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岩溶隧址区构造解译中无人机三维遥感技术的应用

2021-03-20 156 上传者：管理员

摘要：平面遥感通过阴影体现立体感，其立体效果一般较差;卫星三维遥感通过DEM体现立体感，有较好的立体效果，但由于卫星平台太高，难以体现较小的地形起伏，而且陡坎处影像容易出现拉伸变形;无人机三维遥感立体效果最好，由于获取影像的平台较低，细微的地形起伏均可以较好地反映。本文针对传统方法在构造解译上的不足，利用无人机获取岩溶隧址区遥感数据建立三维遥感影像模型，进行岩溶构造解译，并与传统构造解译方法做了对比。结果表明，无人机三维遥感解译可以大大提高隧址区岩溶构造解译的精度和可信度，可为岩溶地区的隧道施工提供准确基础资料。

关键词：
三维模型
地质勘探
岩溶构造
遥感技术
隧址区
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遥感用于构造解译是地质研究的重要方法。Saadi等用SRTMDEM、ETM+数据、现场数据、地质数据成功解译了利比亚西北部构造[1];金谋顺等用WorldView-2数据，结合三维技术，形成的三维立体图像成功解译了东昆仑地区构造[2];张焜等以高分一号卫星PMS数据，融合全色多光谱数据，获得了正射遥感影像图，成功解译了研究区地质构造[3];刘智等以西藏亚东作为研究区，利用影像加地质资料，构建了该地区的断裂机制模型并融合地貌特征进行了构造解译[4];谢小平等用LandsatETM+影像、ASTERGDEM数字高程模型和GoogleEarth数据又系统研究了构造解译标志，结合前人研究成果，得到了研究区断裂构造分布[5];Martial等用喀麦隆Sangmelima地区地球物理和遥感数据整合绘制了该地区地图并成功解译该地区断层带、褶皱、剪切带等地质构造[6]。

国内外学者在利用遥感数据对研究区进行解译的成果显著，但解译方法多处于小比例尺二维平面图像中，分辨率较低且缺乏能很好匹配使用的地形数据，解译结果很难将地质构造的起伏状态很好地表达出来。因此有学者基于卫星遥感或航空遥感进行三维可视化研究，对结果进行遥感解译，此方法很好地解决了平面遥感的不足，但因获取的数据距离地表很远，地表高程无法精确表达在三维模型上，部分地形起伏较大的地区会产生拉伸作用导致变形，无法正确反映地表状态。又因目前对于灰岩地区的岩溶构造解译研究不足，因此本文利用无人机三维建模方法结合地质资料对都巴高速隧址地区的岩溶构造和断层构造进行解译，研究结果对辅助岩溶区隧道施工和降低岩溶隧道施工事故隐患等方面具有一定的意义。

1、区域地质概况

研究区位于都巴高速，高速由东向西，起于都安县澄江乡，终于巴马县巴马镇，主线路线全长119.1km。沿线是全国岩溶地貌发育最典型地区之一。此条件下人力难以采集地质数据，设备无法到达指定位置，但此山体高度适合无人机低空航行，因此该区域适合无人机三维遥感解译工作。研究区隧道可分为灰岩区隧道和非灰岩区隧道，前者主要位于都安县城至大化县江南乡段，大部分隧道穿过灰岩区，隧道施工时易产生造成塌方、漏水、塌陷等危险。

2、传统遥感解译与无人机三维遥感解译

2.1 平面遥感构造解译

平面遥感利用卫星、飞机、无人机等作为遥感平台，定性和定量地获取二维遥感图像数据，识别和提取目标的结构信息、地层信息、位置信息等。对平面遥感数据进行断层解译主要有4种方法:图像中阴影处是该地区的低洼处，如果低洼处构成一条直线，可以判断为断层;河流的突然转向并线性向某一方向流，可以判断是断层;地层突变且分界线平滑笔直，可以判断为断层;同一地层区域直线构造被另一直线构造线性错断，可以判断为断层。图1中解译的线段为断层位置，图像东部与西南部亮白区域为第四纪地层，其主要是城市和平原。从图1上可以发现解译结果无法清晰表达断层的位置和方向且无法获取研究区详细的地质结构。因为地质现象和构造都是立体的，平面遥感利用阴影表达地物立体感，所以断层大小和高度坡度不能表达，小断层和陡崖无法解译，岩溶构造无法判断，具有很大局限性。

