基于無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量的邊坡安全監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

徐陳勇,楊洋,3,鐘良,3

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010；2.長(zhǎng)江空間信息技術(shù)工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430010;3.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引言

工程邊坡的穩(wěn)定不僅是保證工程施工、運(yùn)行安全的前提，更是常常與生態(tài)環(huán)保掛鉤。當(dāng)工程完工后，工程邊坡的生態(tài)恢復(fù)和監(jiān)測(cè)是確保工程實(shí)現(xiàn)科學(xué)、綠色、可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。但由于其復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，業(yè)界專業(yè)人士經(jīng)過大量研究和理論分析，也不能完全解決邊坡失穩(wěn)問題。因此，對(duì)工程邊坡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)國(guó)家大型的涉水工程監(jiān)測(cè)工作尤為重要。

1 技術(shù)路線

方法的核心為基于無(wú)人機(jī)貼近攝影技術(shù)，通過無(wú)人機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行無(wú)限接近掃描式拍攝，將采集到的影像進(jìn)行處理，得到監(jiān)測(cè)目標(biāo)的高精度影像和三維模型，再通過人工判讀的方式對(duì)邊坡表面狀態(tài)進(jìn)行分析，從而評(píng)價(jià)目標(biāo)是否存在安全隱患。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，貼近攝影測(cè)量是利用無(wú)人機(jī)貼近物體表面(<20 m)攝影獲取高清影像，得到被攝物體精確坐標(biāo)、精細(xì)形狀。其技術(shù)具有“巡航導(dǎo)彈式”攝影模式、無(wú)限近距離(最近可達(dá)5 m)、超高分辨率(毫米級(jí))等特點(diǎn)，加上飛行平臺(tái)的輕型化、智能化以及無(wú)人機(jī)傳感器的多樣化、精細(xì)化效果，組成了無(wú)人機(jī)貼近攝影技術(shù)。

2 工程實(shí)例

為了驗(yàn)證方法的有效性，以宋崗碼頭邊坡作為典型對(duì)象設(shè)置環(huán)境變量，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性作業(yè)。實(shí)驗(yàn)采用了無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)，對(duì)邊坡表面進(jìn)行了多期影像采集，再通過三維建模技術(shù)得到邊坡表面高精度模型。利用高精度模型對(duì)多項(xiàng)能反映邊坡表面狀態(tài)的指標(biāo),如裂縫、膨脹、凹陷、破損等進(jìn)行逐一分析，并對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行坐標(biāo)定位及真實(shí)量測(cè)，從而完成邊坡表面監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

丹江口水庫(kù)宋崗碼頭試驗(yàn)區(qū)位于河南省轄縣級(jí)市鄧州丹江口水庫(kù)附近。丹江口水庫(kù)是亞洲第一大人工淡水湖，同時(shí)作為國(guó)家南水北調(diào)中線工程水源地對(duì)中國(guó)水資源配置格局有舉足輕重的作用。對(duì)丹江口水庫(kù)沿岸堤壩邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，能夠有效輔助丹江口水庫(kù)的日常運(yùn)營(yíng)和維護(hù)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

宋崗碼頭試驗(yàn)區(qū)沿岸堤壩長(zhǎng)約500 m，寬約100 m，呈長(zhǎng)條帶狀，整個(gè)堤壩由白色建筑材料施工而成，為規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。傳統(tǒng)手段對(duì)類似區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)主要采用斷面點(diǎn)式監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)精度高但覆蓋性差，通過增加斷面改善覆蓋問題的手段在總體經(jīng)濟(jì)效益上得不償失。針對(duì)上述實(shí)際情況，結(jié)合宋崗碼頭邊坡安全監(jiān)測(cè)的需求，采用貼近攝影測(cè)量技術(shù)，利用無(wú)人機(jī)貼近飛行采集邊坡表面信息數(shù)據(jù)，并通過后期處理分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)邊坡表面存在的如裂縫、膨脹、凹陷等安全隱患信息。此技術(shù)手段的運(yùn)用將從邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集上入手，大大降低數(shù)據(jù)采集工作量，以全新的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段降低數(shù)據(jù)采集的成本，提高采集效率，并通過后期數(shù)據(jù)的處理分析得到滿足數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精度要求的成果。

圖1 宋崗邊坡現(xiàn)狀圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

首先，根據(jù)堤壩沿岸周圍環(huán)境的參考地理信息資料(包括DEM、DOM等)以及現(xiàn)場(chǎng)勘查得到的信息，結(jié)合堤壩沿岸幾何形狀屬于“坡面”的特點(diǎn)，手工操作旋翼無(wú)人機(jī)(大疆精靈4 RTK)設(shè)置飛行高度為40 m左右進(jìn)行常規(guī)的攝影測(cè)量拍攝，獲取堤壩沿岸范圍內(nèi)的低分辨率無(wú)人機(jī)影像，如圖2所示。

圖2 宋崗現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集圖

通過手控?zé)o人機(jī)，得到堤壩沿岸總共131張低分辨率影像。將這些影像進(jìn)行空中三角測(cè)量和密集匹配，得到堤壩沿岸目標(biāo)初始的地形信息。如圖3所示，堤壩沿岸呈長(zhǎng)條形白色網(wǎng)狀分布，且長(zhǎng)條形狀不規(guī)則，沿岸分布具有一定的蜿蜒曲折。

