無人機技術(shù)在水利工程高邊坡危巖調(diào)查中的應(yīng)用

程 琦

(塔城地區(qū)水利水電勘察設(shè)計院，新疆 塔城 834700)

1 無人機遙感技術(shù)

1.1 無人機遙感系統(tǒng)

無人機遙感系統(tǒng)是指以UAV為飛行平臺，以高分辨率數(shù)碼相機為主要載荷，飛行高度在幾千米以內(nèi)，能夠?qū)Φ孛孢B續(xù)攝影獲取影像數(shù)據(jù)的無人航空測量方式。無人機遙感系統(tǒng)可分為3個部分：空中部分、地面部分和數(shù)據(jù)后處理部分(圖1)。空中部分主要功能是將規(guī)劃航線上傳到飛行平臺的控制器上并對無人機的飛行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，包括無人機平臺、遙感傳感器系統(tǒng)和無人機控制系統(tǒng)。地面部分主要是進行航線規(guī)劃、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?，確保對飛行和航攝過程進行精確控制，包括航線規(guī)劃系統(tǒng)，無人機地面控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接收顯示系統(tǒng)。數(shù)據(jù)后處理部分作用是對獲得的原始影像數(shù)據(jù)進行處理，以此提取所需信息，包括影像數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)成果處理。

圖1 無人機遙感系統(tǒng)圖

通過在飛行器上搭載一臺或多臺高分辨率相機，無人機具有垂直攝影和傾斜攝影兩種功能，不僅能夠豎直拍攝獲取平面影像，還能獲取超低空多角度影像，可以真實地反映出地物的側(cè)面詳細輪廓及紋理信息，以達到三維實景模型構(gòu)建要求。無人機遙感系統(tǒng)具有機動性強、自動化程度高、超低空飛行的特點，是一個可多角度快速獲取高分辨率遙感影像的航攝平臺。

1.2 無人機攝影測量流程

無人機航拍攝影測量分為外業(yè)工作和內(nèi)業(yè)工作兩個部分，主要由影像數(shù)據(jù)獲取、影像數(shù)據(jù)處理和成果分析3個階段組成。其中，影像數(shù)據(jù)獲取屬于外業(yè)工作，包括前期資料收集、現(xiàn)場定點勘查、像控點布設(shè)、航線規(guī)劃和無人機航拍等；影像數(shù)據(jù)處理和成果分析屬于內(nèi)業(yè)工作，影像數(shù)據(jù)處理包括影像畸變校正、勻色勻光、結(jié)合像控點坐標進行空中三角計算獲得密集點云數(shù)據(jù)，生成數(shù)字正射模型(DSM)、數(shù)字高程模型(DEM)和三維實景模型等。成果分析主要為應(yīng)用三維模型對地質(zhì)災(zāi)害進行遙感解譯，通過獲取的災(zāi)害體地質(zhì)數(shù)據(jù)，建立地質(zhì)災(zāi)害空間屬性數(shù)據(jù)庫。無人機攝影測量流程如圖2所示。

圖2 無人機攝影測量流程圖

2 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀測量

危巖的變形破壞主要受結(jié)構(gòu)面控制。傳統(tǒng)的巖體結(jié)構(gòu)面信息獲取方式主要靠調(diào)查人員近距離接觸巖體進行測量，工作效率低，且對于山區(qū)水利工程高邊坡來說險惡的地形環(huán)境也帶來了極大的困難。而無人機攝影測量能夠獲得調(diào)查區(qū)的密集點云數(shù)據(jù)，在這些點云數(shù)據(jù)中，地質(zhì)體被抽象為數(shù)以千萬記的三維坐標點，其空間幾何特征信息賦存其中。巖體結(jié)構(gòu)面作為具有一定起伏度的“面”，在一定區(qū)域內(nèi)可以將其看作是一個平面。對于出露幾何形狀明顯的巖體結(jié)構(gòu)面，通過在三維點云數(shù)據(jù)模型中提取結(jié)構(gòu)面特征點，可以擬合出這個平面，而這個平面又對應(yīng)著明確且唯一的平面方程，利用計算轉(zhuǎn)換即可快速獲取巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀參數(shù)。

設(shè)結(jié)構(gòu)面擬合平面的方程如式(1)所示：

Z=AX+BY+C

(1)

通過選取平面上不共線的任意n(n≥3)個特征點，采用最小二乘算法進行解算，即可求得結(jié)構(gòu)面擬合平面方程如式(2)所示：

(2)

通過結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與平面方程參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系[5]，根據(jù)轉(zhuǎn)換公式，對傾向α與傾角β進行量化計算如式(3)～式(5)所示：

(3)

(4)

式中：

當A>0時，α=α0+π

3 工程實例

以西北某水電站出線場邊坡為例，該邊坡屬于典型的“V”型高山峽谷地貌，谷底狹窄，河流常水位高程約為1330 m，兩岸邊坡陡峭，形成了一系列陡壁，坡度可達50°～80°，邊坡高程在 3000 m 以上，地層巖性為三疊系鹽塘組(T2y4)灰綠色條帶狀云母大理巖。受河谷演化特征影響，邊坡淺表層巖體風(fēng)化強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育。在持續(xù)強降雨作用下，該邊坡上部曾發(fā)生過落石災(zāi)害，崩塌塊石越過下方被動網(wǎng)，砸入到坡腳處的出線場內(nèi)，造成了極大的安全風(fēng)險，需要對該區(qū)域危巖進行地質(zhì)調(diào)查，為水利工程防護提供依據(jù)。

