大疆无人机在高位危岩地质调查中的应用

2023年2月1日我们受招商局重庆交通科研设计院有限公司道路与岩土工程研究院邀请，在重庆黔江某高速公路路段，共同探索测试大疆无人机在高速公路边坡高位危岩地质调查中的应用。

无人机在高位危岩地质灾害调查中有着重要的作用。通过实时的高空快速侦查到危岩活动的部位，可以捕捉到大范围灾害形态，把信息传递给地质灾害处置部门，更好的了解地质灾害的情况，这样可以采取有效的预防和处理措施，避免地质灾害发生和危害人们的生命财产安全。道路，铁路，桥梁，水电站等修建在高边坡下的大型重要的基础设施，都存在的强烈且持续的对高边坡稳定性的监控需求，及时了解危害的发育状况并进行处置是非常必要的。近年来随着无人机低空摄影测量技术的普及，具有地理信息属性的实景三维模型，在地质行业也得到了广泛应用。然而在山区进行地质调查，通常环境危险且复杂，常规的数据采集方式并不能全面满足需求。在过去一年的时间里，我们积极的与地质行业的顶级单位合作，在地质调查研究对象的数据获取方面，积累了大量的经验。本文以重庆黔江某高位危岩为采集对象，将我们使用大疆无人机在高位危岩地质调查中的一些共性需求进行分享。

测区全景图概况

大疆行业应用无人机属于非接触式测量设备，可以轻易突破空间距离限制，获取地质调查研究对象的点、线、面信息。其中点、线信息的获取通常为采集高清影像数据，人工到达现场手动采集或通过高分辨率实景三维模型，分析需要观测的点位或裂隙后，周期性采集高分辨率影像数据，通过图像识别自动分析岩体结构变化并预警。面状采集方式则为粗模，精模、激光雷达数据三种，粗模主要是获取调查对象的基础地质要素，精细实景三维模型可以取代人工攀爬，精准量取岩体几何特征，激光雷达数据可以在滤波后剔除植被获取岩体的表面特征，进行岩体的断面与截面数据提取。

本次测试采集数据如上表所示，下面我们依次介绍每项内容的具体工作流程：

1、高空全景

全景数据采集可以使用M3E自带的全景拍摄功能，无人机手动飞行到指定地点后，通过拍照菜单内全景功能按钮采集全景影像数据，采集完成后，遥控器会自动进行拼接，可通过遥控器浏览或上传720云进行在线发布。

如需批量采集，可使用航迹大师全景航线功能。全景航线功能支持通过KML或CSV文件批量导入全景采集点位，生产可以仿地的全景采集航线。采集完成后使用PTGUI进行全景拼接，可本地浏览，可使用720云在线发布。

2、三维模型

本次测试采集三维模型如下图所示，我们分别采集了5.5cm、2mm、5mm三种影像分辨率的的原始影像。

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粗模

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粗模主要用于快速获取测区地理信息数据，用于采集航线规划必须的基础数据和校验航线飞行安全。因此粗模数据采集越快越好，数据量越少越好，对精度要求不高。可使用M3E遥控器自带的扫摆航线高航高飞行，用大疆智图低分辨率模式输出实景三维模型和点云。可在到达现场后半小时内完成粗模数据的采集与处理。

M3E扫摆航线

粗模模型效果

粗模点云效果

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P1扫摆

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基于粗模数据即可规划精细模型采集航线，使用巡检大师制作的点云扫摆航线可精准拟合待测结构外轮廓，使航线轨迹与测区几何结构变化一致，保证整个测区的影像采集分辨率一致。

P1扫摆航线展示

P1空三影像展示

禅思P1具备五向扫摆功能，在飞行过程中沿中、上、右、下、左五个方向摆动云台，采集的角度更丰富，纹理采集更完整。

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P1扫摆航线录屏

从模型效果截图可以看出，传统飞行方式很难重建的额突岩体底部，使用扫摆航线就可以获得很好的重建效果。

P1扫摆航线模型效果-1

P1扫摆航线模型效果-2

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M3E扫摆

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M3E灵活便携，起飞准备时间短，续航时间长，搭载RTK模块，可做到航线精准执行。M3E在发布28天后上线了智能摆拍功能，巡检大师在平面摆拍的基础上，适配了立面摆拍功能。M3E的云台可以进行上、中、下三个方向的云台摆动。采集1mm/pixel影像分辨率的相对距离为3.6m，而P1采集1mm/pixel影像分辨率的相对距离为8m。如果M3E采集与P1一致分辨率的影像，飞行距离会更近，内外业效率会降低。因此我们着重测试的是M3E在中等分辨率（低于5mm/pixel）外业飞行效率、内业处理效率以及模型效果的表现。针对不同的作业场景需求，帮助用户选择合适的作业方案。