圖3 宋崗邊坡粗精度模型圖

通過人工選點(diǎn)擬合斜面，將整個(gè)堤壩沿岸總共分為8個(gè)拍攝區(qū)域，如圖4所示。

圖4 邊坡8個(gè)區(qū)塊分割圖

利用大疆智圖航線規(guī)劃軟件，對(duì)丹江口水庫(kù)堤壩沿岸區(qū)域進(jìn)行航線規(guī)劃，規(guī)劃結(jié)果如圖5所示。其中綠色表示拍攝覆蓋的范圍，每個(gè)藍(lán)色球代表拍攝的航點(diǎn)。

圖5 邊坡規(guī)劃航點(diǎn)圖

整個(gè)堤壩沿岸分為8個(gè)區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，每條航線的起飛點(diǎn)高度為139 m，拍攝相對(duì)距離為5 m，最低安全飛行高為4 m，采用“坡面”擬合方式進(jìn)行航線規(guī)劃，理論精度為1.38 mm。航線規(guī)劃完成后，利用大疆精靈4 RTK旋翼無(wú)人機(jī)，對(duì)丹江口區(qū)域堤壩沿岸進(jìn)行貼近攝影測(cè)量自動(dòng)飛行。經(jīng)過4 h作業(yè)，采集到3 824張超高分辨率無(wú)人機(jī)影像，影像分辨率約1.40 mm。具體結(jié)果如表1所示。

表1 航線規(guī)劃八個(gè)區(qū)域影像數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

第1批數(shù)據(jù)采集完成后，為了檢驗(yàn)變化監(jiān)測(cè)的精度，在場(chǎng)景內(nèi)設(shè)置如圖6鐵塊物件模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境發(fā)生變化。鐵塊分5～20 mm不同厚度進(jìn)行編號(hào)分類準(zhǔn)備，并均勻隨機(jī)擺放在實(shí)驗(yàn)區(qū)后，利用相同無(wú)人機(jī)設(shè)備按照相同航線及飛行參數(shù)進(jìn)行第2批數(shù)據(jù)采集工作。由于設(shè)備一致，飛行范圍及參數(shù)相同，獲取的影像數(shù)量與表1數(shù)量保持不變。

圖6 部分鐵塊示意圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Bentley公司的ContextCapture軟件對(duì)傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。利用多臺(tái)高性能臺(tái)式電腦集群運(yùn)行，利用Smart3D軟件對(duì)采集的超高分辨率影像進(jìn)行勻光勻色、幾何校正、空三加密、DSM生成、正射影像生產(chǎn)等處理，得到宋崗堤壩邊坡區(qū)域的三維模型數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 邊坡三維模型圖

2.4 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)選取位置屬于國(guó)家重要水資源區(qū)，為防止坐標(biāo)涉密問題，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果坐標(biāo)暫不列出。涉及長(zhǎng)、寬、高、厚度等數(shù)據(jù)均屬于真實(shí)量測(cè)數(shù)據(jù)，以下兩組數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析展示(鐵塊模型5-4見圖8，鐵塊模型5-7見圖9)。

通過人工解譯對(duì)兩批次數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、標(biāo)記，在邊坡的三維模型上對(duì)發(fā)現(xiàn)差異變化位置進(jìn)行標(biāo)注，并對(duì)差異位置模型的長(zhǎng)、寬、高、厚度分別進(jìn)行量測(cè)統(tǒng)計(jì)。利用量測(cè)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)與實(shí)際物體本身參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)出數(shù)據(jù)采集精度，具體參數(shù)見表2和表3。

a實(shí)物照片圖 b模型正面圖

a實(shí)物照片圖 b模型正面圖

表2 數(shù)據(jù)一量測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表3 數(shù)據(jù)二量測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.5 量測(cè)結(jié)果

針對(duì)數(shù)據(jù)分析，通過無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量對(duì)邊坡表面進(jìn)行超高精度數(shù)據(jù)采集后，利用處理生成的三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)量測(cè)，通過量測(cè)的數(shù)據(jù)與原始實(shí)物對(duì)比，得到模型精度的偏差平均在0.20 cm左右如表4所示，滿足邊坡表面監(jiān)測(cè)的需求。

表4 精度偏差統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

在“綠水青山就是金山銀山”的綠色口號(hào)下，引領(lǐng)工程建設(shè)向生態(tài)工程、綠色工程轉(zhuǎn)型是必然趨勢(shì)，各工程建設(shè)手段也將在大趨勢(shì)下進(jìn)行升級(jí)革新。利用當(dāng)下市場(chǎng)熱門的無(wú)人機(jī)和三維傾斜技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的無(wú)人機(jī)貼近飛行思路和飛行技術(shù)對(duì)宋崗碼頭邊坡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性數(shù)據(jù)采集、處理和分析。通過數(shù)據(jù)結(jié)果上看，此次實(shí)驗(yàn)充分證實(shí)了將無(wú)人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)運(yùn)用在邊坡監(jiān)測(cè)的精度是足以滿足監(jiān)測(cè)需求的。此方法改善了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的弊端，降低了監(jiān)測(cè)成本，為后續(xù)完善利用無(wú)人機(jī)貼近攝影對(duì)整個(gè)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)的流程奠定了基礎(chǔ)。

同時(shí)，此次實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處，比如無(wú)人機(jī)續(xù)航問題、滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的硬件(無(wú)人機(jī)停機(jī)坪)配套問題以及邊坡內(nèi)部滲漏無(wú)人機(jī)表面查看不到的問題。為更好完善利用無(wú)人機(jī)貼近攝影技術(shù)對(duì)工程邊坡安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)的要求，后期將對(duì)出現(xiàn)的短缺問題進(jìn)行更深度的研究。