倾斜摄影实景三维技术在道路边坡生态修复中的应用

席春芳，许 哲

（佰信蓝图（山西）科技有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

山西南太行区域，承载着得天独厚的太行文化旅游资源和优势，自然景观风貌优质，生态系统功能完善。更好挖掘旅游资源，发展全域旅游，实现交通旅游融合发展，建设太行一号旅游公路，实现“城景通、景景通”的畅游网络是时代发展的需求，也是人们不断追求美好生活的迫切愿望。太行一号国家风景道陵川段支线，作为太行一号旅游公路新建路段之一，在建设过程中造成部分山体损毁，植被破坏，加之暴雨侵蚀，沿线形成多处地质灾害点位。采用先进技术手段探明损毁范围及程度，是当前迫切之举，制定科学有效生态修复措施，是长久之治。

倾斜摄影实景三维技术，对“三生”空间，实现了真实、有序、多维反映，通过高密度采集、人机交互、物联感知，实现了数字世界和真实空间高度关联，形成了统一的空间架构和数据基础，是面向未来提供新型数字服务、高端地理信息服务、稀缺生态产品服务的新技术、新途径。

在自然资源领域，实景三维技术可实现多阶段、多场景、多尺度的应用，针对不同使用阶段、使用场景、使用尺度，可根据需要实现数据提取、分析、分类以及不同情景下的应用。

本研究在场地尺度上，以太行一号国家风景道陵川段支线王莽岭至马武寨段为研究对象，利用倾斜摄影技术形成的具有高精度、高信息属性的数字正射影像图（DOM），精准获取地灾损毁区范围；利用数字高程模型（DEM）制作地灾损毁区数字地貌，对损毁区坡度、坡向、地势起伏有更直观地认识；而数字线化地图（DLG）集合空间信息和属性信息，是开展地灾治理和生态修复工程设计的底图，用于建设规划、工程施工、项目验收各个阶段。

1 研究区概况

1.1 区位情况

研究区位于太行山南端绝顶，为太行一号国家风景道陵川段支线，东起王莽岭西至马武寨，道路长度约25 km。此段位于王莽岭景区内，处于景区的核心位置边缘，道路以外山体植被景观优美，自然风光奇秀，项目起点高程1278.0 m，终点高程1296.0 m，相对高差18.0 m。区位情况如图1 所示。

图1 研究区区位图

线路走廊带内按岩层组合及地貌特征划分4 个地貌单元，分别为侵蚀、剥蚀基岩低中山区、河谷冲积窄谷区、黄土覆盖基岩低中山区和山间基岩窄谷区。

1.2 数据来源及用途

研究区所需基础资料获取渠道包括研究区资料收集、工程地质调查、测绘及室内试验等，取得研究区基本信息及野外勘查成果，目的是查明研究区土地利用、地形地貌、地层岩性、地质构造、地震、水文地质以及岩溶、滑坡、崩塌、砂土液化等不良物理地质现象［1］。具体如表1 所示。

表1 研究区数据来源及用途表

1.3 技术路线

充分利用倾斜摄影实景三维技术及其地理信息产品（DOM、DEM、DLG），高效精准确定研究区损毁点位，并在工程实施后，实现生态修复效果可视化，制定技术路线，如图2 所示。

图2 倾斜摄影技术应用技术路线图

2 研究区生态问题

2.1 倾斜摄影数据采集

以研究区2020 年遥感影像为基础，结合研究区地质灾害监测数据，初步判断研究区发生生态系统损伤的区域，以此确定无人机航飞区域。在此基础上确定设计航高，规划航飞线路、野外布设像控点，之后开展无人机倾斜摄影外业工作，获取航飞影像和像控点数据等外业成果。对影像成果进行加工预处理后，使用ContextCapture软件进行内业空中三角测量，刺点平差［2］，最后形成区域的实景三维模型。

在实景三维模型上仔细判读地物，准确绘出定位点或地物外轮廓线，过程中不遗漏，不变形移位，并赋予地物相应的要素代码，获得二维矢量数据。相比于传统摄影测量只能获取垂直俯视视角，倾斜摄影测量获取的多角度地物信息更加直观立体，纹理更加丰富，地物判读更加准确快速；而相较外业实地测量，省去了大量人力成本，同时避免了地质环境中的危险因素，作业效率更高。

无人机选用大疆精灵4RTK，搭载2000 万像素的相机，像元大小为2.41 μm，焦距为8.8 mm，云台可调节的角度为-90°～30°［3］，获取1 个垂直视角、4个倾斜视角共5 个视角航拍影像，可以满足倾斜摄影测量基本要求。根据研究地灾损毁分布点位及地形特色，共划分7 个航飞区域。航线规划设计选用DJI GS Pro 软件，无人机的航向重叠率和旁向重叠率均设置为80%，设计相对航高90 m［4］。