M3E 5mm分辨率扫摆航线

M3E 空三影像展示

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M3E原始影像轮播

M3E扫摆航线模型效果-1

M3E扫摆航线模型效果-1

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模型对比

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模型细节对比录屏

从两个模型的对比我们可以看出，五向扫摆与三向扫摆的模型纹理结构完整性并无差异，模型效果的差异更主要是体现在影像的采集分辨率。

外业采集效率对比

本次测试的区域较小，从上表可以明显看出不同分辨率模型采集的内外业效率差异。不同等级的地质调查对地质要素收集的丰富程度要求不一样，我们推荐用户根据相应的地质调查要求，有针对性的选择作业方案。

模型细节截图对比1

模型细节截图对比2

模型细节截图对比3

模型细节截图对比4

3、雷达点云

由于禅思L1具有三轴云台，因此我们在巡检大师内同时适配了禅思L1的点云航线规划，使用点云航线规划，可保证相对距离恒定，保证整个测区数据质量一致。同时由于航速较低（3m/s），飞行距离较近（18m），可以有效的提高点云成果在单位面积内的点密度。

L1成果与航迹展示

高密度的点云数据，可以完整的记录岩体的表面结构。

按RGB显示

超近的采集距离，可以有效提升植被覆盖区域采集效果。

按回波次数显示-正面

按回波次数显示-反面

使用第三方软件还可以提取岩体的断面与截面数据。

岩体断面数据

岩体截面数据

4、智能复拍

巡检大师提供提供的智能复拍的功能，导入专业人员通过手动采集的巡检影像，生产自动复拍的巡检航线。

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如图展示了根据现场手动采集的9张巡检影像，自动生产的复拍巡检航线。智能复拍支持新增过渡点功能，在有可能与地形产生碰撞的航点之间，增加过渡航点，保障飞行器飞行安全。

如上图3至4号航点之间有碰撞地形风险，通过增加过渡航点，升高后，平飞至下一航点。

5、智能巡检

智能巡检可针对模型上任意点位设计垂直巡检点位所在平面的巡检航线。

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除现场采集巡检点位外，专业人员还可以通过精细化实景三维模型确定需要巡检的点位，使用智能巡检功能绘制巡检航线。智能巡检功能通过绘制三点拟合结构面，输入巡检影像需要的分辨率，自动计算采集影像的位置和姿态。航线生产后，可对每个采集点的视角进行模拟，确保巡检影像采集角度正对巡检点。针对有风险的航点，可通过修改分辨率调整航点与地形距离关系，同时也可以增加过渡航点。

6、裂隙巡检

裂隙的走向并不固定，因此针对裂隙的巡检航线制作要求比较高，需要充分保证航线的自由度。

裂隙巡检航线示意

如上图所示，我们沿着岩体绘制了一条横向纵向连续的巡检航线，并且纵向航线会跟随岩体倾角进行反倾。如此即可获取保持分辨率恒定的针对岩体裂隙的巡检影像。

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裂隙巡检录屏

总结

针对高位危岩地质调查，南京韦博智控科技有限公司推出了一系列自动飞行航线规划功能，辅助地质行业用户精准高效的利用大疆无人机及载荷采集数据。其中影像数据可用于实景三维建模处理，具备地理信息属性，方便量测危岩体产状信息。并且自动飞行航线重复执行精度高，配合大疆机场可用于周期性巡检，获取的高分辨率影像，帮助用户进行图像识别数据的采集与训练。

大疆无人机应用于高位危岩巡检，与传统的人工攀爬垂吊作业方式相比，大大提高了作业安全性，减少了作业时间，其丰富的数据成果和精确的可重复执行，为地质调查工作带来了划时代的变革。