基于三維激光掃描和無人機(jī)航空攝影的水電站高邊坡建模技術(shù)研究
——以葉巴灘水電站為例

米元桃,羅箱隴,丁釔,歐作飛

(1.中國水利水電第七工程局有限公司第一分局,四川彭山,620860;2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,成都,610065)

0 引言

水電站作為一項(xiàng)重要的民生工程,對能源供應(yīng)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有重要的作用[1-3]。為保障水電站的順利建設(shè),需要在建設(shè)過程采取必要的監(jiān)測手段,及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過程中存在的問題,避免施工中出現(xiàn)偏差,確保工程質(zhì)量。同時(shí),在水電站建設(shè)過程中涉及到水文、地質(zhì)、地形等復(fù)雜因素,通過有效的監(jiān)測手段,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理存在的危險(xiǎn)因素,保障工程安全。

不同于一般的工程,水電站大多數(shù)建立在偏遠(yuǎn)的高山峽谷地區(qū)[4-5],在這樣的條件下,傳統(tǒng)的人工監(jiān)測手段具有很大的缺陷。監(jiān)測范圍小,周期長,需要投入大量的人力、物力及財(cái)力,監(jiān)測精度不高,處理數(shù)據(jù)繁瑣、困難,且高山峽谷地區(qū)地勢高陡、植被茂密,通視條件極差,人工作業(yè)具有很大的安全隱患。

近年來,以無人機(jī)航空攝影技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)為代表的非接觸監(jiān)測技術(shù)迅速發(fā)展[6-9]。相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測方式,非接觸監(jiān)測技術(shù)具有很大的優(yōu)勢。無人機(jī)能夠在短時(shí)間內(nèi)飛到目標(biāo)區(qū)域上空,快速獲取大范圍的高清晰度圖像,并通過軟件處理生成地表三維模型。三維激光掃描技術(shù)可以快速、精確地獲取地表點(diǎn)云數(shù)據(jù),得到高精度的三維幾何空間信息。這兩種技術(shù)在效率、精確性、安全性及作業(yè)成本方面比傳統(tǒng)手段均有很大提升[10-11],在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。周靖鴻、曾躍等[12-13]采用無人機(jī)傾斜攝影測量,建立了大壩的實(shí)景三維模型,提高了效率,降低了建模成本;叢曉明[14]使用無人機(jī)航攝系統(tǒng)對黃河上游水電站進(jìn)行了滑坡調(diào)查,為后期滑坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測提供了重要資料;羅杰等[15]在桑皮勒水電站地區(qū)通過三維激光掃描進(jìn)行了地形測量,顯著提高了繪制地形圖的精度與效率;保振永[16]使用三維激光掃描技術(shù)對土石壩進(jìn)行建模,并通過對比分析得到了土石壩整體的變形結(jié)果。

然而,在實(shí)際應(yīng)用中,無人機(jī)航空攝影技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)也存在其各自的缺陷[17-18]。無人機(jī)技術(shù)的建模精度依賴于控制點(diǎn)的布設(shè),在高山峽谷地區(qū),大量的區(qū)域難以到達(dá),無法人為布置控制點(diǎn),沒有足夠的控制點(diǎn),無人機(jī)建模的精度就不高。同時(shí),三維激光掃描技術(shù)依靠對目標(biāo)發(fā)射激光獲取信息,而高山峽谷地區(qū)存在大量視野盲區(qū),掃描儀無法獲取這些區(qū)域的數(shù)據(jù),最終所得到的點(diǎn)云完整性有限。

基于以上背景,本研究使用了一種基于三維激光掃描和無人機(jī)航空攝影的聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)。利用三維激光掃描的高精度,從三維激光點(diǎn)云中提取一部分點(diǎn),作為無人機(jī)建模的控制點(diǎn),以此得到高精度的三維模型,并使用此方法建立了葉巴灘水電站高邊坡的高精度三維模型。研究成果旨在為葉巴灘水電站的監(jiān)測分析提供理論依據(jù)和有效參考。

