無(wú)人機(jī)實(shí)景建模技術(shù)在水利工程地質(zhì)測(cè)繪中的應(yīng)用

賀 濤

(湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

在傳統(tǒng)技術(shù)手段下，工程地質(zhì)測(cè)繪歷來(lái)是工程勘察中工作量最大的一項(xiàng)。樞紐工程是典型的點(diǎn)面狀工程，一般高程變化大，平面區(qū)域不大，采用無(wú)人機(jī)多高程作業(yè)能極大提高地質(zhì)工作效率。隨著三維地質(zhì)建模的普及，實(shí)景建模技術(shù)實(shí)用性的增強(qiáng)，工程地質(zhì)測(cè)繪也將迎來(lái)新的工作方式。

1 思路與方法

首先要了解傾斜攝影相關(guān)原理，對(duì)比市場(chǎng)中已存在的多種技術(shù)路線，掌握相關(guān)軟硬件操作；其次合理規(guī)劃航線，明確建模范圍，拍攝航空照片；之后通過實(shí)景建模軟件ContextCapture生成滿足規(guī)范精度要求的實(shí)景模型；最后在工程項(xiàng)目中，利用Descartes和GeoStation在實(shí)景模型基礎(chǔ)上提取的各類地質(zhì)要素，并在三維地質(zhì)模型中體現(xiàn)出來(lái)。

2 主要內(nèi)容

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

市場(chǎng)存在各種無(wú)人機(jī)，對(duì)于中小型水利樞紐區(qū)域，空中數(shù)據(jù)采集主要應(yīng)用消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)，地面采集可使用普通智能手機(jī)地面拍照收集素材。航線規(guī)劃軟件市場(chǎng)上很多，本次采用免費(fèi)開放的Altizure，基本能實(shí)現(xiàn)需要的基礎(chǔ)功能。對(duì)于精細(xì)建模區(qū)域，可以通過無(wú)人機(jī)自帶飛控進(jìn)行手動(dòng)近距離拍照的方式完成，自動(dòng)拍照時(shí)需保證足夠的覆疊率大于75%，飛行速度不宜過快。

2.2 實(shí)景模型生產(chǎn)

2.2.1 野外作業(yè)

建立標(biāo)準(zhǔn)的野外工作流程，保證流程的合理性。外業(yè)作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 外業(yè)作業(yè)流程圖

實(shí)際工作中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

(1)飛行作業(yè)必須保證2人以上，不能無(wú)故變更操作流程。通過相機(jī)像素等尺寸明確飛行高度，照片分辨率要達(dá)到5cm，一般飛行離地高度不宜大于100m，具體計(jì)算公式如下：

(1)

P=3×R

(2)

式中，Ls—感光件的長(zhǎng)邊，mm；D—相機(jī)到拍攝目標(biāo)的距離，m；f—照相機(jī)的焦距，mm；L—照片的最大尺寸像素(Px)；R—照片中每個(gè)像素在空間地面分辨率；P—三維網(wǎng)格頂點(diǎn)的空間位置精確度。

(2)明確實(shí)景建模精度、作業(yè)范圍。并在1∶10000的地形圖中確認(rèn)高程差，規(guī)劃好飛行高度，分區(qū)和分高度進(jìn)行作業(yè)，手控試飛確認(rèn)無(wú)重大危險(xiǎn)源后，在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不要隨意更改建模范圍及航線。在近景拍攝邊坡時(shí)需保證足夠飛行高度及對(duì)于距離要有足夠的預(yù)判。

(3)選用的地理坐標(biāo)系統(tǒng)與工程實(shí)際使用地理坐標(biāo)系需保持一致。合理布置像控點(diǎn)，布設(shè)宜采用矩形分布式排列，間距需滿足航測(cè)規(guī)范要求，高差大的區(qū)域需加密控制點(diǎn)。宜選擇較開闊的地點(diǎn)，保證3張以上的照片上可見。

2.2.2 內(nèi)業(yè)建模

依靠GS PRO可生成tif格式的低精度高清正攝影像。通過ContextCapture軟件生產(chǎn)高精度實(shí)景三維模型。由于提取地質(zhì)元素主要使用奔特力平臺(tái)下的相關(guān)軟件，因此主要生產(chǎn)的實(shí)景模型格式為3sm。流程圖如圖2所示。

圖2 內(nèi)業(yè)作業(yè)流程圖

在實(shí)際項(xiàng)目中，空三計(jì)算常常由于一次性導(dǎo)入照片過多，造成計(jì)算失敗，一定要掌握軟件的最大像素支持量。大范圍建議分區(qū)計(jì)算后合并再計(jì)算。獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)需輸入相應(yīng)七參數(shù)信息。單像素空間誤差小于0.05m，符合測(cè)繪1∶500精度要求?？杖?jì)算成功后將看到如圖3所示的照片連接點(diǎn)匹配空間結(jié)果。設(shè)置好需要的格式和各類輸出設(shè)置后生成實(shí)景模型，如圖4所示。

圖3 某水庫(kù)樞紐區(qū)空三計(jì)算結(jié)果

圖4 某水庫(kù)下壩址實(shí)景模型

2.3 地質(zhì)要素提取

首先通過實(shí)景模型提取出地表數(shù)字模型，其次提取主要地質(zhì)要素，在實(shí)景模型中將地表出露的巖層產(chǎn)狀，斷層露頭，地層分界等。通過Descartes提取面與線等要素。之后通過GeoStation軟件定義屬性，參與三維地質(zhì)建模。最后將地面調(diào)查數(shù)據(jù)與實(shí)景模型一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)勘測(cè)數(shù)據(jù)地表地下統(tǒng)一，調(diào)用在三維地質(zhì)模型中的各類地質(zhì)要素得到工程地質(zhì)平面圖。通過GeoStation軟件完成相關(guān)的線型轉(zhuǎn)換，獲得斷面信息。應(yīng)用流程如圖5所示。

圖5 地質(zhì)測(cè)繪中實(shí)景模型應(yīng)用流程

在實(shí)際BIM應(yīng)用中可將實(shí)景模型和地質(zhì)三維模型疊加，作為BIM成果交付及提交給下個(gè)專業(yè)使用，使地質(zhì)資料的可傳遞性大大加強(qiáng)，為設(shè)計(jì)工作帶來(lái)更加大的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

迅速發(fā)展的無(wú)人機(jī)技術(shù)，將極大的改變傳統(tǒng)測(cè)繪方式。采集數(shù)據(jù)效率高，實(shí)景模型所帶三維信息豐富，大大提高了地質(zhì)測(cè)繪的安全性和準(zhǔn)確性。以往的工作更加偏重于常規(guī)的圖紙中標(biāo)識(shí)，而現(xiàn)在三維模型內(nèi)地質(zhì)信息的解譯和追索將更加直觀。

實(shí)景模型也存在應(yīng)用難度大，軟件硬件要求高，對(duì)于植被茂盛區(qū)高程精度不夠等問題。但是隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)規(guī)范出臺(tái)，實(shí)際工作的應(yīng)用面將更加廣。