無人機攝影測量在庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害安全檢查中的應(yīng)用

吳　楠，韓　東

（1.國電大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司，四川石棉，625409；2.成都三足烏無人機科技有限公司，成都 610042）

無人機攝影測量在庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害安全檢查中的應(yīng)用

吳楠1，韓東2

（1.國電大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司，四川石棉，625409；2.成都三足烏無人機科技有限公司，成都 610042）

本文以無人機攝影測量在大崗山水電站庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點安全檢查中的應(yīng)用為例，對無人機數(shù)據(jù)采集、以無人機為載體的垂直攝影和傾斜攝影兩者間的綜合利用進行分析研究。實例表明，綜合利用垂直攝影和傾斜攝影進行水電站管理和地質(zhì)災(zāi)害點分析及治理具有良好的可行性。

無人機；攝影；地質(zhì)災(zāi)害；大崗

隨著攝影測量學的快速發(fā)展，以無人機為載體的垂直攝影和傾斜攝影技術(shù)成果都已經(jīng)成為測繪信息數(shù)字的主產(chǎn)品，分別被廣泛應(yīng)用于土地規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)、國情監(jiān)測、數(shù)字化城市建設(shè)、水利水電工程等領(lǐng)域。本文以大崗山水電站庫區(qū)6個重點地質(zhì)災(zāi)害點為例，應(yīng)用無人機采集數(shù)據(jù)，綜合利用垂直攝影和傾斜攝影方法及利用后期成果用于地質(zhì)災(zāi)害點的分析、決策和模擬，通過實踐表明了該方法的可行性和實用性。

圖2　DOM生產(chǎn)的技術(shù)流程

圖1　像控點測量工作流程圖

1 工作范圍及內(nèi)容

本次攝區(qū)為大崗山水電站庫區(qū)約110km2。通過多種無人機飛行平臺搭載相關(guān)采集設(shè)備，獲取分辨率優(yōu)于0.15m的影像共2 706張。生產(chǎn)1∶2 000標準分幅正攝影像126幅，高程模型126幅，為構(gòu)建大崗山庫區(qū)三維大場景提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

根據(jù)空三加密精度要求，對整個庫區(qū)進行野外像控點測量。像片控制點測量工作流程如圖1。

2 垂直攝影基于Inpho與EPT軟件的DOM生產(chǎn)流程

Inpho航測系統(tǒng)和EPT（易拼圖）均是處理航空影像的專業(yè)軟件。利用Inpho的MATCH-AT（自動空三）模塊完成空三加密處理工作，并采用MATCH-T（全自動DTM/DSM提?。┠K自動獲得測區(qū)的DTM。技術(shù)流程見圖2。

3 傾斜攝影基于Smart3D軟件的三維建模生產(chǎn)流程

Smart3DCapture基于影像和圖形運算單元GPU的快速三維場景運算軟件，在Smart3DCapture Master軟件中，導入各種采集的數(shù)據(jù)基于圖形運算單元GPU和影像的全自動三維技術(shù)，可運算生成基于真實的超高密度點云，生成具有高分辨率的實景真三維模型。

三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)按其工作內(nèi)容劃分為準備工作、自動建模、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)應(yīng)用的工作內(nèi)容（圖3）。

1）航飛數(shù)據(jù)預處理：對傾斜攝影采集的航片進行影像勻光勻色、畸變差改正、攝點坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和整理。

2）自動建模：Smart3DCapture基于高性能攝影測量、計算機視覺與計算幾何算法進行自動建模。

3）數(shù)據(jù)檢查：檢查模型360°的細節(jié)和精度，最終輸出OSGB格式的模型數(shù)據(jù)。

4）數(shù)據(jù)應(yīng)用：搭載數(shù)據(jù)平臺進行基數(shù)數(shù)據(jù)的量測，計算長度、面積、庫容量、挖方量。

5）數(shù)據(jù)對比：在庫區(qū)的地災(zāi)點進行汛前和汛后兩次傾斜攝影，通過兩次數(shù)據(jù)的成果對比獲取各災(zāi)害點地表的變化。

圖3　三維建模工作流程圖

4 攝影測量成果后期開發(fā)和應(yīng)用

4.1計算原理

4.1.1填挖方計算

為了提高填挖方量的精度，基于DEM 數(shù)據(jù)來模擬地形起伏，再在此基礎(chǔ)上估算填挖方量。設(shè)填挖前的為原始地表DEM，填挖后的為設(shè)計地表DEM，則只需要計算兩個DEM之差，即可得到所在區(qū)域的填挖方量。DEM數(shù)據(jù)是以離散方式組織在一起，用函數(shù)表示如下：

Zi=f（xi，yi），i=1，2，3…n

其中xi，yi為平面坐標，Zi為對應(yīng)的高程。

設(shè)原始地表DEM為A，設(shè)計地表DEM為B，在相同的坐標原點和格網(wǎng)分辨率的條件下，將同一區(qū)域的A和B進行疊加，可得到新的DEM，設(shè)為△DEM，則有△DEM=A—B，其分量表示式為：

