無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在雙江口水電站地質(zhì)隱患分析中的應(yīng)用

王 萬(wàn) 千, 吳 先 俊， 郭 成

(1.國(guó)能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.四川大渡河雙江口水電開發(fā)有限公司，四川 馬爾康 624099)

1 概 述

雙江口水電站作為大渡河干流規(guī)劃中的第5級(jí)水電站，位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康市的金川縣，大渡河上源河流足木足河與綽斯甲河匯口處以下約2 km河段，是大渡河流域水電梯級(jí)開發(fā)的上游控制性水庫(kù)工程。電站裝機(jī)容量200萬(wàn)kW，土心墻堆石壩最大壩高312 m，居當(dāng)前世界高壩第一位[1]，壩址控制流域面積約39 330 km2，占全流域面積的51%左右，多年平均流量524 m3/s。

水電工程作為一項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施，帶來(lái)的巨大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)推動(dòng)社會(huì)快速發(fā)展具有不可替代的作用，而工程問題的出現(xiàn)則是影響人民生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重大問題。除了施工中可能發(fā)生的事故危害之外，地質(zhì)問題所帶來(lái)的危害同樣會(huì)對(duì)水電工程的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生重大的影響。在工程建設(shè)的各個(gè)重要階段中，正確地對(duì)地質(zhì)隱患進(jìn)行勘測(cè)和分析，具有非常重要的意義。雙江口水電站作為一等大(I)型工程，對(duì)地質(zhì)條件及地質(zhì)災(zāi)害隱患處理要求極高。同時(shí)工程區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，傳統(tǒng)的地面地質(zhì)調(diào)查方法在解決相關(guān)復(fù)雜的工程與地質(zhì)問題時(shí)，存在精度與效率等方面的不足，因此，遠(yuǎn)程勘測(cè)調(diào)查就顯得非常必要。

近些年，國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)發(fā)展迅猛，為傳統(tǒng)的測(cè)量手段提供了有力的支持和補(bǔ)充。無(wú)人機(jī)擁有低成本、機(jī)動(dòng)靈活、采集精度高、拍攝范圍大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速高效地獲取高精度低空影像，使成果更具有現(xiàn)勢(shì)性[2,3]。在大型水電工程所處的高山峽谷地區(qū)，氣象條件復(fù)雜、多云多霧，無(wú)人機(jī)可以進(jìn)行云下飛行拍攝，從而最大可能地保證影像獲取工作高效、準(zhǔn)確地完成。

筆者以四川大渡河雙江口水電站地質(zhì)隱患分析應(yīng)用為例，運(yùn)用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)，完成航空影像拍攝及相關(guān)成果制作，并基于航攝成果進(jìn)行地質(zhì)隱患解譯，通過與實(shí)地查勘成果進(jìn)行對(duì)比分析，證明該方法在水電工程地質(zhì)隱患分析方面具有很強(qiáng)的可行性和實(shí)用性。

2 地質(zhì)隱患分析方案

基于無(wú)人機(jī)低空數(shù)字航攝技術(shù)，并采用POS輔助航攝，采集雙江口水電站施工區(qū)及庫(kù)區(qū)高清影像，同時(shí)開展基礎(chǔ)控制測(cè)量，制作完成DEM及DOM、三維實(shí)景模型等成果。利用GIS空間分析技術(shù)，計(jì)算坡度、坡向等專題信息，并開展地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯，對(duì)庫(kù)區(qū)和施工區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)進(jìn)行定性分析和定量分析，同時(shí)對(duì)解譯成果進(jìn)行實(shí)地核查驗(yàn)證，并完成相應(yīng)的圖集制作，技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

3 無(wú)人機(jī)航空攝影

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

(1)像控點(diǎn)測(cè)量。在雙江口水電站已有控制測(cè)量成果基礎(chǔ)上，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量(RTK)的方法進(jìn)行像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)。外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量時(shí)，采用數(shù)碼像機(jī)拍攝反映像控點(diǎn)點(diǎn)位和儀器架設(shè)情形的照片，以及反映點(diǎn)位附近地形地物的照片，制作相應(yīng)的點(diǎn)之記文件，便于后期像控點(diǎn)判讀。

