周成凱， 李遠(yuǎn)耀*， 王寧濤， 劉 壯

(1.地質(zhì)探測(cè)與評(píng)估教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430074； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院， 武漢 430074； 3.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心， 武漢 430205)

中國是一個(gè)危巖崩塌地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國家。許多危巖體孕育于高陡巖質(zhì)斜坡之上，具有明顯的隱蔽性和突發(fā)性，其早期的快速識(shí)別與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)一直是地質(zhì)災(zāi)害防治工作中重要的技術(shù)難題之一。

目前，中外危巖體調(diào)查評(píng)價(jià)研究主要集中在危巖體的失穩(wěn)模式、危巖體穩(wěn)定性分析、崩塌及落石運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及危巖體防護(hù)治理等幾個(gè)方面。傳統(tǒng)的針對(duì)高位危巖的調(diào)查方法主要是通過地質(zhì)人員進(jìn)行地面調(diào)查，該方法不僅耗時(shí)、耗力、效率較低，同時(shí)調(diào)查過程中存在較大危險(xiǎn)性。近年來，隨著遙測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，一些非接觸式的新技術(shù)與新方法被引入至危巖體的調(diào)查與評(píng)價(jià)研究中，如焦盼飛[1]利用無人機(jī)采集影像，通過圖像處理手段得到了危巖崩塌中結(jié)構(gòu)面的間距、危巖體規(guī)模、巖體表面不規(guī)則裂隙的尺寸等信息；孫娟娟等[2]采用無人機(jī)航攝方法，建立了浙江省神仙居景區(qū)某危巖體的三維模型，探索了準(zhǔn)確識(shí)別巖體結(jié)構(gòu)面幾何特征的方法；胡才源等[3]基于無人機(jī)遙感影像，采集貴州省仙宇屯高位危巖體的高精度正射影像和實(shí)景三維模型，精確識(shí)別了危巖體的發(fā)育特征；Vasuki等[4]利用無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)采集地質(zhì)結(jié)構(gòu)體上的影像信息，通過采集的影像信息，基于圖像處理技術(shù)，半自動(dòng)化提取出巖體表面的結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀；Vanneschi等[5]采取無人機(jī)攝影測(cè)量和三維激光掃描等手段獲取公路旁的危巖體的相關(guān)空間參數(shù)并進(jìn)行穩(wěn)定性分析，最后對(duì)該區(qū)域崩塌落石進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬得出了危險(xiǎn)性分區(qū)圖?？梢姡瑹o人機(jī)技術(shù)作為一種新技術(shù)方法的在危巖調(diào)查研究中應(yīng)用逐漸增多。

圖1 獅子頭危巖體交通位置

然而，基于小型無人機(jī)平臺(tái)開展高位危巖體調(diào)查評(píng)價(jià)工作，在無人機(jī)的航線規(guī)劃、結(jié)構(gòu)面快速調(diào)查與精準(zhǔn)識(shí)別等方面仍存在一些不足?，F(xiàn)利用旋翼式小型無人機(jī)，以重慶萬州獅子頭危巖體為典型對(duì)象，通過開展傾斜影像的采集，獲取高清影像并進(jìn)行后處理，生成實(shí)景三維模型、數(shù)字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)、數(shù)字高程模型(digital elevation model， DEM)等數(shù)據(jù)，對(duì)危巖體發(fā)育特征進(jìn)行分析和圖像識(shí)別，最后采用赤平投影方法對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了快速評(píng)價(jià)。研究成果可為高位危巖體的非接觸式測(cè)量、精細(xì)地質(zhì)信息獲取及穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)提供一種新的思路。

1 研究區(qū)概況

近年來，獅子頭危巖體陡崖帶曾發(fā)生不同程度的崩塌或落石災(zāi)害，如2009年陡崖第2段發(fā)生小型崩塌(圖2)，砸毀了下方房屋。2017年4月至5月因連續(xù)強(qiáng)降雨天氣，陡崖帶多次發(fā)生危巖崩塌，陡崖帶有兩處危巖發(fā)生較大體積的崩塌。危巖帶內(nèi)由于砂泥巖的差異風(fēng)化作用以及人類活動(dòng)造成的巖體下部巖腔逐漸發(fā)育、擴(kuò)大，后緣裂隙逐漸延伸貫通，構(gòu)造裂隙不斷發(fā)育，形成了多處方量數(shù)十至上千方的危巖單體，其中，多數(shù)危巖體位于陡崖帶2、3段上部，距離陡崖底部高差100～200 m，屬于特高位危巖體。獅子頭危巖體下方為大周鎮(zhèn)鋪埡村四組移民居住區(qū)，一旦危巖帶發(fā)生大規(guī)模崩塌，其危害將十分嚴(yán)重。

