基于无人机遥感的地质信息提取——以柳江盆地为例

doi:10.6046/gtzyyg.2020.03.18

基于无人机遥感的地质信息提取——以柳江盆地为例

连会青^,¹, 孟璐^,¹, 韩瑞刚¹, 杨艺¹, 余标²

1.华北科技学院安全工程学院,廊坊 065201

2.中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京 100083

Geological information extraction based on remote sensing of unmanned aerial vehicle: Exemplified by Liujiang Basin

LIAN Huiqing^,¹, MENG Lu^,¹, HAN Ruigang¹, YANG Yi¹, YU Biao²

1. School of Safety Engineering, North China University of Science and Technology, Langfang 065201, China

2. School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China

通讯作者: 孟璐(1996-),女,硕士研究生,主要从事水文地质等方面的研究。Email:376367920@qq.com。

责任编辑: 张仙

收稿日期: 2019-11-6 修回日期: 2020-02-9 网络出版日期: 2020-09-15

基金资助:

国家自然科学基金面上项目“砂岩结构与渗透性尺度转换关联研究”.  51774136
国家重点研发计划项目课题“水灾应急决策支持专家系统”.  2017YFC0804108
河北省自然科学基金重点项目“砂岩微观结构分形特征与宏观渗透性关联性研究”.  D2017508099

Received: 2019-11-6 Revised: 2020-02-9 Online: 2020-09-15

作者简介 About authors

连会青(1975-),女,博士,教授,主要从事矿井水文地质等方面的研究。Email: 2366884370@qq.com。

摘要

为解决传统地质勘察工作量大、效率低,难以对高边坡地质点进行信息提取的问题,以河北省秦皇岛市柳江盆地为研究对象,选取东部落和潮水峪2个观察点,采用无人机倾斜摄影测量技术获得研究区影像数据,利用Context Capture软件将生成的影像构建高分辨率三维实景模型,在Acute 3D viewer中对三维模型进行地质信息识别与提取。具体包括提取区域经纬度、高程、两点间的距离、垂直距离等基本信息; 识别断层并计算出断层走向、倾向、倾角; 识别岩石的种类与性质,并计算得到岩石出露的周长、表面积、体积值等数据。结果表明: 提取结果与野外实测具有较好的一致性,能够达到识别地质现象、提取地质量化信息的目的,说明本研究采取的方法对无人机遥感技术在地质信息识别与提取上具有实用意义。

关键词： 倾斜摄影 ; 无人机影像 ; 三维建模 ; 地质信息 ; 柳江盆地

Abstract

In order to solve the problem that the traditional geological survey has a large workload and low efficiency and that it is impossible to extract information from high slope geological points, the authors chose the Liujiang Basin in Qinhuangdao City, Hebei Province, as the research object. Oblique photogrammetry technology was used to obtain the image data of the study area. The generated image was used to construct a high-resolution 3D real-world model using the Context Capture software. The 3D model was identified and extracted in the Acute 3D viewer, including the extracted area’s latitude, longitude, and elevation. Several pieces of basic information were extracted, such as the distance between two points, the vertical distance, identification of the fault and calculation of the fault’s strike, tendency, and inclination, identification of the type and nature of the rock, and calculation of data such as perimeters, surface area, and volume value of the exposed rock. The results show that the extraction results are in good agreement with field measurements and can achieve the purpose of identifying geological phenomena and extracting geological quantitative information. It is shown that the method adopted in this paper has practical significance for geological information identification and extraction of UAV remote sensing technology.

Keywords： oblique photography ; drone image ; three-dimensional modeling ; geological information ; Liujiang Basin

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本文引用格式

连会青, 孟璐, 韩瑞刚, 杨艺, 余标. 基于无人机遥感的地质信息提取——以柳江盆地为例. 国土资源遥感[J], 2020, 32(3): 136-142 doi:10.6046/gtzyyg.2020.03.18

LIAN Huiqing, MENG Lu, HAN Ruigang, YANG Yi, YU Biao. Geological information extraction based on remote sensing of unmanned aerial vehicle: Exemplified by Liujiang Basin. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES[J], 2020, 32(3): 136-142 doi:10.6046/gtzyyg.2020.03.18

0 引言

地质工作人员传统的野外现场数据采集以罗盘、皮尺测量为主^[1],这些手段工作量大,效率低,且人员安全无法得到十足保障。无人机航拍作为航空遥感新的地质勘察手段,具有成本低、操作性强的优点,大大促进了地质行业发展^[2,3]。