(2)航空影像采集。根據(jù)雙江口水電站施工布置及庫(kù)區(qū)范圍劃定航攝區(qū)域，范圍見圖2。航攝區(qū)整體最低點(diǎn)約2 300 m，最高點(diǎn)達(dá)3 900 m，測(cè)區(qū)附近山峰最高達(dá)4 200 m，大部分地區(qū)高差超過1 000 m。因此起降場(chǎng)地的選取較困難，航線的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，飛行條件極為苛刻，故而難以保證影像數(shù)據(jù)質(zhì)量[4]。

為滿足地質(zhì)災(zāi)害解譯基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的精度需求，針對(duì)雙江口測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，采用多臺(tái)無(wú)人機(jī)聯(lián)合作業(yè)，考慮到不同無(wú)人機(jī)平臺(tái)的參數(shù)差異，航線設(shè)計(jì)要求更為精細(xì)，而針對(duì)一些困難區(qū)域則需要采用自動(dòng)飛行與人工操控相結(jié)合的采集方式，最終獲取到雙江口水電站施工區(qū)及庫(kù)區(qū)10 cm分辨率傾斜影像，部分重點(diǎn)區(qū)域5 cm分辨率傾斜影像。

圖2 雙江口水電站航攝范圍

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

(1)空中三角測(cè)量。利用正射航空影像與像控點(diǎn)，在全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站上進(jìn)行數(shù)字空中三角測(cè)量，經(jīng)過相對(duì)定向、絕對(duì)定向和區(qū)域網(wǎng)平差，獲得加密點(diǎn)及檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)和像片的外方位元素。

(2)DEM制作。采用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站，導(dǎo)入空中三角測(cè)量加密成果，編輯生成數(shù)字高程模型。按照糾正航空影像投影差和傾斜誤差的需要，采集制作滿足相應(yīng)精度的數(shù)字高程模型。

(3)DOM制作。利用已有的數(shù)字高程模型對(duì)獲取到的航空影像資料進(jìn)行數(shù)字微分糾正，再對(duì)生成的單片影像進(jìn)行勻光、鑲嵌、裁切，得到完整的正射影像成果。

(4)三維實(shí)景模型生成。利用傾斜航空影像與控制點(diǎn)，在專業(yè)的傾斜攝影建模軟件上，經(jīng)過多視角影像的幾何校正、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、傾斜影像匹配等處理流程，運(yùn)算得到基于影像的超高密度點(diǎn)云，點(diǎn)云構(gòu)成TIN模型，以此生成基于影像紋理的高分辨率傾斜影像三維實(shí)景模型[5]。

4 坡度圖坡向圖制作

坡度、坡向信息是地質(zhì)隱患分析的重要地形因子，是評(píng)價(jià)地形的重要物理指標(biāo)，其對(duì)于地表的物質(zhì)流和能量的再分配起著重要作用，是分析水文的重要因素?；贕IS空間分析技術(shù)，從無(wú)人機(jī)航攝三維成果中提取坡度、坡向信息并制作專題圖，可輔助建立三維地質(zhì)災(zāi)害解譯標(biāo)志。

4.1 坡度圖制作

坡度是指過地表任一點(diǎn)的切平面與水平面的夾角，描述地表面在該處的傾斜程度，不僅對(duì)斜坡內(nèi)部的應(yīng)力大小及分布狀態(tài)產(chǎn)生影響，還對(duì)斜坡外部的松散物質(zhì)的堆積和保持坡體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定發(fā)揮作用[6]。坡度的大小形態(tài)是影響泥石流災(zāi)害發(fā)生的因子之一，隨著坡度的由小到大的變化，導(dǎo)致重力在內(nèi)的剪切力增大，從而轉(zhuǎn)換為較大的勢(shì)能推動(dòng)斜坡外部的松散堆積物發(fā)生變化，進(jìn)而破壞坡體的穩(wěn)定性,因此也大幅度提高了滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性。

筆者采用局部窗口法，利用無(wú)人機(jī)航攝成果DEM，在局部范圍(3×3窗口)內(nèi)，通過數(shù)值微分法進(jìn)行坡度的計(jì)算。坡度指的是表面從中心像元開始在水平 (dz/dx) 方向和垂直 (dz/dy) 方向上的變化率(增量)[7]。其計(jì)算方法如下。

slopedegrees=

(1)