△Zi=fA（xi，yi）- fB（xi，yi）

式中fA（xi，yi）為原始地表DEM的格網(wǎng)點高程；fB（xi，yi）為設(shè)計地表DEM的格網(wǎng)點高程。

對任一格網(wǎng)i，若△Zi>0，則該格網(wǎng)為挖方，若△Zi<0，則該格網(wǎng)為填方。當柵格很小時，f（xi，yi）連續(xù)，對于同一個小區(qū)域來說，f（xi，yi）變化很小，這時可以將分割曲面近似看做平頂體，設(shè)格網(wǎng)面積為si=dx·dy，則該格網(wǎng)處的土方量為：

Vi=△Zisi

假定場地柵格數(shù)為n，如果柵格沒有被分割，si=W·W，W為DEM分辨率或柵格大小。于是填挖方量便是這n個平頂體的體積之和。

4.1.2水庫庫容量計算

壩前水位線以下或兩特征水位線之間的水庫容積，常稱為靜態(tài)庫容。在水庫運用中，受水庫尾水影響，庫區(qū)水面線呈拋物線形狀，這時實際水面線以下、庫尾和壩址之間的水庫容積，稱為動態(tài)庫容。

基于空間信息技術(shù)，采集并建立水庫地形高精度數(shù)字高程模型（DEM），精確地模擬水庫河道地形，可以快速而準確地計算水庫靜庫容。該設(shè)計采用基于水庫地形DEM數(shù)據(jù)的格網(wǎng)法進行靜庫容計算，其計算原理是：把DEM數(shù)據(jù)每個柵格點中心點的高程值作為該柵格的高程值，求得每個柵格與指定水庫水位之間圍成的棱柱體體積后進行累加，即為該水位下水庫的靜庫容值。計算公式為：

式中：V靜（H）為指定水位的靜庫容（m3）；n為高程值小于H的DEM格網(wǎng)的個數(shù)；H為水庫水位的高程值（m）；hi為高程小于指定水位的格網(wǎng)高程值；s∝為單個DEM格網(wǎng)的面積值，DEM分辨率為1m時，s∝=1×1（m2）。

動庫容主要受地形和水庫流量影響。地形開闊、河道比較小的水庫，動庫容相對較??；入庫流量愈大，水庫末端回水水面上翹愈高，動庫容愈大?？紤]系數(shù)修正方法計算水庫動庫容。計算公式為：

式中：V動（H）為指定水位的動庫容（m3）；k為尾水修正系數(shù)，其他同上。

4.2流程設(shè)計

4.2.1填挖方量

利用DEM模型對項目區(qū)域進行填挖方計算，即根據(jù)區(qū)域邊界，高程點展點圖和設(shè)計高程，運行填挖方量計算程序，計算出指定范圍內(nèi)的填挖方的土方量。主要步驟如下：

①基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準備：利用高程數(shù)據(jù)建立項目區(qū)的數(shù)字高程模型DEM，包括原始DEM和規(guī)劃DEM；

②區(qū)域劃定：選擇填挖方區(qū)域；

③坐標轉(zhuǎn)換：判斷裁剪區(qū)域與DEM投影信息是否一致，如果不一致，進行坐標轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一投影信息；

④區(qū)域裁剪：裁剪原始DEM和規(guī)劃DEM；

⑤填挖方計算：疊加分析裁剪后的原始DEM和規(guī)劃DEM，計算填挖方量。

4.2.2水庫庫容量

為了實現(xiàn)水庫庫容的計算，需要預先設(shè)置水庫最低水位、最高水位和水位間隔值。大型水庫高精度的DEM數(shù)據(jù)量很大，需要分塊存儲，可以采用組件Supermap提供的接口訪問DEM數(shù)據(jù)的高程值，運用種子填充算法進行遍歷。具體實現(xiàn)流程如下圖。

圖4　庫容計算實現(xiàn)流程圖

5 地質(zhì)災(zāi)害判讀和應(yīng)用

西南地區(qū)是我國水力資源豐富的地區(qū)，許多水電項目處于原始森林，高寒地區(qū)，常年植被茂盛，冰雪覆蓋，交通不便，給選點、設(shè)計的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查帶來了較大的困難。無人機地表數(shù)據(jù)采集應(yīng)用于工程地表地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害排查等工作后，有效彌補了傳統(tǒng)勘測設(shè)計手段難以實施的缺陷，尤其在陡峻地形條件，人員難以到達的地區(qū)，為勘測設(shè)計工作提供了翔實的第一手資料。根據(jù)無人機采集資料可進行地層劃分、地質(zhì)構(gòu)造判識和滑坡、泥石流等環(huán)境地質(zhì)條件的高精度調(diào)查，對工程場址區(qū)的地質(zhì)宏觀穩(wěn)定性判別等。大崗山水電站水庫區(qū)采用無人機地表采集獲取了的正射影像（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）。經(jīng)過像控點測量后，獲取的地質(zhì)災(zāi)害點（滑坡、變形體、泥石流等）地表信息與已有的水庫區(qū)地形圖、工程地質(zhì)圖吻合使用，而數(shù)字高程模型（DEM）是大比例的影像成果，更適合細部的滑坡、變形體等地質(zhì)災(zāi)害點的判讀。