圖2 獅子頭陡崖帶航拍圖

由于研究區(qū)陡崖帶地形極為陡峻，常規(guī)的地面調(diào)查很難開展近距離的危巖單體及結(jié)構(gòu)面精細(xì)調(diào)查研究。因此探索采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)為主、輔助以人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的手段，對(duì)該危巖地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行全面系統(tǒng)的調(diào)查與評(píng)價(jià)。

2 基于小型無人機(jī)的高位危巖體快速調(diào)查

2.1 小型無人機(jī)系統(tǒng)組成

小型無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成：空中飛行部分和地面控制部分[6]。地面控制系統(tǒng)給空中飛行器發(fā)出指令，空中飛行器搭載多種傳感器設(shè)備來獲取地面的遙感信息，所獲取信息可通過無人機(jī)圖傳系統(tǒng)傳輸至地面控制設(shè)備。其中，無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是串連整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)的核心，使無人機(jī)可在人工控制和自動(dòng)控制間不同程度地自主飛行。

本文采用iFlier飛控系統(tǒng)。該飛控系統(tǒng)可自定義區(qū)域航線規(guī)劃，根據(jù)不同地質(zhì)災(zāi)害類型和任務(wù)需求設(shè)計(jì)了正射、傾斜、正視等多種遙感數(shù)據(jù)采集模式。同時(shí)，還可自主設(shè)定飛行速度以及高度、航線重疊率等飛行參數(shù)，目前廣泛運(yùn)用于地質(zhì)災(zāi)害日常調(diào)查以及突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急調(diào)查中[7]。

2.2 遙測(cè)航線規(guī)劃

無人機(jī)遙測(cè)時(shí)的航線規(guī)劃主要目的是基于調(diào)查需求，通過一定的算法控制無人機(jī)機(jī)身的運(yùn)動(dòng)與鏡頭角度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)單鏡頭無人機(jī)的傾斜攝影達(dá)到與多鏡頭傾斜攝影相同的效果。

獅子頭危巖帶的分布延伸長約1.3 km，陡崖帶平面形態(tài)呈橫長形，立面形態(tài)呈“V”字形。根據(jù)地形、主崩方向的差異性，將獅子頭危巖從中間山脊處分為兩段。危巖西側(cè)至山脊處為危巖A段，山脊至危巖東側(cè)為危巖B段。由于獅子頭危巖分布范圍較廣，無法通過一次航線規(guī)劃完成全部影像數(shù)據(jù)采集。因此結(jié)合獅子頭危巖體的特點(diǎn)，本次無人機(jī)調(diào)查主要采用正視模式、正視傾斜模式、傾斜攝影模式及全景模式的聯(lián)合拍攝方法。在危巖體的兩端和山脊處用全景模式拍攝采集影像，對(duì)于危巖體下方承災(zāi)體部分用常規(guī)傾斜模式規(guī)劃航線進(jìn)行拍攝，對(duì)于危巖立面信息采用正視和正視傾斜模式規(guī)劃航線進(jìn)行拍攝(圖3)。

2.3 數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用

航線規(guī)劃完成后，則正式在研究區(qū)進(jìn)行影像采集工作。采用大疆Mavic2行業(yè)版飛行器進(jìn)行影像采集工作，由于其影像具有像幅小、像片旋角大、畸變較重、影像數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，還需要進(jìn)一步結(jié)合自動(dòng)化的后處理軟件處理影像數(shù)據(jù)，生成實(shí)景三維模型、DOM(圖4)、DEM等數(shù)據(jù)[8]。本次研究主要采用Smart3D作為內(nèi)業(yè)的后處理軟件。

