通安组变质砂岩(狋)。沿江公路从测区斜坡的中部穿过,由于研究区工程地质条
10、件复杂,崩塌危岩体十分发育,严重威胁着沿江公路的安全。并且随着白鹤滩水电站库区的持续蓄水,沿江发育的部分危岩体可能会受水位变动的影响,稳定性降低,一旦发生崩塌,落石将对航运安全造成巨大威胁。数据获取及处理技术与方法 贴近摄影测量技术贴近摄影测量技术是一种利用旋翼无人机近距离贴近被摄物体表面进行摄影,获取物体超高清影像、精确坐标、精细形状的技术。如图所示,相较于传统航空摄影测量方式,贴近摄影测量具有精细化、多角度摄影的优势。总结该技术主要特点如下:近距离摄影:可获取毫米级别的超高分辨率影像。相机面向物体表面:相机角度可根据物体形状动态调整,要求摄影设备具备较高的灵活性。需要获取已有地形信息:在进
11、行智能贴近摄影前,需先通过常规摄影或者手控摄影的手段进行影像重建获取初始地形。贴近摄影测量主要依靠无人机高精度定位技术以及无人机云台姿态控制能力来实现。无人机的高精度定位通过自身集成的 系统来完成,大疆经纬 图不同遥感数据源成像效果比较犉 犻 犵 成都理工大学学报(自然科学版)第 卷多旋翼无人机在 时,水平方向精度可达(),垂直方向精度可达(),能良好地满足定位精度需求。在对复杂岩体结构面进行贴近摄影时,理想状态下相机需对准结构面进行摄影,为达到良好效果,需要无人机具备良好的云台姿态控制能力,使相机角度能随着摄影面的变化而灵活转动,大疆经纬 无人机具有极强的云台姿态控制能力,可出色完成数据获取
12、。贴近摄影测量的基本流程遵循“从粗到细”的原则。首先要通过常规飞行方式获取分辨率相对较低的影像,处理得到测区初始地形信息;下一步亦是最关键的一步,即以初始地形数据为基础,进行三维智能航线规划。如图所示,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(),平行于该空间平面距离(犱)为 的位置拟合平面,即为飞行轨迹规划平面()。值得注意的是,在实际应用中,为保证数据获取的效率,飞行高度可根据精度需求进行调整,贴近摄影测量的概念并不局限于飞行高度。图航线规划原理示意图犉 犻 犵 数据获取此次研究数据获取将利用大疆经纬 多旋翼无人机搭载大疆 镜头完成。首先对面积约 的研究区进行平均
13、分辨率(简称“”)为 的常规飞行,获取测区粗地形数据;其次以粗地形数据为基础,圈定高陡危岩体范围并规划多视角智能航线,对危岩体进行智能贴近摄影;最后通过影像后处理软件 完成了精细化三维实景建模,并生成结构面提取所需的三维点云数据。此次研究贴近飞行面积约为 ,设计平均分辨率为,共获取 张原始照片。设备参数此次航测建模过程难度较大,实验借助大疆经纬 多旋翼无人机、镜头、大疆智图以及 智能规划航线软件等多种软硬件设备完成。飞行试验所用硬件设备参数如表、表所示。表大疆经纬犕 犚 犜 犓无人机相关参数犜 犪 犫 犾 犲 参数大小展开(不包含桨叶)质量空机质量(含双电池):最大可载质量 最长飞行时间 最大
14、可承受风速(级风)位置精度 (水平)、(垂直)表犣 犲 狀 犿 狌 狊 犲 狆 数字相机主要技术参数犜 犪 犫 犾 犲 参数有效像素 万传感器大小 像元大小 图像大小()光圈范围 范围 最小拍照间隔 智能航线规划本文使用 软件进行航线智能规划。如图所示,该软件以已有地形为基础,根据危岩体结构面发育特点规划多角度智能航线,将智能航线导入飞控设备,自动完成对危岩体多角度贴近摄影。此次智能航线平均设计 为,航向重叠率为,侧向重叠率约为,飞行高度约为。航线规划完成后,为确保拍摄安全及拍摄精度,要进行航线检查。借助大疆智图航点飞行功能,导入粗模和规划好的航线文件进行多视角校验,可准确再现航点位置,并依据
15、设定好的偏航、俯仰角度,模拟航点位置锥体投射到模型上的效果,从而检查航线各个航点第期姚富潭,等:基于贴近摄影测量技术的高陡危岩体结构面调查方法图多视角航摄示意图犉 犻 犵 的安全性以及偏航、俯仰角度是否合理。为了达到最好的数据获取效果,一些贴近危岩体靠坡内的“凹陷”部分还需人工控制飞行拍摄,航线包含了软件规划自动飞行的智能航线和局部的“手飞航线”。数据处理本文采用 倾斜摄影后处理软件进行三维实景模型的构建。首先对影像进行质检,排除有缺陷的影像,确保用于三维重建的数据完整正确,处理得到高精度三维实景模型以及三维点云等数据。此外,还需对原始点云进行去噪、分类等处理,目的是获取真实岩体点云。已有的点
16、云自动分类算法对高陡危岩体的处理效果较差,但由于高陡危岩体上植被较稀疏,植被点较少。因此点云分类建议采用手动分类的方式进行。如图所示,图中绿色高亮部分为手动提取的植被点,右侧为植被点和岩石点云提取的剖面效果。图陡峭地区植被和岩石点云模型犉 犻 犵 岩体结构面信息提取本文将利用 程序法对危岩体结构面产状信息进行提取,该程序以主成分分析()与聚类算法为主要结构。首先通过验证实验证明贴近摄影测量技术所获取的三维点云可以很好地满足岩体结构面产状信息半自动提取的需求,并且产状半自动提取的结果也满足了工程中的精度需求;最终再将此方法运用到研究区高陡危岩体结构面调查中,成功提取了危岩体结构面产状信息。结构面
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