5.1 正射影像（DOM）

正射影像能直觀、準確地獲取地質(zhì)災(zāi)害點（滑坡、變形體、泥石流等）地理信息；對大崗山水庫區(qū)大渡河發(fā)育特點、兩岸支流、支溝（尤其是泥石流溝）的分布位置，通過獲取的數(shù)據(jù)計算出支流、支溝長度、流域面積、比降等信息（影像范圍內(nèi)）；滑坡、變形體和泥石流災(zāi)害點的分布位置、距壩距離。根據(jù)影像顯示的溝口堆積物特征確定不同期次泥石流的堆積和影響范圍，并估算出泥石流的堆積體積。根據(jù)正射影像直觀反映滑坡、變形體和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害點與天然河水位、庫水位的空間關(guān)系。大崗山水庫的正射影像反映，32.7km長水庫支流主要分布在大渡河右岸，較大的支流有近壩庫段的田灣河和庫尾的磨西河，左岸主要為支溝。田灣河少有泥石流堆積，而磨西河河口有大片泥石流堆積分布，從堆積體上建筑物判定，磨西河河口泥石流堆積時間較早。左岸支溝口泥石流堆積較為豐富。從泥石流堆積與庫水位的空間關(guān)系看，多數(shù)泥石流堆積均淹于庫水之下。

5.2 數(shù)字高程模型（DEM）和傾斜攝影模型

在正射影像下確定地質(zhì)災(zāi)害點的地理位置的基礎(chǔ)上，在數(shù)字高程模型和三維精細模型中從不同高程、不同角度觀察滑坡、變形體等地質(zhì)災(zāi)害點的全貌和細部特征，并根據(jù)地形的細微變化對其穩(wěn)定性進行初步的定性評價。首先從整體上觀察滑坡、變形體的全貌。數(shù)字高程模型（DEM）清晰顯示滑坡、變形體的前、后緣及周邊地貌特征，同時可以確定滑坡、變形體的主滑方向和分布面積。以爛田壩滑坡為例，滑坡上游以沖溝為界，后緣及下游側(cè)滑坡特有的“圈椅狀”地形特征完整，滑坡前緣堆積于大渡河堆積這上，測得滑坡分布面積約70萬m2，主滑方向為S70°W。

在滑坡、變形體細部特征方面可以確定其前后緣高程、整體和各高程段的地形坡度，各類滑坡微地貌的大小、隆起或下凹高度等。以得妥滑坡為例，從數(shù)字高程模型（DEM）上確定滑坡堆積于大渡河階地堆積之上，前緣高程1 130m，后緣高程1260m，滑坡圈椅狀地形明顯，滑坡堆積坡度10°~15°，緩坡前部為滑坡鼓丘，后部及周邊為負地形及凹槽，鼓丘凹槽最大高差約12m，負地形面積約1 000 m2?；潞蟊谄露?5°～40°，坡高200m余。滑坡體上分布有居民和零星旱地。S211省道復建公路位于大渡河階堆積與滑坡陡坎前緣及中部，長度約500m，水庫蓄水淹沒下部階地堆積陡坎，尤其在水位消落時，易產(chǎn)生岸坡塌岸，影響公路的正常運行。

此外，正射影像（DOM）還可用于水庫區(qū)復建項目的規(guī)劃設(shè)計，影像直觀反映規(guī)劃設(shè)計線路的合理性，如復建公路、橋梁和集鎮(zhèn)場址。而數(shù)字高程模型（DEM）能運用于復建項目設(shè)計線路的細部規(guī)劃設(shè)計，相對而言，在數(shù)字高程模型（DEM）和三維精細模型中規(guī)劃設(shè)計更直觀、立體。

The Application of Unmanned Aerial Vehicle Photogrammetric Technique to Geohazard Monitoring

WU Nan1HAN Dong2

(1-Daduhe Dagangshan hydropower development Co.，Ltd.，GD., Shimian Sichuan 625409; 2-Chengdu

Three-Legged Bird Unmanned Aerial Vehicle Technology Co., Ltd, Chengdu 610042)

This paper deals with comprehensive utilization of vertical photography and oblique photography of unmanned aerial vehicle photogrammetric technique in geohazard monitoring by the example of the application of unmanned aerial vehicle photogrammetric technique to geohazard monitoring at the Dagangshan Hydropower Station.

unmanned aerial vehicle; photography; geohazard; Dagangshan Hydropower Station

圖5　爛田壩滑坡全貌

圖6　得妥滑坡后部凹地特寫

P231

A

1006-0995（2016）02-0316-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2016.02.032

2016-05-04