根據(jù)無人機(jī)調(diào)查影像及攝影測(cè)量后處理軟件生成危巖帶的航測(cè)成果，首先生成危巖帶及其周邊范圍內(nèi)的DEM數(shù)據(jù)，然后將DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入至arcgis中進(jìn)行空間分析處理，生成危巖帶調(diào)查區(qū)域內(nèi)的坡度圖、坡向圖如圖5所示。

進(jìn)而，基于Smart3D中的Acute3DViewer輕量級(jí)可視化模塊瀏覽實(shí)景三維模型，并從多個(gè)角度觀察危巖帶巖體地質(zhì)特征以及各危巖體側(cè)面的紋理信息，同時(shí)還可以通過其內(nèi)置的測(cè)量模塊測(cè)量危巖體的長度、高度和體積等空間信息，為后續(xù)穩(wěn)定性研究提供單體危巖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[9](圖6)。

2.4 危巖帶工程地質(zhì)分區(qū)

根據(jù)無人機(jī)獲取的遙感數(shù)據(jù)，將獅子頭危巖帶依據(jù)地形地貌和主崩方向分成A、B兩部分，如圖7所示。各段范圍及規(guī)模經(jīng)Acute3Dviewer量測(cè)后如表1所示。

A1陡崖帶發(fā)育連續(xù)，延伸長約700 m，高程225～245 m，高14～20 m，坡向210°～230°，坡度75°～88°，其西側(cè)下方25～50 m為居民區(qū)，平均坡度16°～20°，中部下方為橘樹林，平均坡度25°～30°，東側(cè)靠近山脊，坡度約30°。A1陡崖帶西側(cè)較破碎，破碎帶靠近山脊，長約70 m，占A1陡崖帶總長的10%。

A2陡崖帶發(fā)育連續(xù)，延伸長約680 m。A2段高程275～310 m，高8～35 m，坡向205°～225°，坡度78°～85°，下部斜坡兩側(cè)陡中間緩，兩側(cè)坡度20°～30°，中間坡度10°～20°，中部有1戶1人居民居住。A2陡崖帶西側(cè)較破碎，破碎帶靠近山脊，長約170 m，占A2陡崖帶總長的25%。

A3陡崖帶間斷發(fā)育，延伸長約650 m，高程分布不一，325～365 m，高度6～40 m，坡向184°～225°，坡度80°～86°，其西側(cè)下方多為階梯型耕地，平均坡度約20°，中部及靠近山脊下方為荒林，多灌木，平均坡度25°～30°，東側(cè)靠近山脊，坡度約35°。

B1陡崖帶發(fā)育連續(xù)，延伸長約470 m。高程217～245 m，高9～18 m，坡向115°～120°，坡度75°～85°，距離下方移民居住區(qū)50～80 m，下部斜坡兩側(cè)陡中間緩，兩側(cè)坡度20°～30°，中間坡度10°～20°。

B2陡崖帶發(fā)育連續(xù)，延伸長約600 m。高程270～310 m，高8.5～35 m，坡向115°～140°，坡度78°～88°，下部斜坡主要為樹林坡度25°～35°。

B3陡崖帶發(fā)育連續(xù)，延伸長約580 m。高程315～375 m，高22～40 m，坡向120°～140°，坡度80°～88°，下部斜坡主要為樹林，坡度20°～30°，距離陡崖帶B2距離30～40 m。

3 危巖體結(jié)構(gòu)面的精細(xì)識(shí)別

3.1 結(jié)構(gòu)面的圖像識(shí)別

巖體結(jié)構(gòu)面控制著危巖體的穩(wěn)定性及破壞機(jī)制。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，主要以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線法與統(tǒng)計(jì)窗法作為主要方法，該方法雖簡單實(shí)用，但是對(duì)于高位危巖體的調(diào)查受地形影響，具有較大的局限性。現(xiàn)運(yùn)用無人機(jī)技術(shù)對(duì)高位危巖體中結(jié)構(gòu)面進(jìn)行調(diào)查，并結(jié)合MATLAB軟件中的圖像處理技術(shù)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別提取，具有非接觸式與快捷實(shí)用等顯著優(yōu)點(diǎn)。