1 工程背景

葉巴灘水電站位于金沙江上游,是十三級(jí)開發(fā)方案中的第七級(jí)。該水電站位于四川白玉縣和西藏貢覺縣的交界處,金沙江干流降曲河口下游大約350m的河段上。根據(jù)無人機(jī)對右岸進(jìn)行的現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果,右岸淺表層潛在不穩(wěn)定體分布高程范圍約在2900m～3600m之間,其穩(wěn)定性極差,危險(xiǎn)性大,下方是水墊塘、右岸壩肩、開關(guān)站和纜機(jī)平臺(tái)。由此產(chǎn)生的落石風(fēng)險(xiǎn)對施工期安全和長期運(yùn)行安全影響較大,對葉巴灘壩肩邊坡進(jìn)行精確的三維建模對于后續(xù)落石的處理具有重要意義。

葉巴灘水電站位于三江深切割強(qiáng)隆區(qū)和川西面狀強(qiáng)隆區(qū)交界處,壩區(qū)兩岸山體雄厚,地形陡峭,山頂高程大于4000m,相對高差大于1000m,屬于高山地貌。河谷狹窄,谷坡陡峻,為基本對稱的深切“V”形峽谷。傳統(tǒng)的人工測量方法在這樣的地形條件下難以開展,且耗時(shí)長,危險(xiǎn)性極大。因此,需要借助非接觸式監(jiān)測方法。本研究分別使用無人機(jī)與三維激光掃描儀對葉巴灘壩肩邊坡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采用傳統(tǒng)無人機(jī)建模方法與聯(lián)合監(jiān)測方法分別得到葉巴灘壩肩邊坡三維模型,并對兩種模型的精度進(jìn)行定量比較分析。葉巴灘壩肩邊坡情況見圖1。

2 主要設(shè)備及原理

2.1 三維激光掃描原理

三維激光掃描是一種高精度的獲取地面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的技術(shù),它能夠快速獲取被測物體表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息,生成高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[19]。相較于傳統(tǒng)單點(diǎn)測量方式,三維激光掃描技術(shù)具有諸多優(yōu)勢。它能夠在短時(shí)間內(nèi)獲取大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù),測量精度能夠達(dá)到毫米級(jí)別,且數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高,被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘查、建筑、文物保護(hù)、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

三維激光掃描技術(shù)通過發(fā)射激光束,使用反射鏡或激光頭將激光束掃描到目標(biāo)物體表面,激光束反射回來后通過接收器接收,并計(jì)算反射光束的時(shí)間延遲和光程差,從而確定目標(biāo)物體表面到激光掃描儀的距離r,同時(shí)通過記錄掃描的水平方向角φ、垂直方向角θ,計(jì)算示意如圖2,可以計(jì)算出每一個(gè)掃描點(diǎn)與測站之間的三維空間相對坐標(biāo)差。通過不斷改變掃描儀的掃描角度和位置,可以采集到物體表面的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù),進(jìn)而生成三維模型。

三維激光掃描點(diǎn)云坐標(biāo)計(jì)算公式如下:

式中,x,y,z為點(diǎn)云相對坐標(biāo);r為目標(biāo)物體表面到激光掃描儀的距離;φ為水平方向角;θ為垂直方向角。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影測量原理

無人機(jī)傾斜攝影測量是一種利用無人機(jī)搭載傾斜攝影設(shè)備對地表進(jìn)行高精度三維建模的技術(shù)[20]。在無人機(jī)的飛行過程中,傾斜攝影鏡頭通過不同的角度拍攝地面圖像,將這些圖像經(jīng)過一定的算法處理之后,即可得到地表三維模型。

使用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)建立地表三維模型的過程大致可以分為以下幾個(gè)步驟:

(1)飛行任務(wù)規(guī)劃:確定拍攝區(qū)域、飛行高度、重疊度等參數(shù),制定航線規(guī)劃,確保拍攝到完整的區(qū)域。

(2)數(shù)據(jù)采集:通過無人機(jī)搭載的傾斜攝影頭對地面進(jìn)行航拍,獲取大量的航空影像數(shù)據(jù),同時(shí)使用POS(Position &Orientation System)系統(tǒng)記錄拍攝時(shí)的姿態(tài)信息(例如飛行高度、飛行速度、拍攝角度、相機(jī)內(nèi)參等)。

(3)影像預(yù)處理:對采集到的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,包括圖像校正、去畸變、色彩均衡、影像拼接等。影像拼接的基本原理是在不同影像中找到對應(yīng)的同名點(diǎn),從而獲得影像間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,并拼接為完整的地面圖像。

(4)空中三角測量:通過軟件相關(guān)算法對影像進(jìn)行匹配,利用POS信息和地面控制點(diǎn)信息,并提取地物特征點(diǎn),進(jìn)行空中三角測量,確定地面上每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

(5)三維模型生成:將空中三角測量得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,生成地表的三維模型。

3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

3.1 無人機(jī)航空攝影數(shù)據(jù)采集

本研究無人機(jī)航空攝影數(shù)據(jù)的采集使用飛馬D2000型無人機(jī),飛行具體參數(shù)設(shè)定如表1所示,飛行航線設(shè)定如圖3。

表1 UAV-FM-D2000無人機(jī)參數(shù)設(shè)定

圖3 無人機(jī)航線設(shè)定

無人機(jī)完成飛行任務(wù)后,共獲取照片1359張,并記錄了無人機(jī)POS信息,所采集照片亮度、清晰度和重疊度均滿足要求,用于后續(xù)無人機(jī)模型的建立。

同時(shí),為提高無人機(jī)建模精度,需要布設(shè)RTK(Real-time kinematic)控制點(diǎn)。本研究沿河道及壩肩一共布設(shè)了9個(gè)RTK控制點(diǎn),得到了其精確地理坐標(biāo)。

3.2 三維激光掃描數(shù)據(jù)采集

本研究三維激光掃描數(shù)據(jù)的采集使用Rigel VZ-2000i型三維激光掃描儀,為盡量提高掃描數(shù)據(jù)的完整性,一共設(shè)置了四個(gè)掃描站點(diǎn),在右側(cè)壩肩與左側(cè)壩肩各設(shè)置兩個(gè)。三維激光掃描儀的具體參數(shù)見表2。

表2 Rigel VZ-2000i三維激光掃描儀參數(shù)設(shè)定

掃描完成后,將各個(gè)站點(diǎn)的掃描結(jié)果導(dǎo)入RiSCAN PRO軟件,將各部分點(diǎn)云進(jìn)行初步拼接,得到葉巴灘邊坡三維激光掃描點(diǎn)云結(jié)果見圖4。

圖4 葉巴灘壩肩邊坡三維激光掃描點(diǎn)云

從三維激光掃描結(jié)果可以看出,在靠近掃描站點(diǎn)的位置,點(diǎn)云的密度較高。隨著與掃描站點(diǎn)距離的增大,點(diǎn)云密度開始逐漸降低,且掃描結(jié)果中存在大量的缺失部分。

4 三維激光掃描-無人機(jī)航空攝影聯(lián)合監(jiān)測

4.1 聯(lián)合監(jiān)測基本原理

在無人機(jī)航空攝影建模中,布設(shè)控制點(diǎn)是一項(xiàng)十分重要的工作。控制點(diǎn)的作用主要可以分為兩點(diǎn):

(1)校正圖像幾何畸變:由于無人機(jī)飛行時(shí)存在姿態(tài)變化、航線偏差等因素,航拍圖像可能存在幾何畸變?？刂泣c(diǎn)可以用來計(jì)算圖像的幾何變換參數(shù),從而對圖像進(jìn)行校正,使其更符合實(shí)際情況。