国内外已有较多人员通过无人机遥感技术对地质地形展开了研究。Tonkin等^[4]利用无人机与三维重建技术快速获得高精度的地形数据,与7 761个全站仪测量点非常一致; 鲁恒等^[5,6]针对地震灾区重建数据获取进行实验,解决了多云雾地区遥感影像资料获取困难的问题; Diaz-Varela等^[7]使用无人机航拍图像来识别阶地,光谱影像和高程数据精度达90%,精细、连续的光谱特性曲线及精准的高程数据几近真实地反映了地物的特征,最终利用计算机视觉技术生成了正射影像和数字表面模型; Gonalves等^[8]使用小型无人机对葡萄牙西北海岸退化进行了研究,获取了海岸带详细数字表面模型,对海岸地貌实现了业务化的监测; 荆平平等^[9]以江西省定南县稀土矿区为研究区,通过面向对象的多尺度分割技术,建立不同地物类别对应的分类层次,总结出了一套基于无人机遥感的矿产信息提取方法; 姚林林等^[10]利用无人机航拍数据生成彩色三维点云数据和三维真彩色模型,借助地形高程等空间位置信息及地表的色彩和地貌、地物信息,对关键地区和高陡地区开展了室内地质点信息获取工作方法和实施流程的研究。

无人机在地质地形勘测方面取得了一系列成果,有效弥补了传统地面调查与航空摄影技术的不足,但将航拍影像生成高分辨率三维实景模型,再从整体研究区域模型中综合获取细节处地质信息的研究还较少。本文选取秦皇岛柳江盆地为研究区域,基于无人机航拍影像,生成高分辨率三维场景模型,对地质体的产状、高程、经纬度、断层、表面积与体积等地质信息进行识别与提取,在精确提取地理位置信息的同时获取地质岩性特征和构造细节,旨在为无人机航拍识别与地质信息提取提供参考。

1 无人机系统平台

本文选用的无人机为四旋翼大疆御Mavic 2pro专业版,重量轻体积小,具备较高的机动灵活性,其携带的高配置相机可以获取地面高分辨率的遥感影像,外形如图1所示。拍摄过程中全向感知,智能避障,飞行控制系统稳定,自动化程度高,按设置航线拍摄后可自动返航^[11]。无人机相关参数如表1所示。

图1

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图1 大疆御Mavic 2pro专业版型无人机

Fig.1 Dajiang Royal Mavic 2pro professional version of the drone

表1 大疆御Mavic 2pro专业版型无人机参数

Tab.1 Dajiang Royal Mavic 2pro professional version of the UAV parameters

项目	参数	项目	参数
质量/g	907	最大飞行高度/m	6 000
抗风等级	5级	最大上升速度/(m·s^-1)	5(s模式) 4(p模式)
悬停时间/min	29	携带相机	L1D-20c哈苏相机
镜头等效焦距/mm	28	障碍物感知范围	全向感知系统(前后下双目视觉系统, 左右单目视觉系统,上下红外传感器)

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2 影像数据获取与处理

2.1 研究区概况

秦皇岛柳江盆地南北长约20 km,东西宽为12 km,位于由古老的变质岩系所组成的隆起构造区内,是一个晚元古代至古生代地层为翼部,中生代地层为核部的向斜构造^[12,13]。区域地层出露较全,露头良好,含有多种矿产。断层较为发育,类型繁多,以正断层和逆断层为主分布在向斜各处^[14]。

本文在柳江盆地选取2个观察点,第一个为东部落地区,主要针对构造现象进行解译,查勘断层三角面的整体面貌并提取具体数据; 第二个为潮水峪地区,所处地层为冶里组^[15],有大片灰岩出露并包含侵入岩形成的小岩脉,故主要针对岩性特征进行解译,研究岩层顶部的高程和岩层倾向与倾角等要素。

2.2 影像获取

选择天气晴朗且能见度高的时间到达实地进行拍摄,在确定飞行场地并检查好设备试飞行后,设定航向重叠率、旁向重叠率、相机倾斜角(0°为垂直向下)、航拍面积、飞行高度、飞行速度等参数,无人机自动生成飞行线路进行拍摄。2个拍摄点的参数设定如表2所示。

