基于貼近攝影測量技術(shù)的大壩表面裂縫監(jiān)測研究

姚松 盧斌 鄧波 孫義兵

(1.貴州黔源電力股份有限公司普定發(fā)電公司 貴州安順 562100;2.貴州經(jīng)緯博通科技有限公司貴州貴陽 550081)

在混凝土大壩運(yùn)行過程中，裂縫是最常見的病害之一，這些裂縫大部分出現(xiàn)在壩體的表面，并且呈漸近式發(fā)展或破壞，部分最終形成深層裂縫或貫穿裂縫，若沒有及時(shí)采取有效的措施進(jìn)行控制和補(bǔ)救，將不斷擴(kuò)展失穩(wěn)導(dǎo)致壩體的最終失效[1]。因此，對混凝土大壩裂縫的形態(tài)、位置及發(fā)展趨勢進(jìn)行有效監(jiān)測是大壩運(yùn)行管理的重要工作內(nèi)容之一。

混凝土產(chǎn)生裂縫后，為分析裂縫的類型、成因，并評估裂縫對大壩安全性的影響，需對裂縫進(jìn)行詳細(xì)檢查和檢測，以掌握裂縫的長度、寬度、深度和產(chǎn)狀等；混凝土裂縫在處理前也需進(jìn)行檢查和檢測，以制訂可行、合理的處理方案[2]。

現(xiàn)有遙感成像技術(shù)多是從空中“俯視”成像，僅能獲取到壩體“上部”的裂縫信息，無法有效獲取大壩“兩側(cè)”和“下部”裂縫信息。雖然現(xiàn)有無人機(jī)可以超低空作業(yè)，地面分辨率可以達(dá)到分米級別，但對于壩體細(xì)微裂縫信息識別能力仍舊不足，對于厘米級甚至亞厘米級裂縫無法實(shí)現(xiàn)有效探測。

相比于垂直航空攝影或傾斜攝影而言，貼近攝影測量優(yōu)勢在于貼近大壩近距離成像，拍攝距離甚至可以控制在5 m范圍內(nèi)，微觀信息清晰、直觀；同時(shí)，多角度拍攝可有效獲取大壩不同方向結(jié)構(gòu)信息，更加精準(zhǔn)地獲取大壩裂縫組合特征，對大壩穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵參數(shù)獲取有極大幫助，有效解決了俯視成像攝影角度受限，無法精準(zhǔn)獲取大壩“兩側(cè)”和“下部”裂縫信息的問題。

1 貼近攝影測量技術(shù)流程與原理

貼近攝影測量是精細(xì)化測量的一種技術(shù)方式，該項(xiàng)技術(shù)最初應(yīng)用于礦山滑坡、危巖、地質(zhì)監(jiān)測、水利工程等應(yīng)急測繪。和遙感技術(shù)、無人機(jī)航空攝影技術(shù)相比，貼近攝影測量是使用貼近物體表面（攝影距離為5～50 m）攝影獲取超高分辨率影像的無人機(jī)測量技術(shù)，它具有超高的空間分辨率和360°無死角的觀測視角[3]。多旋翼無人機(jī)機(jī)動靈活、安全易操作、影像成果分辨率高等特性是貼近攝影測量實(shí)現(xiàn)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。而航線的規(guī)劃則是貼近攝影測量成功實(shí)施的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，具體見圖1。

針對不同的作業(yè)對象，貼近攝影測量的作業(yè)流程也有所不同。但基本都遵循一個(gè)由“大”到“小”，由“粗”到“細(xì)”的過程。所謂大，是說在作業(yè)前必須要有該測區(qū)的大致地理概況的數(shù)據(jù)，一是準(zhǔn)確提取無人機(jī)的起飛點(diǎn)、降落點(diǎn)；二是判斷航飛范圍內(nèi)有無高大樹木、凸起建筑物、高壓電線等障礙物，排除航飛安全隱患，為無人機(jī)航飛提供安全保障；三是為準(zhǔn)確規(guī)劃航線提供基礎(chǔ)資料。所謂“小”，是說航飛的對象是大的地理環(huán)境中的某個(gè)點(diǎn)或某個(gè)面。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、軟件、硬件設(shè)備準(zhǔn)備完成后即可實(shí)施貼近攝影測量工作，其整個(gè)作業(yè)流程具體見圖1。

