小型無人機在西部水電工程地質災害調查中的應用試驗
——以官地水電站大橋溝泥石流為例

李 揚，馬行東,周 鵬,趙 明

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

小型無人機在西部水電工程地質災害調查中的應用試驗
——以官地水電站大橋溝泥石流為例

李 揚，馬行東,周 鵬,趙 明

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

在官地電站大橋溝泥石流溝口區(qū)域地質災害調查中，應用無人機進行初步調查試驗，可以獲取工程地質分析和地災評估需要的平面、剖面圖，可以利用成果進行地質三維模型的初步建立。根據(jù)航攝獲取資料及后期處理資料等可以進行地質災害的解譯分析，將解譯成果與實際調查進行對比，解譯結果與實地調查結果吻合程度較高，驗證了無人機在水電工程地質調查中的可行性和有效性。

無人機；地質災害；泥石流；水電工程

0 前 言

近年來，隨著無人機技術的發(fā)展，無人機的應用領域不斷拓展，已突破原來以軍事為主的用途，越來越多地應用于各行各業(yè)。如韓文權[1]等對地質災害監(jiān)測、應急救援和災情評估工作中無人機遙感可提供的應用進行了分析，介紹了無人機遙感在重慶市武隆縣雞尾山特大型滑坡救援中的應用。高嬌嬌[2]等用無人機遙感應用在西氣東輸管道地質中，闡述了應用無人機遙感進行地質災害調查的關鍵技術與方法，論證了航空影像進行地質災害調查的可行性。吳振宇[3]等通過無人機在地災調查中的應用特點、意義和關鍵技術，證明了無人機在地災災害調查中的可行性和優(yōu)越性。周文生[4]等應用無人機在礦山地質環(huán)境調查中，驗證了無人機遙感技術在礦山地質環(huán)境調查中的可行性與有效性，為礦山地質環(huán)境調查于監(jiān)管提供快速有效的技術。李定松[5]應用無人機在地質災害監(jiān)測中，研究了無人機技術發(fā)展歷程與特點，對無人機在地質災害監(jiān)測中的應用進行闡述。尹鵬飛[6]等應用無人機在震后災情調查中，完成了以四川省綿陽市安縣等為重點的次生地質災害調查和災情評估。張啟元[7]等應用無人機航測技術在青藏高原地質災害調查中，建立了一套適合高原特殊地理環(huán)境下的地質災害遙感調查、監(jiān)測技術流程，提高了地質災害遙感調查、監(jiān)測的工作效率，表明無人機在青藏高原地區(qū)地質災害遙感調查工作中具有明顯優(yōu)勢。肖波[8]等應用研究無人機低空攝影系統(tǒng)在泥石流地質災害應急中，介紹了無人機在地質災害應急調查與監(jiān)測中所發(fā)揮的重要作用。梁京濤[9]等利用無人機并結合野外調查，開展了汶川震區(qū)綿竹市走馬嶺泥石流的發(fā)展情況，并進行分析評價。

1 無人機在水電中的應用

我國西南地區(qū)水電能源蘊藏量豐富，但西南地區(qū)多屬高山峽谷地貌，地質條件復雜，地質災害多發(fā)。工程地質人員工作區(qū)域通常山高路險、交通不便，同時植被發(fā)育、通視條件差。尤其是雅魯藏布江下游河段、金沙江中上游河段、雅礱江中上游河段等未來水電開發(fā)的熱門地區(qū)相應問題將更加突出。無人機在水電行業(yè)中也逐步開始使用，但主要用于地形測繪、遙感、環(huán)水保、庫區(qū)巡視等用途。

雅魯藏布江下游河段、金沙江中上游河段、雅礱江中上游河段等地區(qū)，人跡罕至、地形條件極其復雜、自然環(huán)境極其惡劣，依靠人力開展重要地質現(xiàn)象調查極其困難，即便能開展調查的區(qū)域也通常難度巨大或存在安全隱患，地質調查工作存在諸多困難和制約因素。鑒于無人機具有快速機動、操作簡單、使用成本低、危險性小、能獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)等優(yōu)點，對于高山峽谷、植被發(fā)育地區(qū)、高寒地區(qū)等人力難以工作的地區(qū)適應性強，同時利用無人機加載的外部設備也可以獲取地質專業(yè)所需資料。這對無法展開現(xiàn)場地質工作或開展地質工作難度巨大的地區(qū)如何有效獲取地質資料具有十分重要的意義，以此解決人力無法開展地質調查的現(xiàn)狀，彌補完善地質資料，滿足工程需求。

2 無人機航攝系統(tǒng)基本特征

本次應用試驗時采用購買的大疆S1000無人機。

2.1 安全穩(wěn)定

大疆S1000無人機采用V型8旋翼設計，在提供充裕動力的同時做到了動力冗余，配合DJI飛控使用時,即使某一軸被意外停止工作也能最大幅度保證飛機處于穩(wěn)定狀態(tài)。機身板內部集成了含DJI專利同軸接頭的電源分布設計，高效、可靠、安裝方便，用戶不需要做任何焊接工作；主電源線選用AS150防火花插頭與XT150的組合。從中心板到機臂、起落架等多處均使用全碳纖維材料，系統(tǒng)在低自重的基礎上做到了最高的結構強度。