2.2 卫星三维遥感解译

高分辨率光学遥感卫星的几何定位精度、时间分辨率、空间分辨率等远高于一般遥感卫星[7]，且遥感影像分辨率越高，信息量也越丰富[8]。因此高分遥感数据被大范围应用在地质调查中。若利用获取到的卫星遥感数据结合DEM数据通过三维建模技术形成富含丰富地质信息的三维立体地质模型，通过对建立的三维模型进行解译就可以得到大量且全面的地质空间信息[9,10]。但是卫星离地面遥远，获取的地面图像并没有地表各个方向的地形数据，所以在形成三维立体模型时，无法形成可以真实表达地表的模型。当把图像贴在立体模型上时出现了地形变形和像元拉伸，且结果与实际情况不符，如图2所示，因此建立的三维模型不能运用在研究区构造解译。

2.3 无人机三维遥感隧址区构造解译

2.3.1 无人机三维遥感模型

无人机三维遥感模型利用无人机获取地表信息，用传感器和高分辨率相机的无人机对地面进行前后左右和垂直方向的测量，获取5个方向地面高分辨率遥感影像。以测量数据为素材，通过数据处理，可构建研究区三维全景模型[11]。对建立的三维遥感模型进行解译，可获取需要的地物信息。这为野外勘测工作者提供了成本低，且又快速、灵活、精确地获取地物信息的新手段[12]。

利用无人机数据建立三维遥感地形模型主要步骤有:无人机获取地表信息数据并对影像进行预处理，从POS系统中得到航拍中心位置和光束姿态，在两幅影像找到同名像点进行相对定向，重建空间相对关系，得到相对高，通过空中三角测量方法得到绝对高程，通过已得的高程数据可形成点云模型，再建立离散的三维网络，形成TIN模型，进行人机交互提取DEM，对DEM进行检验，建立三维模型[13]。贴上地表纹理形成研究区全景三维模型图，如图3所示。最终建立的全景三维模型可以完整表达地貌的构造和地质特性。本文基于Smart3Dcapture软件实景三维建模。空三、建模和纹理均可全自动获得，它具有友好的人机交互界面、良好的数据兼容性、强大的数据运算能力及较低的硬件配置要求，在三维数据建模领域是非常优秀的软件[14]。

2.3.2 无人机三维遥感断层解译

无人机三维遥感模型全面、真实地反映了各种地物和地质体的特征及其空间组合关系。在遥感三维模型上进行目视解译读取需要的地物信息。可通过相互之间的位置关系判断正逆断层，根据绵延的长度可判断规模。软件中允许长度计算，大规模断层水平延伸达1km，甚至数公里，垂直延深达数百米，宽度数米至数十米;中等规模断层，其水平延深一般数百米，宽度1m左右，垂直延深100—200m;小规模断层水平延深一般只有几十米，少数超过100m，宽度不超过1m，垂直延深一般只有几十米。除此之外还可解译断层的倾角大小等信息。解译如图4(a)所示。图中深黑线段之间为断层带，可以从三维模型中解译出断层带宽度为1000m左右，长带状近南北向延伸，倾角近80°，在图中可以发现隧道经过了研究区的断层带，因而在施工过程中会遇到断层的问题。