2.2 倾斜摄影数据处理

获取研究区的像控点及航拍影像等外业数据获取后，进行预处理调整影像亮度、对比度、饱和度，然后进行空中三角测量运算，刺加像控点进行平差处理，生产实景三维模型、数字表面模型（DSM）、数字正射影像图（DOM）等地理信息产品，其中实景三维模型地面分辨率为3 cm，正射影像图（DOM）地面分辨率为5 cm。

数据提取：根据研究区生态保护和修复这一特定需求，确定拟进行实景三维建设的范围、地理实体类型，在三维模型DOM 和DEM 基础上，提取相关地理要素信息（地形、河流水系、居民地、独立地物、道路交通、土质植被等），制作各类要素三维地理实体及二维平面数字线划图（DLG）。

2.3 损毁点位确定

通过对倾斜摄影形成地理信息产品（DEM、DOM、DLG）所提取的数据进行分析，得出太行一号国家风景道陵川段支线王莽岭至马武寨段沿线共有7 个点位（9 个创坡）山体损毁严重，是本次生态修复重点区域。创面总面积为1.41 hm2，涉及马武寨、诸神观村、东庙华村、榆树沟村4 个行政村，具体点位分布如图3 所示。

图3 研究区生态损毁点位分布图

2.4 生态问题梳理

对7 个点位进行现场踏勘及地质采样，梳理研究区存在的生态问题。研究区建设过程中均为露天施工，此过程不可避免会破坏下垫面植被、土壤，改变原始地形地貌，影响区域自然景观效果，造成严重的水土流失［5］。形成的生态问题主要包括以下3 个方面：

1）地质灾害加剧。2020 年7 月降雨量较往年明显增多，导致太行一号国家风景道陵川段支线王莽岭至马武寨段问题集中暴露：滑坡、崩塌等地灾隐患；水土流失、创面破损、岩层渗水等不同程度的生态问题。

2）地貌景观破坏。建设过程中由于表土剥离、废土石渣堆积、地下水疏干等问题，造成山体表土严重破坏，大片植被毁损，并产生一系列与边坡破坏活动密切相关的次生地质灾害［6］。

3）土地资源浪费。毁坏地面树木和草地等附着物，破坏土地资源。另外，边坡开采剥离的废土、废石排放，建筑碎石加工产生的废渣排放及碎石加工场地、成品料场、矿山工业场地等还占用了大量土地资源，使土地失去了原有功能，造成土地资源浪费。

针对以上生态问题，统筹考虑研究区内道路以外山体生态环境整体保护、道路边坡地质灾害防治系统修复、道路边坡生态环境综合治理。

3 生态修复方案

按照研究区不同点位生态问题情况，拟定有针对性的工程修复方案。制定的生态修复方案技术路线如图4 所示。

图4 生态修复方案技术路线图

3.1 拟定治理效果

1）消除地质灾害隐患：通过地灾治理，可治理9处边坡坍塌，投影面积约21.3 hm2，损毁创面边坡危岩、峭壁、乱石得到有效而科学的处置；合理设计排水系统，有效地解决降水侵蚀和排泄问题，保障了修复山体的安全。

2）恢复山体植被：对边坡及上边坡开展生态修复，建设种植槽约1963 m，栽植爬藤植物，改善坡面植被覆盖情况。种植的乔灌草形成立体植被结构，可以较全面地恢复道路沿线地区的森林-灌木-草本植被的生态功能。

3）改善生态环境质量：遵循“山水林田湖草生命共同体”理念，通过乔灌草立体种植等多要素多工法的技术集成，改善研究区范围生态环境面貌，消除岩石外露、植被稀疏退化现象，恢复研究区自然景观。

3.2 制定生态修复措施

3.2.1 地灾治理措施

根据7 个点位、9 个边坡的不同损毁情况，运用修整坡面、SNS 防护网、锚杆框架梁、浆砌块石护面墙、排水、拦水带等不同工程措施的有效组合，修复地灾损毁点位。

1）在1 号点位设置一、二两级边坡浆砌块石护面墙，一级边坡护面墙地面以上墙高12 m，二级边坡护面墙地面以上墙高10 m，在墙顶边坡出露位置种植绿植。

2）2 号点位选用修整坡面+锚杆框架梁+浆砌块石护面墙+排水+拦水带的治理方式。在2 号边坡底部灰岩处设置浆砌块石护面墙，地面以上墙高2.5 m；在护面墙高度处设置马道，马道处设置排水沟，防止坡面受到冲刷，对边坡坡面进行修整，使用锚杆框架梁进行护面，框架梁中预留存土位置，为后期的生态修复做准备；在边坡坡顶设置拦水带。

3）3 号点位左侧发生局部掉块，右侧下部岩体软弱，左侧选用挂主动防护网的支护方式，右侧选择素混凝土护面墙+主动防护网的支护方式，素混凝土护面墙离地面以上墙高6 m。