(2)為三維建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù):控制點(diǎn)可以提供已知坐標(biāo)的地面點(diǎn),使得在無人機(jī)建模過程中可以更準(zhǔn)確地測量地物高程、坐標(biāo)等信息,以得到更準(zhǔn)確的三維模型。

控制點(diǎn)的布設(shè)范圍、數(shù)量及精度會(huì)對無人機(jī)航空攝影建模的結(jié)果產(chǎn)生很大影響。因此,在使用無人機(jī)航空攝影技術(shù)建模的過程中,需要布設(shè)足夠數(shù)量及高精度的控制點(diǎn),以保證無人機(jī)建模結(jié)果的有效性。然而,在高山峽谷地區(qū),由于地形復(fù)雜、道路不通,且存在很大的安全隱患,大量的區(qū)域作業(yè)人員不能到達(dá),無法布設(shè)RTK控制點(diǎn)。在缺乏足夠RTK控制點(diǎn)的情況下,僅使用小范圍的RTK控制點(diǎn)進(jìn)行無人機(jī)建模,所得到的三維模型精度無法得到保證。

三維激光掃描技術(shù)具有很高的精度,但在高山峽谷地區(qū)進(jìn)行掃描建模時(shí),其數(shù)據(jù)完整性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如無人機(jī)航空攝影。這是由于三維激光掃描技術(shù)通過在固定點(diǎn)發(fā)射激光并接收反射信息以完成數(shù)據(jù)采集,在地形復(fù)雜的高山峽谷地區(qū),存在大量的視野盲區(qū),激光無法到達(dá),最終得到的掃描結(jié)果會(huì)缺失這部分的數(shù)據(jù)。

基于以上特點(diǎn),本研究采用了一種三維激光掃描-無人機(jī)航空攝影聯(lián)合監(jiān)測方式。在目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域,無人機(jī)航空攝影正常采集數(shù)據(jù),并在可以人為到達(dá)的地方使用RTK獲取控制點(diǎn),同時(shí)使用三維激光掃描儀掃描地表點(diǎn)云數(shù)據(jù),并將各部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精確ICP(Iterative Closest Point)配準(zhǔn),根據(jù)布設(shè)的RTK控制點(diǎn)信息,將坐標(biāo)信息導(dǎo)入三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù),以得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo),基于三維激光掃描技術(shù)的毫米級(jí)精度,所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)可以認(rèn)為是足夠精確的。選取點(diǎn)云數(shù)據(jù)中特征明顯的標(biāo)志點(diǎn)作為基于三維激光掃描獲取的TLS(Terrestrial Laser Scanning)控制點(diǎn),并將TLS控制點(diǎn)坐標(biāo)加入無人機(jī)建模過程,為無人機(jī)建模提供足夠的控制點(diǎn),通過空中三角測量等過程生成高精度的地表三維模型。技術(shù)流程見圖5。

圖5 技術(shù)流程

4.2 聯(lián)合監(jiān)測參數(shù)設(shè)定

在本次葉巴灘壩肩高邊坡的數(shù)據(jù)采集中,一共通過RTK獲取了9個(gè)地面控制點(diǎn),由于地形限制、道路不同,所布設(shè)的RTK控制點(diǎn)基本沿河道進(jìn)行布置,部分控制點(diǎn)布設(shè)在壩肩處?；谝陨峡刂泣c(diǎn)信息,使用傳統(tǒng)方式進(jìn)行無人機(jī)建模,將得到的三維建模結(jié)果作為對比項(xiàng),以便于后續(xù)進(jìn)行模型精度的比較分析。