根據(jù)計(jì)算的坡度值大小將其分為0°～15°、15°～30°、30°～45°、45°～60°和60°～90°共5類，制作庫(kù)區(qū)坡度因素狀態(tài)分級(jí)見圖3。

圖3 庫(kù)區(qū)坡度因素狀態(tài)分級(jí)圖

4.2 坡向圖制作

坡向指地表任一點(diǎn)切平面的法線在水平面的投影與過該點(diǎn)的正北方向的夾角。坡向可簡(jiǎn)單地分為陽(yáng)坡和陰坡，不同的坡向會(huì)因?yàn)楣庹諒?qiáng)弱的不同導(dǎo)致植物長(zhǎng)勢(shì)不一，進(jìn)而影響地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率。根據(jù)已有調(diào)查和研究資料顯示，坡向?qū)ζ麦w的滑坡發(fā)育狀況有一定的影響，其主要體現(xiàn)在內(nèi)外應(yīng)力對(duì)坡體的作用，即區(qū)域構(gòu)造控制了水熱條件，使自然地理諸要素有規(guī)律性分異，從而控制滑坡的發(fā)育方向[8]。

利用無(wú)人機(jī)航攝成果DEM，在局部范圍(3×3窗口)內(nèi)進(jìn)行坡向的計(jì)算。坡向計(jì)算方法如下。

(2)

式中p是x方向高程變化率；q是y方向高程變化率。根據(jù)坡向方位角差異可將坡向分等級(jí):東、南、西、北、東北、東南、西北、西南及平面(無(wú)坡向)9個(gè)坡向，制作庫(kù)區(qū)坡向因素狀態(tài)分級(jí)見圖4。

圖4 庫(kù)區(qū)坡向因素狀態(tài)分級(jí)圖

5 地質(zhì)隱患解譯

5.1 解譯標(biāo)志建立

地質(zhì)災(zāi)害是指因?yàn)楸浪⒒?、泥石流、地裂縫、水土流失等自然或人為因素作用下導(dǎo)致的地質(zhì)活動(dòng)及環(huán)境的異常變化引起的地質(zhì)現(xiàn)象[9]。筆者主要通過調(diào)查滑坡及泥石流的地質(zhì)特征、穩(wěn)定狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性評(píng)估，從而對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的有效防治提供參考。

(1)滑坡隱患解譯標(biāo)志?；率怯捎谒⒅亓腿藶榈纫蛩厥剐逼律贤馏w和巖體失去平衡而發(fā)生的不良地質(zhì)現(xiàn)象,具有明顯的地貌特征，可通過三維實(shí)景建模技術(shù)有效識(shí)別其地形地貌、活動(dòng)構(gòu)造、滑坡壁、滑坡臺(tái)階、坡度及剖面形態(tài)。在三維實(shí)景模型上，滑坡較背景環(huán)境具有便于識(shí)別的形態(tài)、色調(diào)及紋理特征，其結(jié)構(gòu)松散，呈相對(duì)淺色調(diào)。坡頂上部多呈環(huán)狀坡形，紋理細(xì)膩，地形陡峭；坡面中部地形平緩，幾乎無(wú)植被覆蓋[10]；坡面下部紋理粗糙，地勢(shì)陡峭，且絕大多數(shù)情況沒有設(shè)置擋護(hù)設(shè)備。參考現(xiàn)有地質(zhì)相關(guān)資料表明，易產(chǎn)生滑坡的地形通常具有固體物的堆放坡度大于10°，小于45°，并且部分地段下墊地層的產(chǎn)狀有向下方傾斜的特點(diǎn)，當(dāng)遇到強(qiáng)降雨、地震等情況時(shí)發(fā)生滑坡可能性較大[11]，見圖5。

圖5 滑坡隱患區(qū)