本次飛行采用五鏡頭的大疆M600Pro多旋翼無人機對研究區(qū)域進行航拍工作，所采用的無人機和相機主要參數(shù)如表1所示。飛行區(qū)域面積約為0.53 km2。由于該邊坡區(qū)域山高坡陡，地形高差非常大，為了確保影像后期能夠順利進行三維模型構(gòu)建，按照航向85%和旁向80%進行重疊度布設(shè)。航跡圖如圖3所示。整個飛行任務(wù)共進行了2個架次，通過無人機航拍，共獲得約2800幅影像，其影像地面分辨率達0.05 m。

表1 無人機及相機主要參數(shù)

圖3 邊坡航跡圖

地質(zhì)災(zāi)害作為一種不良地質(zhì)現(xiàn)象，在遙感影像上會與周圍環(huán)境在形態(tài)、色調(diào)等方面呈現(xiàn)出明顯的差別[6]。因此，可對研究區(qū)內(nèi)危巖進行遙感解譯，查明其地質(zhì)特征。根據(jù)建立的出線場邊坡三維實景模型，分析可知，該危巖體所在高程約1930 m，坡度約36°，距離下方出線場高560 m。危巖體受外界環(huán)境影響失穩(wěn)破壞沿坡表滾落，原位置處顯露出白色巖層面，表面較平直光滑，與四周呈灰黑色的巖層表面形成明顯的對比。以出露的新鮮巖面為邊界，測量危巖體原始體積，計算求得體積為11.7 m3。根據(jù)出露巖層面分析，該危巖主要受陡傾坡內(nèi)的后緣結(jié)構(gòu)面和緩傾坡外的底部結(jié)構(gòu)面兩組近于正交的結(jié)構(gòu)面控制。危巖體失穩(wěn)演化過程為：在強降雨作用下，危巖體主控結(jié)構(gòu)面裂隙被大量雨水滲入，結(jié)構(gòu)面巖體軟化，巖體抗拉強度降低。同時，降雨入滲又導(dǎo)致裂隙內(nèi)形成靜水壓力，進一步加大了巖體拉應(yīng)力，巖體裂隙被逐漸拉裂擴大。最終當拉應(yīng)力超過巖體抗拉強度時，結(jié)構(gòu)面裂隙貫通，巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞，沿基底開始滑落滾動。而在落石運動過程中，由于與坡表發(fā)生多次碰撞，不斷有碎裂塊石從落石身上脫落，在圖上呈現(xiàn)出一條明顯的運動軌跡。落石繼續(xù)滾動至邊坡下方時，與被動網(wǎng)發(fā)生劇烈撞擊，由于落石動能較大，落石自身發(fā)生碎裂，被動網(wǎng)也被嚴重損壞，部分碎裂塊石落在被動網(wǎng)內(nèi)，也有部分落石借撞擊時產(chǎn)生的反彈力越過被動網(wǎng)，繼續(xù)向下運動，沿著陡壁自由墜落，最終砸入江邊的出線場內(nèi)，破碎成多塊。

根據(jù)研究區(qū)的三維點云模型，通過選取危巖體主控結(jié)構(gòu)面上的特征點，采用上述方法，對危巖體主控結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進行測量。

得到結(jié)構(gòu)面擬合平面方程如式(5)、式(6)所示：

J1：-0.02X+0.75Y+47.67=Z

(5)

J2：1.3X-3.31Y+75.96=Z

(6)

再根據(jù)轉(zhuǎn)化公式，計算得到危巖兩組主控結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分別為J1：271°∠37°，J2：111°∠74°，與后期復(fù)核調(diào)查現(xiàn)場實測結(jié)果對比，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀誤差<5°，能夠滿足地質(zhì)勘查要求。因此，可認為基于無人機攝影測量技術(shù)的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計算是可靠的。

4 結(jié) 論

(1)總結(jié)了無人機在水利工程高邊坡危巖調(diào)查中的技術(shù)流程，主要分為外業(yè)工作和內(nèi)業(yè)工作兩個部分，由影像數(shù)據(jù)獲取、影像數(shù)據(jù)處理和成果分析3個階段組成。驗證了無人機攝影測量技術(shù)應(yīng)用于高邊坡危巖調(diào)查中的可行性。

(2)通過對構(gòu)建的研究區(qū)三維實景模型進行遙感解譯，分析可知該落石點高程約1930 m，距離下方出線場高560 m，失穩(wěn)破壞的危巖原始體積為11.7 m3。危巖主要受陡傾坡內(nèi)的后緣結(jié)構(gòu)面和緩傾坡外的底部結(jié)構(gòu)面兩組近于正交的結(jié)構(gòu)面控制。

(3)基于研究區(qū)三維點云數(shù)據(jù)，通過提取結(jié)構(gòu)面上的特征點，利用最小二乘法進行計算，得到危巖兩組主控結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分別為：271°∠37°、111°∠74°。與現(xiàn)場復(fù)核結(jié)果相比，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀誤差<5°，該方法具有可靠性和高效性。