圖1 貼近攝影測量流程

圖2 精細(xì)建模飛行時(shí)的航跡

2 試驗(yàn)區(qū)與試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

該次試驗(yàn)主要對普定水電站表面裂縫進(jìn)行監(jiān)測，改水電站位于烏江上游南源三岔河中游灰?guī)r峽谷河段中普定縣梭篩村，距下游引子渡電站51 km，距貴陽市125 km，為河岸式電站。

電站樞紐由碾壓混凝土拱壩、壩頂開敞式溢洪道、右岸發(fā)電引水隧洞及廠房組成。最大壩高75 m，壩體厚高比0.376。設(shè)4 孔表孔溢洪道，孔口尺寸12.5 m×11.0 m。右岸發(fā)電引水隧洞洞徑8 m，長280 m。廠房位于壩后右岸，內(nèi)裝3臺立式水輪發(fā)電機(jī)組[4]。

該工程屬二等大（二）型工程，其永久建筑物按2級建筑物設(shè)計(jì)，次要建筑物按3 級建筑物設(shè)計(jì)。大壩防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇，設(shè)計(jì)洪水位1 145.62 m,設(shè)計(jì)洪峰流量5 100 m3/s；防洪校核洪水位1 147.62 m，校核洪峰流量6 610 m3/s。

普定大壩裂縫分布在溢流面、壩面、壩頂?shù)炔课?，?shù)量較多。

2.2 貼近攝影測量實(shí)施過程

貼近攝影測量的實(shí)施是一個(gè)流程化、精細(xì)化的過程。實(shí)施過程可以分為三大部分，分別是航線規(guī)劃、航攝實(shí)施、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。

2.2.1 航線規(guī)劃

采用環(huán)繞飛行的方式獲得普定水電站大壩的粗模，根據(jù)獲得的粗模規(guī)劃大壩貼近攝影測量的飛行航線，對于閘室等區(qū)域進(jìn)行手動打點(diǎn)規(guī)劃航線進(jìn)一步獲得更精細(xì)的影像資料。

2.2.2 航拍實(shí)施

無人機(jī)的選擇是貼近攝影測量實(shí)施的一個(gè)要點(diǎn)，無人機(jī)要盡量輕巧靈活，便于操控。在無人機(jī)選擇方面，該次作業(yè)選擇了大疆精靈Phantom 4 RTK，這款無人機(jī)小巧便攜，又有厘米級的導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)。作業(yè)難度和成本低，精度和效率高。該次無人機(jī)航拍時(shí)距離壩體表面僅20 m，對無人機(jī)航攝來說這是一個(gè)相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的距離[5]。

2.2.3 實(shí)景三維模型生產(chǎn)

航空攝影的數(shù)據(jù)處理選擇了自動高效的Context-Capture軟件進(jìn)行空三加密及三維模型生產(chǎn)。在具體地質(zhì)施工作業(yè)過程中，首先對貼近攝影測量的航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密，加密完成后在已有的傾斜攝影測量三維模型成果上提取貼近攝影測量同名點(diǎn)坐標(biāo)，將這些同名點(diǎn)坐標(biāo)當(dāng)做控制點(diǎn)，導(dǎo)入貼近攝影測量空三工程中并轉(zhuǎn)刺[6]。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的具體流程具體見圖3。

圖3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的具體流程

2.3 技術(shù)要點(diǎn)及難點(diǎn)

貼近攝影測量的技術(shù)要點(diǎn)和難點(diǎn)基本上是相伴而生，要點(diǎn)同時(shí)也是難點(diǎn)。下面是在該次測試中遇到的難點(diǎn)。

2.3.1 貼近攝影飛行姿態(tài)的確定

貼近攝影測量不同于常規(guī)攝影測量，它與傳統(tǒng)正射攝影測量的區(qū)別是投影面并非為水平投影面，其對象是各種或豎立或傾斜的面，這就決定了飛機(jī)的飛行姿態(tài)可能不是平行于地面飛行。對于豎直平面需要垂直于地面爬升飛行，對于類似于塔的柱體對象，需要環(huán)繞加爬升的飛行方式。

2.3.2 貼近攝影測量航拍實(shí)施

貼近攝影測量距離被攝對象距離小，加大了航拍的難度和危險(xiǎn)性。這就對無人機(jī)操作員有較高的要求，最好是由經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員參與前期的航線規(guī)劃、起飛點(diǎn)的選擇，從源頭上排除風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.3 貼近攝影測量數(shù)據(jù)與SLAM點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合