2.3.3 无人机三维遥感岩溶解译

岩溶是指地表水与地下水对可溶性岩石所进行的化学溶解和机械侵蚀作用以及伴生的堆积作用的总称。在南方灰岩地区易于在山的凹陷处积雨水从而形成灰岩的溶解进而产生溶洞和落水洞，这种构造称为岩溶漏斗，如图5所示。因此解译三维模型中的岩溶漏斗是解译岩溶构造的关键。在陡峭的岩溶山区几乎可以排除人为因素，因此岩溶漏斗比较完整。岩溶漏斗一般呈现锅形、圆锥形、纺锤形等，利用无人机三维遥感模型可目视解译山间的岩溶漏斗，解译出其空间位置以及大致范围与个数，并用多边形勾勒轮廓。解译过程如图4(a)所示，图中白色虚线是解译获取的10个岩溶漏斗位置和大小。

前人通过QuickBird数据进行了三维建模并解译岩溶漏斗，但无法很好表达长半轴较小和深度较浅的漏斗[15]，而无人机三维模型解决这个问题。通过解译可知:漏斗大大多呈圆形或椭圆形，深度都在10—200m之间，6个漏斗处于断层带，而隧道线路周边有5个漏斗。施工隧道左侧发现体积较大露天溶洞，溶洞位于图4标记的溶洞处。解译可以发现溶洞处虽不是漏斗但因其中间低洼且处于断层处易于产生灰岩被雨水溶解，而施工过程也确实有溶洞出现，因此解译的判断是可以作为辅助依据的。所以既在断层带内又处于隧道旁的3个岩溶漏斗下需要注意可能会在施工过程中出现溶洞等构造。

3、结束语

本文以广西都巴高速岩溶隧址区为研究区，利用无人机三维遥感建模方法解决了在岩溶区构造解译因地形起伏大、悬崖峭壁多等客观原因人力无法进行实地勘测且设备无法对指定区域进行勘测的难题;同时本文研究表明，无人机三维遥感建模分辨率高且真实可信，可真实完整地表达出地表形态，并与平面遥感构造解译和传统三维遥感解译方法对比，结果表明无人机三维遥感模型可以解译出断层的倾角、规模和水平延伸长度等情况，同时可以更好、更真实地解译出岩溶漏斗。卫星遥感三维模型会因像元拉伸而导致地形拉伸等变形，无法真实地表达地表形态，故而无人机三维遥感模型对地形起伏较大的岩溶区解译更加真实有效;溶洞处的解译结果可以判断出该区域易于在地表之下产生溶洞，因此解译结果可以和地质资料综合运用，来进行隧道施工区域的溶洞和落水洞位置与大小的判断，减少施工风险和施工难度。

本研究不足之处在于解译结果只能解译出可能出现溶洞、落水洞的位置，具体的大小和走向需通过施工信息推断。若用半航空瞬变电磁探测技术或其他物探方法对解译位置进行物探勘测，判断出其大小和走向，可进一步提高解译结果的完整性。

参考文献：

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[3]张焜,马世斌,李宗仁,等.高分一号卫星数据遥感地质解译[J].遥感信息,2016,31(1):115-123.

[4]刘智,黄洁,孙小飞,等.基于GF-1影像的西藏亚东地区构造解译研究[J].中国地质调查,2017,4(3):17-23.

[5]谢小平,白毛伟,陈芝聪,等.龙门山断裂带北东段活动断裂的遥感影像解译及构造活动性分析[J].国土资源遥感,2019,31(1):237-246.

[7]任晓春,李伟,王玮.高分光学遥感影像在铁路勘察中的应用及展望[J].测绘通报,2019(5):44-47.

[8]顾行发,余涛,高军,等.面向应用的航天遥感科学论证研究[J].遥感学报,2016,20(5):807-826.

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[10]焦超卫,李领军,张云峰,等.三维遥感影像在地质找矿中的应用—以某红土型镍矿为例[J].矿产勘查,2013,4(5):552-557.

[11]赵小阳,孙松梅.无人机倾斜摄影支持下的1∶500高精度三维测图方案及应用[J].测绘通报,2019(7):87-91.

[12]张纯斌,杨胜天,赵长森,等.小型消费级无人机地形数据精度验证[J].遥感学报.2018,22(1):185-195.