2.2 便攜、易用

所有機臂均可向下折疊、配合1552折疊槳，可使整機運輸體積最小化，方便運輸攜帶。用戶只需抬起機臂、鎖緊機臂卡扣、給系統(tǒng)上電，就使S1000進入了飛行就緒狀態(tài)，大大縮短每次飛行的準備時間。中心架在提供3組XT60供電插座的同時，還預留了8處設備安裝位，系統(tǒng)安裝變得更簡單整潔。

2.3 操控性

所有機臂采用8°內傾和3°側傾設計，可使飛行器在橫滾和俯仰方向更加平穩(wěn)、在旋轉方向更加靈活。力臂內置40A高速電調、使4114 pro電機在配合1552高效折疊槳工作在6S電源時，獲得單軸最大近2.5 kg的強勁推力輸出，充足的動力會讓用戶更加隨心所欲。

2.4 其 他

云臺安裝架下移設計，集合系統(tǒng)標配收放起落架，給鏡頭以更廣闊的拍攝視角。整機自重約4 kg，最大起飛重量約11 kg，可輕松搭載5D級別全套拍攝設備，在配合6S 15 000 mAh的電池時，可獲得長達15 min的續(xù)航時間，有效作業(yè)時間約12 min。

3 大橋溝泥石流基本地質條件

大橋溝位于雅礱江左岸，為雅礱江一級支流，溝口位于擬建官地水電站大壩下游約3.5 km處，溝口堆積扇扇緣長約400 m，扇軸長450 m左右。流域總體近南北向展布，南寬北窄，略呈矩形，南北長21 km，東西寬14.5 km，流域面積約170 km2，其中匯水面積147.889 km2，占流域面積的86.96%；主溝縱長為26.12 km，縱坡坡降為97.06‰。流域四面均為由近3 000 m及3 000 m以上中高山所形成的分水嶺，其中東側以北西向牦牛山為分水嶺，與安寧河流域相隔。南、北、西側為與雅礱江主流或其次級支流的分水嶺。源區(qū)最高海拔約3 720 m左右，溝口高程約1 200 m，高差約2 500 m。主溝兩側支溝眾多，呈明顯的“樹丫”狀結構。大橋溝流域內地層呈近SN～NNW向展布，從東至西出露地層主要有印支期斜長花崗巖及花崗閃長巖(r051)、三疊系上統(tǒng)白果灣群(T3bg)；上震旦系觀音崖組(Zbg)；上震旦系燈影組上段地層(Zbdn1)；松林杠群玄武巖組(SLG)；志留系下統(tǒng)龍馬溪組(S1l)；志留系中統(tǒng)石門坎組(S2S)；泥盆系中統(tǒng)(D1-3)及石炭系中統(tǒng)威寧組(C2w)等。大橋溝溝流域內植被總體茂盛，且以針葉闊葉混交林及高山灌木叢為特點，覆蓋率達90%。

4 無人機航攝成果

4.1 地質要素獲取

利用無人機和地面輔助測量手段，獲取相關照片影像和定位信息流。同時，以圖像處理技術、空中三角測量技術、攝影測量技術和圖像識別技術手段為依托，利用無人機影像后期處理軟件(如PIX-4Dmaper、Photoscan等)初步獲得全景地形地貌景象圖、三維地形等地形地貌和地質信息。

本次以官地電站大橋溝泥石流溝口泥石流為依托，應用無人機技術，開展大橋溝溝口泥石流的應用試驗，利用后處理軟件(Photoscan pro、GOCAD等)，利用官地大橋河溝泥石流進行三維立體空間真彩色模型進行地質邊界的獲取，生成生產(chǎn)需要的工程地質平面圖、工程地質剖面圖、三維地質可視圖和解譯分析。

4.2 航攝成果

根據(jù)無人機航攝，取得官地大橋溝泥石流航攝圖(見圖1)、利用官地大橋河溝泥石流航測照片生成工程地質地形(見圖2)、工程地質剖面(見圖3)、GOCAD三維模型(見圖4)。

4.3 航攝解譯成果分析

地質災害作為一種特殊的不良地質現(xiàn)象，無論是滑坡、崩塌、泥石流等災害個體，還是由它們組合形成的災害群體，在圖像上呈現(xiàn)的形態(tài)、色調、影紋結構等均與周圍背景存在一定的區(qū)別。地質災害解譯基于災害類型的地學原理及形態(tài)特征進行識別，需對地質災害有基本認識。泥石流判讀主要通過溝道內松散固體物質的辨識獲得；崩塌表現(xiàn)為陡直的后壁及下部的堆積物；滑坡多呈花斑色調特征較為明顯。識別地災類型后，在圖像上按照災害體各要素的形態(tài)特征圈出邊界。最后可獲得更加準確的災害體位置、邊界及面積等基礎資料，以指導地災防治工作。