貼近攝影測量的成果是一種分辨率極高的實(shí)景模型，但成果面積一般較小。相對于貼近攝影測量模型成果來說，大壩外部基于SLAM 點(diǎn)云生產(chǎn)的三維模型精度較低，但面積大，范圍廣。因此，貼近攝影測量的三維模型成果需要與基于SLAM點(diǎn)云生成的全景影像成果進(jìn)行融合。通過兩種模型成果的融合來提高模型的精細(xì)程度和整體展示效果。

2.4 結(jié)果分析

普定大壩裂縫分布在溢流面、壩面、壩頂?shù)炔课?，?shù)量較多，基于實(shí)景三維模型，可以測量裂縫的長度、縫寬，描述并記錄裂縫的性狀，與之前歷次裂縫檢查成果比對，編制裂縫檢查對比表。該次裂縫檢查情況匯總?cè)缦隆?/p>

2.4.1 大壩頂部

根據(jù)第三次定檢的裂縫檢查情況，壩頂有裂縫38條，其中4#縫在2001年處理時(shí)，已被修補(bǔ)混凝土覆蓋。壩頂裂縫均為表面裂縫，縫寬均較小，用塞尺無法測量寬、深度。2017 年，普定發(fā)電公司對大壩頂部及進(jìn)水口頂部等部位，進(jìn)行了處理，新鋪了瀝青材料，裂縫被遮蓋。目前，壩頂未發(fā)現(xiàn)其他缺陷。

2.4.2 大壩上游面

大壩上游面只能檢查到1 132.0 m 水面線以上部分，中部3#、4#溢洪孔下1998 年檢查發(fā)現(xiàn)的2 條1.0 m長的豎向裂縫外，該次未發(fā)新增裂縫及現(xiàn)其他缺陷。

2.4.3 右壩面

右壩面原有裂縫14條，該次檢查裂縫33條，有19條裂縫是該次登記并測量。在裂縫檢查對比表中備注為新增，查看歷次檢查照片，新增的裂縫在照片中已經(jīng)存在，具體見圖4。

圖4 下游右壩面照片

2.4.4 左壩面

原有裂縫14 條，該次檢查裂縫18 條，其中4 條裂縫是該次登記并測量，在裂縫檢查對比表中備注為新增，查看歷次檢查照片，新增的裂縫在照片中已經(jīng)存在。1 102～1 109 m 高程面編號為21#的裂縫下端5 m處有3 段滲水點(diǎn)，該次加裝5 個(gè)裂縫計(jì)，進(jìn)行監(jiān)測；原71#、75#裂縫之間新增2.69 m 長度裂縫，71#、75#裂縫聯(lián)通，沒滲水。

3 結(jié)語

無人機(jī)技術(shù)及三維建模手段的快速發(fā)展，為壩體檢查提供了新的手段。該次大壩裂縫檢查，我們根據(jù)無人機(jī)拍攝的影像，初步摸索出了一些方法，能減輕檢查的工作量，進(jìn)而減少安全隱患。

（1）貼近攝影測量技術(shù)是針對精細(xì)化測量需求提出的一種全新的技術(shù)，具有明顯的高分辨率和“多角度”觀測技術(shù)優(yōu)勢，可以“近距離”探測觀測對象的微觀信息，識別大壩亞厘米級裂縫，尤其適合于大壩裂縫早期識別工作，已取得顯著成效。

（2）三維航線規(guī)劃是貼近攝影測量技術(shù)數(shù)據(jù)獲取階段的關(guān)鍵步驟。布設(shè)航線之前，需要先獲取工作區(qū)較高精度的初始地形。貼近攝影測量的影像投影面是與被攝面平行的任意面（并非水平面）。為了達(dá)到較好的貼近效果，觀測區(qū)域需構(gòu)成一個(gè)相對平整的“面”，在保證飛行安全的情況下，距離該平整“面”越近，拍攝效果越佳。

（3）貼近攝影時(shí)無人機(jī)和被攝隊(duì)形的距離特別近，因此航攝時(shí)存在一定的安全隱患，但風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)遇并存，高風(fēng)險(xiǎn)的航飛帶來的是前所未有的高精度實(shí)景三維模型成果。該次大壩測量得到的高精細(xì)三維模型是其他技術(shù)無法比擬的。