4）4 号点位有发生整体滑动可能，选择预应力锚索+主动防护网+素混凝土护面墙的支护方式。地面以上墙高5 m，墙背垂直，紧贴岩体；墙身设置排水管，保证水体排泄。

5）5-1 号点位有发生顺层滑动可能，选择素混凝土护面墙+预应力锚索+主动防护网+截水沟的支护方式。素混凝土护面墙地面以上墙高6 m，墙背垂直，紧贴岩体；墙身设置排水管，保证水体排泄；在坡顶设置截水沟，拦截坡体雨水。

5-2 号点位整体稳定性较高，选用锚杆框架梁+素混凝土护面墙+排水沟的治理方式。底部灰岩处设置浆砌块石护面墙地面以上墙高6 m，墙背垂直，紧贴岩体；在护面墙高度处设置马道，马道处设置排水沟，防止坡面受到冲刷；对边坡进行坡面修整，使用锚杆框架进行防护，框架梁中预留存土位置，为后期的生态修复做准备。

6）6 号点位目前顶部灰岩悬空，有发生坠落式崩塌可能，选择清除危岩+削坡+主动防护网+浆砌块石护面墙+截排水沟的支护方式。边坡底部泥页岩区设置三级边坡，在原有浆砌块石护面墙基础上新建2 级素混凝土护面墙，二级坡护面墙墙高5.5 m，三级坡护面墙墙高4 m，紧贴岩体，以防止暴雨冲刷导致岩体流失破坏；墙身设置排水管，保证水体排泄，在坡顶设置截水沟，防止雨水冲刷。

7）7-1 号点位整体稳定性良好，选用锚杆框架梁+素混凝土护面墙+排水沟的治理方式。底部白云岩处素混凝土护面墙地面以上墙高5 m，紧贴岩体；在护面墙高度处设置马道，马道处设置排水沟，防止坡面受到冲刷；对坡面进行修整，在二级边坡上和三级边坡处使用锚杆框架进行防护，框架梁中预留存土位置，为后期的生态修复做准备。

7-2 号点位顶部灰岩可能发生单平面滑动，选用锚杆框架梁+素混凝土护面墙+预应力锚索+主动防护网+截排水沟的治理方式。底部白云岩处设置素混凝土护面墙地面以上墙高5 m，紧贴岩体；在护面墙高度处设置马道，马道处设置排水沟，对坡面进行修整，在二级边坡处使用锚杆框架进行防护，框架梁中预留存土位置，为后期的生态修复做准备；在边坡中部设置马道，马道处设置排水沟，进行削坡，在三级边坡处设置预应力锚索+SNS 主动防护网，在坡顶设置截水沟，防止雨水冲刷。

3.2.2 生态恢复措施

对9 处重点点位治理区域采取种植槽换土栽植方式进行坡面绿化，在浆砌块石护面墙上下修筑种植槽，栽植爬山虎、迎春、扶芳藤、月季等植被；在主动防护网坡脚修筑种植槽，栽植爬山虎、迎春、扶芳藤、月季等植被，改善道路景观。

3.3 叠加三维模型

使用DP-Modeler 和3dsMax 软件联合整饰实景三维模型。使用DP-Modeler 对初始三维模型（倾斜摄影数据采集阶段形成）进行补洞、删除碎片等初步修饰处理，根据修复措施，划分不同整饰区域，在DP-Modeler 中采用不同整饰方法，主要有3 种：

1）修整坡面区域采用直接拉伸移动模型的方法；

2）植被绿化、安装防护网等区域采用纹理贴图替换方法；

3）整平需要进行工程建设的区域，预留出工程单体模型位置。

同时在3dsMax 软件中，根据工程设计图信息，进行三维建模、纹理映射，生成单体化工程模型。最后在DP-Modeler 中将修饰后的实景三维模型和工程单体模型融合，导出融合生态修复方案的最终模型。

3.4 挂接监测平台

实景三维模型与感知设备、数据处理、综合预警等技术耦合，直观展示监测预警系统的多项功能，包括项目信息展示、实时监测数据处理及展示、警告信息等。通过在线监测边坡体的地表位移、内部位移、地下水位、降雨量等信息，对边坡体进行长期、稳定、不间断监测，守护边坡安全。

4 结语

本文以太行一号国家风景道陵川段支线边坡生态修复为例，建立了研究区生态修复的实景三维模型，通过倾斜摄影测量获取的多角度地物信息，更加直观立体，纹理更加丰富，地物判读更加准确快速，且省去了大量人力成本，并避免了地质环境中的危险因素，实现高效作业。后期叠加工程设计效果，丰富了生态修复效果的表达形式。在后期管理阶段，嵌入监测数据，将安全预警情况以三维可视化形式进行展示，提高管理人员对监测预警判断的准确度。