表2 观察点无人机参数设定

Tab.2 Observation point drone parameter setting

观察点	航向重叠率/%	旁向重叠率/%	相机倾斜角/(°)	航拍面积/m²	飞行高度/m	飞行速度/ (m·s^-1)
东部落	85	80	45	123×183	107	5
潮水峪	85	80	45	27×55	40	5

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拍摄过程中主要利用倾斜摄影测量技术^[16,17],从前视、后视、垂直、左视以及右视5个方位来获取影像,从而充分反映被摄区域的平面位置、形状规模、纵横断面、地形起伏等特征,在很大程度上提高了数据的准确性^[18,19]。结束飞行后,查看影像质量,如有无气流不稳定性所造成的无人机相机倾斜与航向偏离等问题,若影像质量未达到要求时则重新拍摄。高质量的原始数据能够提升数据处理的精度和速度。

2.3 三维实景模型建立

利用实景建模软件Context Capture处理无人机航拍获取的影像数据,依次启动Context Capture Master与Context Capture Engine,前者主要进行人工操作,后者则在计算机后台运行。由于软件内含庞大的数据处理系统,在三维实景模型建立过程中自动化程度较高,模型生成结果较好。模型生成过程具体如图2所示。

图2

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图2 生成三维实景模型流程

Fig.2 Generate 3D real-world model flow

在Acute 3D Viewer软件中观察生成的三维模型,各地物单体之间衔接流畅,场景中地物的空间位置、形状、颜色、外观等与实际环境基本一致。最终获得的东部落及潮水峪观察点的三维实景模型图如图3所示。

图3

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图3 研究区三维实景模型

Fig.3 3D real-world model of the study area

3 地质信息提取

以三维场景模型为基础,主要采用人工目视解译与人机交互式解译的方法,根据图像的色调、色彩等图像特征与形状、大小、纹理、位置等空间特征读取三维图像的地物信息。

3.1 东部落点地质信息提取

东部落观察点的地貌特征表明该处存在断层,断层崖所在的部位为断层的上盘。其三维模型如图4所示。三角边框所圈区域为断层崖,代表断层三角面,断层三角面的坡底线为断层线。由软件测得该模型向右的方位为335°,断层线延伸方向即断层走向,坐标轴向右方位角同走向角度,从而可知东部落点断层走向为335°,倾向与走向存在相差90°关系,故倾向为65°。

图4

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图4 东部落观察点三维模型示意图

Fig.4 Schematic diagram of the 3D model of the East Tribe observation point

在Acute 3D viewer中运用测量工具,提取图4中三角面各点经纬度、高程信息,具体数据如表3所示。

表3 三角面各点坐标信息

Tab.3 Coordinate information of each point of the triangular surface

顶点	经度/(°)	纬度/(°)	高程/m
A	E119.636 590 0	N40.135 782 6	175.10
B	E119.636 925 4	N40.136 275 2	125.60
C	E119.637 615 9	N40.135 351 8	125.60
a	E119.636 136 1	N40.137 517 1	171.08
b	E119.636 618 6	N40.137 848 0	119.50
c	E119.636 808 9	N40.137 429 8	119.50

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综合各点坐标信息,可计算东部落观察点2个三角面的倾角。

如图5所示,已知三角面ABC, $θ_{1}$ 为三角面ABC的倾角,AD与BC垂直,AE为点A到面BCE的垂直距离。运用Acute 3D viewer测得AD为70.11 m,AE为49.5 m,利用公式

(1)

θ_{1} = \arcsin (AE / AD)

求得三角面ABC的倾角 $θ_{1}$ 约为45°。

图5

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图5 三角面示意图

Fig.5 Triangle face diagram

同理,在三角面abc中,点a到bce面的垂直距离ad为68.54 m,点a与点d的垂直距离为51.58 m,可求出三角面abc的倾角 $θ_{2}$ 约为49°。

3.2 潮水峪点地质信息提取

潮水峪观察点所在的地层是冶里组,有大片灰岩出露并有侵入岩形成的小岩脉。三维模型如图6所示。由图可见,灰白质岩石整片出露,成层分布,走向明显。运用Acute 3D viewer软件测得右方位为36°,则整片灰白质岩石走向为36°,倾向与走向间存在相差90°关系,故倾向为126°。

图6

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图6 潮水峪观察点三维模型示意图

Fig.6 Schematic diagram of the three-dimensional model of the tide tidal observation point