(2)泥石流隱患解譯標(biāo)志。泥石流大多形成于斜坡上或溝谷中等地形險(xiǎn)峻的地區(qū)，由于強(qiáng)降雨降雪等自然災(zāi)害造成了的山體滑坡形成含有大量泥沙以及石塊的固液相特殊流體。通過無(wú)人機(jī)航空影像反映的地貌特點(diǎn)，通常能大致區(qū)分出泥石流溝的形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)。但誘發(fā)泥石流溝形成的因素很復(fù)雜，不僅要滿足固體物源、地形和水源條件，人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)也會(huì)造成泥石流的發(fā)生。因此調(diào)查清楚泥石流發(fā)育的成因能更有效地輔助識(shí)別泥石流[12]。根據(jù)已有影像及研究資料得知，泥石流初始啟動(dòng)段溝谷坡度一般大于25°，有利于泥石流形成和傾瀉，溝底坡度則較為平緩，一般在10°以上，利于被攜帶的泥沙、石塊等固體的堆積，表現(xiàn)為泥石流扇形突起。泥石流形成區(qū)一般位于流域上游，多呈漏斗狀、勺狀、橢圓狀，環(huán)山谷分布，通常具有巖體結(jié)構(gòu)松散，紋理較為細(xì)膩，植被覆蓋度較低的特點(diǎn)。因此通過影像若能明顯辨別出形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)，流域呈扇形且面積較大的溝谷，則較大概率發(fā)生泥石流(圖6)。

圖6 泥石流隱患區(qū)

5.2 地質(zhì)隱患解譯

基于坡度圖、坡向圖及三維實(shí)景模型，通過目視解譯提取地質(zhì)隱患區(qū)域，部分隱患區(qū)域的模型俯視及正視圖見圖7-12，針對(duì)以上地質(zhì)隱患區(qū)域解譯成果，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽查驗(yàn)證。

(a)俯視圖 (b)立視圖

針對(duì)以上解譯成果，進(jìn)行相應(yīng)區(qū)域的地質(zhì)隱患分析，結(jié)果見表1。

表1 地質(zhì)隱患區(qū)域分析

(a)俯視圖 (b)立視圖圖8 地質(zhì)隱患區(qū)域二

(a)俯視圖 (b)立視圖圖10 地質(zhì)隱患區(qū)域六

(a)俯視圖 (b)立視圖圖11 地質(zhì)隱患區(qū)域八

(a)俯視圖

根據(jù)地質(zhì)隱患解譯成果制作庫(kù)區(qū)地質(zhì)隱患區(qū)專題圖見圖13。

圖13 庫(kù)區(qū)地質(zhì)隱患區(qū)專題圖

6 結(jié) 語(yǔ)

四川大渡河雙江口水電站施工區(qū)與庫(kù)區(qū)地形地貌數(shù)字航攝測(cè)量服務(wù)項(xiàng)目為背景，利用無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)獲取高分辨率影像，制作DEM、DOM及三維實(shí)景模型，并計(jì)算制作出施工區(qū)坡度圖、坡向圖。同時(shí)結(jié)合基于三維的地質(zhì)災(zāi)害解譯方法，提取出地質(zhì)隱患區(qū)域。經(jīng)實(shí)地勘測(cè)，地質(zhì)隱患分析提取成果與實(shí)際情況符合，驗(yàn)證了該方法的有效性。通過研究，證明三維空間數(shù)據(jù)在滑坡地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用分析中發(fā)揮重要作用，利用DEM數(shù)據(jù)可以幫助計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)位的高程、距離、坡度、坡向等信息，分析災(zāi)害發(fā)生的潛在區(qū)域和成因。利用三維實(shí)景模型可建立三維地質(zhì)隱患解譯標(biāo)志，并通過交互式目視解譯的方式，更為精確地解譯地質(zhì)隱患成果。

針對(duì)雙江口地質(zhì)災(zāi)害隱患進(jìn)行研究，采用三維目視解譯的技術(shù)方法，研究范圍相對(duì)狹窄，針對(duì)性更強(qiáng)，在通用性的地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)提取信息方面比較薄弱，未來(lái)應(yīng)深入研究。同時(shí)應(yīng)充分利用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)，搭載除可見光相機(jī)外的多種傳感器，如激光雷達(dá)、多光譜相機(jī)等，能夠采集更為精確和豐富的地表高程信息和光譜信息，并結(jié)合大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，為水利工程地質(zhì)隱患分析與監(jiān)測(cè)帶來(lái)更廣闊的可能性。