圖1 官地大橋溝泥石流航攝圖 圖2 官地大橋溝泥石流工程地質平面

圖3 官地大橋溝泥石流工程地質剖面 圖4 GOCAD三維模型

(1)通過解譯，試驗區(qū)地質災害主要有泥石流、崩塌、斜坡變形破壞等類型;

(2)泥石流溝口有新沖出物，厚度不大，方量不大。兩側山體總體穩(wěn)定，植被覆蓋較好，渣場穩(wěn)定，渣場坡腳未見明顯淘刷，但溝壑仍見下切跡象。沖出物來源以物理類型居多，受風化卸荷影響，坡面發(fā)育有松散的崩坡積物，汛期易隨地表水沖出，坡腳和兩側山坡坡面都可明顯易見。另外物質來源主要為人類活動(修筑道路棄渣)所致;

(3)右岸發(fā)育的一崩坡積體，受前緣切腳影響，邊界有變形跡象，尤以上游側邊界變形較為明顯(見圖5)。初估該部位方量不大，物質組成以崩積的塊碎石為主。可以利用三維模型進行方量估算;

(4)根據(jù)大橋溝溝口泥石流發(fā)育情況推測溝內泥石流總體不活躍，若有效采取多種工程措施和生物措施，在流域內對山水林田統(tǒng)一規(guī)劃，綜合治理，將極大地減少泥石流的危害。

圖5 大橋溝右岸山坡崩塌落石及形成的堆石體

5 地災災害復核

大橋溝流域物理地質現(xiàn)象類型多，除正常風化卸荷外，崩塌、滑坡及泥石流均有分布，不過以崩塌為主，其中以大橋溝溝口～小河溝溝口交界處河段最為普遍，段內崩塌落石發(fā)育，再加之修筑公路后，進一步導致開挖路塹邊坡崩塌范圍擴大，目前尤其在大橋溝右岸山坡崩塌落石較普遍。調查區(qū)基巖內的地下水總體不發(fā)育，溝內水流主要靠大氣降水補給。大氣降水部分順坡面流入溝中，大部分滲入崩坡積物中形成孔隙水。斜坡坡面崩坡積中的孔隙水是保證沖溝常年流水的主要源泉。大橋溝內人類活動較頻繁，主要表現(xiàn)為修筑山區(qū)公路。

地質災害復核成果與無人機航攝解譯成果基本一致，驗證了無人機在水電工程地質調查中是可行和有效的，無人機可以開展地質災害調查等。

6 結 論

(1)試驗應用證明，無人機具有成像分辨率高、數(shù)據(jù)獲取靈活等優(yōu)點，無人機在水電工程地質調查方面亦有較大的發(fā)展空間；

(2)應用試驗解譯結果與實地調查結果較吻合，驗證了無人機在水電工程地質災害中的可行性與有效性；

(3)根據(jù)大橋溝溝口泥石流發(fā)育情況推測溝內泥石流總體不活躍；

(4)今后可以利用間期飛行成果，對泥石流溝口堆積情況進行對比分析，分析和評估泥石流發(fā)展趨勢。

[1] 韓文權，任幼蓉，趙少華. 無人機遙感在應對地質災害中的主要應用[J].地理空間技術,2011,9(5).

[2] 高嬌嬌，閆宇森，盛新蒲，等.無人機遙感在西氣東輸管道地質災害調查中的應用[J].水文地質工程地質,2010,37(6).

[3] 吳振宇，馬彥山.無人機遙感技術在地質災害調查中的應用[J].寧夏工程技術,2012,11(2).

[4] 周文生，吳振宇，劉海燕.無人機遙感在礦山地質環(huán)境調查中的應用[J].地下水,2014,36(2).

[5] 李定松.無人機在地質災害監(jiān)測中的應用[J].北京測繪,2015(4).

[6] 尹鵬飛，尹球，陳興峰，等. 無人機航空遙感技術在震后災情調查中的應用[J].激光與光電學進展,2010.

[7] 張啟元. 無人機航測技術在青藏高原地質災害調查中的應用[J].青海大學學報(自然科學版),2015,33(2).

[8] 肖波,朱蘭燕，黎劍,等.無人機低空攝影測量系統(tǒng)在地質災害應急中的應用研究[J].價值工程,2013.

[9] 梁京濤，王軍，宋云，馬曉波.汶川震區(qū)典型泥石流動態(tài)演變特征研究——以綿竹市走馬嶺泥石流為例[J].工程地質學報,2012,20(3).

2017-01-16

李揚(1971-)，男，吉林長嶺人，高級工程師，從事水電地質勘察工作。

P231;P642.2

B

1003-9805(2017)02-0059-04