圖7 獅子頭陡崖帶分段圖

表1 獅子頭陡崖帶基本發(fā)育特征

基于MATLAB圖像處理的結(jié)構(gòu)面識(shí)別技術(shù)的基本原理，是通過無人機(jī)采集的危巖體表面影像，采用圖像增強(qiáng)模塊中的圖像平滑功能和圖像分析中的邊緣檢測(cè)功能、圖像特征提取中的霍夫(Hough)變換法，將結(jié)構(gòu)面從高位危巖體中識(shí)別提取出來。具體流程如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)面圖像處理識(shí)別流程圖

3.1.1 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理主要包括圖像的灰度處理、對(duì)比度增強(qiáng)處理、降噪處理等基本流程，通過對(duì)無人機(jī)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理突出圖像中所需要的主要信息，去除或弱化不需要的次要信息。

首先運(yùn)用圖像預(yù)處理中的降噪模塊，去除圖像采集過程中產(chǎn)生的噪聲；因灰度圖相比于RGB真彩色圖可以加快在軟件中的運(yùn)算速度，現(xiàn)將RGB彩色圖像進(jìn)行灰度化轉(zhuǎn)換成灰度圖；再進(jìn)一步采用圖像增強(qiáng)工具增大結(jié)構(gòu)面與巖塊之間的對(duì)比度；最后，采用灰度均衡化的方法可得到結(jié)構(gòu)面與危巖結(jié)構(gòu)體背景差異明顯的灰度圖，如圖9所示。

3.1.2 圖像增強(qiáng)

圖像增強(qiáng)的目的在于突出圖像中的目標(biāo)部分，而抑制圖像中多余的部分。本文采用中值濾波這種非線性的處理方法，通過對(duì)鄰域內(nèi)像素按灰度值排序，基于排序的結(jié)果決定中心像素的灰度，消除離散噪聲點(diǎn)。MATLAB中提供了實(shí)現(xiàn)中值濾波的函數(shù)Medfilt2( )，處理結(jié)果如圖10所示。

3.1.3 圖像分析

1)邊緣檢測(cè)

圖像中不同的區(qū)域是由顏色相近的像素所組成，區(qū)域之間的邊緣表現(xiàn)為顏色上的躍變。邊緣檢測(cè)技術(shù)就是利用數(shù)學(xué)上微積分中的求導(dǎo)等方法找出圖像中躍變部分從而尋找出邊緣。邊緣檢測(cè)的算法基于對(duì)鄰域內(nèi)像素灰度進(jìn)行一階、二階求導(dǎo)及梯度運(yùn)算，其結(jié)果通常以灰度圖或二值圖呈現(xiàn)，原圖像中的邊緣部分以灰度較高的像素顯示，無邊緣部分在灰度圖中則以黑色或灰色顯示[10]。

現(xiàn)選用Canny算子進(jìn)行圖像邊緣檢測(cè)，Canny算子與其他邊緣檢測(cè)算子不同的是采用雙閾值的方法檢測(cè)，通過高閾值得到邊緣圖像、基于低閾值將高閾值圖像中的邊緣連接成輪廓，直到整個(gè)圖像的邊緣閉合[11]。

通過調(diào)整不同分割閾值，對(duì)比其邊緣檢測(cè)結(jié)果，得出閾值的取值為(0.7, 0.5)時(shí)相應(yīng)的邊緣輪廓較為符合實(shí)際的邊緣分布情況，如圖11所示。

圖10 獅子頭危巖B3段局部中值濾波效果圖

圖11 Canny算子(0.7，0.5)邊緣檢測(cè)結(jié)果圖

2)圖像特征提取

霍夫變換是一種利用圖像的全局特征將特殊形狀的邊緣像素連接起來，從而在圖像中形成連續(xù)平滑的方法，實(shí)質(zhì)上是基于點(diǎn)線之間的對(duì)偶性，將圖像中的曲線轉(zhuǎn)換為參數(shù)坐標(biāo)系中的點(diǎn)，把形狀檢測(cè)問題轉(zhuǎn)化為尋找參數(shù)坐標(biāo)系中的峰值問題?；舴蜃儞Q常用于圖像中直線和圓的檢測(cè)，因此也適用于結(jié)構(gòu)面的識(shí)別中[12-13]。