模型中可见整片岩石1成层分布并出露充分,呈条带状延伸,判定此岩石为沉积岩,且颜色为灰白色,可判定为灰岩。影像上可见灰岩整体色调有明显差别,白色与灰白色交杂,初步判定为白云质灰岩。侵入岩2和侵入岩3都呈脉状延伸,侵入岩2的色调比侵入岩3的色调浅,侵入岩3风化剥蚀得更严重,可初步判断侵入岩2为中性岩浆岩,侵入岩3为基性岩浆岩。

野外采集的岩样如图7所示,观察到岩石1的颜色为灰白色,且带有白色的晶体,可判断岩石1是白云质灰岩。侵入岩2具有明显的斑状结构,其斑晶为斜长石与角闪石,岩石整体为灰色及灰绿色,判定侵入岩2为闪长玢岩^[20]。侵入岩3的整体颜色为灰黑色,主要成分为辉石与长石,且其比侵入岩2更易破碎,侵入岩3为辉绿岩。

图7

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图7 岩样

Fig.7 Rock sample

进一步对岩石进行定量分析,依据模型中纹理的走向与倾向,可计算出岩层的倾角θ。如图8所示,面MNOP为岩层面,NO为岩层出露的纹理,NQ为点N到面POQ的垂直距离。

图8

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图8 岩层面示意图

Fig.8 Schematic diagram of rock level

依据公式

(2)

θ = \arcsin (NQ / NO)

可得岩层倾角,纹理信息如表4所示。

表4 纹理信息

Tab.4 Texture information

类别	距离/m	垂直距离/m	倾角θ/(°)
纹理1(ab)	4.49	0.26	3.3
纹理2(cd)	2.90	0.33	6.5
纹理3(ef)	3.43	0.34	5.7

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除此之外,在自定义平面方法下可大致得出3种岩石出露的周长、面积和体积值。其中周长、面积可直接运用Acute 3D viewer测量工具获得,而体积值则是依据表面积而定,把出露的地质体体积反映出来,可为潮水峪水文及工程地质、施工建设过程中所进行的测量工作等提供基础地质资料^[21]。提取过程如图9所示。

图9

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图9 岩石信息提取过程

Fig.9 Rock information extraction process diagram

在Acute 3D viewer的测量工具中,体积值是依据出露岩石表面积而计算,如图10所示。面ABCD为岩石的出露面,则图10三棱体的体积即为岩石出露面体积。

图10

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图10 体积计算示意图

Fig.10 Schematic diagram of volume calculation

通过测量工具并计算后所得的裸露岩石具体数据如表5所示。

表5 裸露岩石数据

Tab.5 Exposed rock data

类别	采样距离/m	周长/m	面积/m²	体积/m³
岩石1(灰岩)	2.70	228.77	1 717.00	19 025.02
侵入岩2(闪长玢岩)	0.41	25.40	38.29	245.14
侵入岩3(辉绿岩)	0.43	24.73	24.49	206.23

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4 结论

本文以河北省秦皇岛市柳江盆地为研究对象,从中选取东部落和潮水峪2个观察点,通过无人机倾斜摄影技术拍取影像数据并建立三维模型,从中识别和提取地质信息,得到的主要结论如下:

1)基于航拍获得的影像构建三维实景模型在东部落及潮水峪观察点提取到了区域经纬度、高程、两点间的距离、垂直距离等基本信息。

2)在东部落观察点,识别出了该处的断层,读取了其走向和倾向数值,通过测量断层三角面上3个角点的经纬度和高程数据,计算出了2个断层三角面的倾角分别为65°和49°。

3)在潮水峪观察点根据遥感图像和岩石标本判定3种出露岩石分别为白云质灰岩、闪长玢岩和辉绿岩; 根据模型中纹理的走向与倾向,计算出了岩层沉积纹理的距离、垂直距离以及倾角; 并采用自定义的方法,计算出了岩石出露的周长、表面积和体积数据,实现了对地质体信息的识别与量化提取。

4)本研究仍存在不足之处,如制作的三维场景模型是一个整体,无法将模型分割来实现单体化操作,故识别与提取的地质信息还不够完善。未来将进一步深入研究,挖掘出更多有用的地质信息。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

董秀军

三维空间影像技术在地质工程中的综合应用研究

[D]. 成都:成都理工大学, 2015.