如圖12～圖14所示經(jīng)過一系列的圖像處理操作，由于無人機(jī)的拍攝角度和巖體表面植被覆蓋的限制，共自動(dòng)識(shí)別出13條特征較為明顯的結(jié)構(gòu)面，結(jié)合人工目視補(bǔ)充識(shí)別出5條結(jié)構(gòu)面?；谏鲜鰣D像識(shí)別的流程，對(duì)獅子頭危巖體B3段危巖帶中的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行識(shí)別提取，識(shí)別出的結(jié)構(gòu)面如圖14所示。

3.2 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀識(shí)別

要識(shí)別結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀需得出其傾向和傾角要素，無人機(jī)拍攝的影像上每一個(gè)像素點(diǎn)都有其經(jīng)緯度信息。通過Acute3DViewe瀏覽危巖體三維模型可直接讀取巖體結(jié)構(gòu)面任意一點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。根據(jù)李水清等[14]在危巖體結(jié)構(gòu)面上選擇不共面的三點(diǎn)，根據(jù)三點(diǎn)確定一個(gè)平面的原理算其法向量，進(jìn)而求得該結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀(圖15)。

其原理為：設(shè)結(jié)構(gòu)面法向量為n=(A，B，C)，傾向α、傾角β為

(1)

(2)

式中：A=(y2-y1)(z3-z1)-(y3-y1)(z2-z1)；B=(x3-x1)(z2-z1)-(x2-x1)(z3-z1)；C=(x2-x1)(y3-y1)-(x3-x1)(y2-y1)，其中x、y、z分別為平面上所取三點(diǎn)的坐標(biāo)及高程；A、B、C為結(jié)構(gòu)面法向量n的空間坐標(biāo)。由A、B、C的組合關(guān)系可以查出傾向的方位角β方(表2)。

表2 傾向方位簡表

根據(jù)以上原理，將相關(guān)公式輸入到Excel表格中編寫相關(guān)程序以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)狀自動(dòng)計(jì)算，在表格中填入基于Acute3DViewer讀取的坐標(biāo)高程即可自動(dòng)算出獲取的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀。

4 危巖單體穩(wěn)定性分析

通過無人機(jī)影像生成的三維模型，利用三點(diǎn)法測(cè)產(chǎn)狀的原理量測(cè)出B3段部分結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息，并對(duì)其跡長通過Acute3DViewer中的測(cè)量工具量取同一位置的三維模型的長度。B3段危巖體部分結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征識(shí)別結(jié)果如表3所示。

表3 危巖帶B3段結(jié)構(gòu)面信息表

基于以上無人機(jī)調(diào)查及識(shí)別結(jié)果，結(jié)合少量的地面補(bǔ)充調(diào)查。以B3段陡崖帶為例，對(duì)無人機(jī)識(shí)別的部分高位危巖采用赤平投影的方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析[15]，結(jié)果如表4所示。

5 結(jié)論

(1)以重慶市萬州區(qū)獅子頭危巖體為例，基于小型無人機(jī)，通過合理規(guī)劃航線、高效地采集數(shù)據(jù)，獲取有用的地質(zhì)災(zāi)害信息及其孕育環(huán)境的遙感影像數(shù)據(jù)。通過后處理軟件平臺(tái)計(jì)算生成二、三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品，通過遙感信息提取技術(shù)與地質(zhì)災(zāi)害分析相結(jié)合，提供研究地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查點(diǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這種具有無接觸式、無視地形因素、高效安全等特點(diǎn)的調(diào)查手段，對(duì)高位危巖的快速調(diào)查具有重要意義。

表4 赤平投影圖定性分析

(2)利用MATLAB圖像識(shí)別技術(shù)，運(yùn)用圖像識(shí)別中的灰度增強(qiáng)、邊緣檢測(cè)、霍夫變換等方法，識(shí)別出危巖體中發(fā)育的結(jié)構(gòu)面等信息。并運(yùn)用前期基于無人機(jī)調(diào)查提供的坐標(biāo)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)運(yùn)用空間三點(diǎn)法計(jì)算出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面信息的快速提取。

(3)基于圖像識(shí)別獲取的結(jié)構(gòu)面信息，結(jié)合收集的資料，采用赤平投影法對(duì)B3段危巖帶中的3個(gè)典型危巖體進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)危巖體中普遍發(fā)育有兩組結(jié)構(gòu)面，其中主控結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀較為相近，傾角較陡。危巖破壞模式主要為墜落式和傾倒式。