根據(jù)獲取的葉巴灘壩肩高邊坡三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù),使用ICP算法將各部分點(diǎn)云進(jìn)行精確配準(zhǔn),并導(dǎo)入通過RTK獲取的坐標(biāo),以對點(diǎn)云進(jìn)行校準(zhǔn),從而獲得點(diǎn)云中所有點(diǎn)的坐標(biāo)。所得到的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)視為真實(shí)地形作為參考,為后續(xù)無人機(jī)建模的精度評(píng)定提供依據(jù)。在三維激光點(diǎn)云上缺乏RTK控制點(diǎn)的區(qū)域提取了四個(gè)特征明顯的點(diǎn)作為基于三維激光掃描獲取的TLS控制點(diǎn),并導(dǎo)入無人機(jī)建模過程,與通過RTK獲取的控制點(diǎn)一起作為無人機(jī)建模的控制點(diǎn),控制點(diǎn)分布情況見圖6,再次進(jìn)行無人機(jī)航空攝影建模,所得到的建模結(jié)果為本次研究的實(shí)驗(yàn)組。

圖6 控制點(diǎn)分布

4.3 模型對比與精度評(píng)定

三維激光掃描所得到的點(diǎn)云具有毫米級(jí)精度,因此,在本研究的模型對比分析中,使用三維激光掃描點(diǎn)云作為真實(shí)地形進(jìn)行比較。將使用傳統(tǒng)方法得到的無人機(jī)建模結(jié)果與使用聯(lián)合監(jiān)測方法得到的建模結(jié)果分別與三維激光點(diǎn)云進(jìn)行對比分析。

為了直觀地進(jìn)行誤差比較,本研究在建模區(qū)域內(nèi),選取一組具有代表性的剖面,計(jì)算這些剖面上無人機(jī)建模與三維激光掃描點(diǎn)云之間的誤差,以得到剖面上的誤差曲線圖。具體的剖面選擇如圖7所示。

圖7 誤差計(jì)算剖面選擇

在各個(gè)模型剖面上依次進(jìn)行取點(diǎn),使用最短距離法計(jì)算該點(diǎn)位上無人機(jī)建模與三維激光掃描點(diǎn)云之間的誤差,最終以點(diǎn)到左端和上端的距離為橫坐標(biāo),以計(jì)算所得誤差為縱坐標(biāo)作點(diǎn),并將各點(diǎn)相連,分別得到傳統(tǒng)方法與聯(lián)合監(jiān)測方法建模結(jié)果在各剖面上的誤差曲線,結(jié)果見圖8。

圖8 傳統(tǒng)方法與聯(lián)合監(jiān)測方法各剖面誤差曲線

通過誤差曲線結(jié)果可以看出,使用傳統(tǒng)方法得到的無人機(jī)建模結(jié)果在模型中部范圍內(nèi)誤差較小,普遍在0.5m以內(nèi);而在左右兩側(cè),誤差數(shù)值則明顯上升,左側(cè)誤差最高達(dá)到了8m以上,右側(cè)誤差也達(dá)到了2m。這表明在控制點(diǎn)范圍附近,傳統(tǒng)方式得到的無人機(jī)模型與三維激光掃描結(jié)果吻合較好,產(chǎn)生的誤差較小,但在兩側(cè)壩肩往上,由于缺乏控制點(diǎn),無人機(jī)模型的誤差迅速增加。使用聯(lián)合監(jiān)測方法得到的無人機(jī)建模結(jié)果,由于加入了基于三維激光掃描獲取的TLS控制點(diǎn),控制點(diǎn)的范圍得到明顯擴(kuò)大,誤差曲線在整個(gè)范圍內(nèi)沒有明顯的波動(dòng),誤差普遍在0.5m以內(nèi)。

由此可以得出,相較于傳統(tǒng)無人機(jī)建模方法,本研究所采用的三維激光掃描-無人機(jī)航空攝影聯(lián)合監(jiān)測方法能夠明顯提升無人機(jī)三維建模整體的精度。

5 結(jié)論

本文介紹了無人機(jī)航空攝影與三維激光掃描兩種常用的非接觸監(jiān)測手段,并總結(jié)了其各自存在的缺陷。在此基礎(chǔ)上,本文采用了一種三維激光掃描與無人機(jī)攝影聯(lián)合監(jiān)測方法,以葉巴灘水電站作為建模對象,實(shí)現(xiàn)了葉巴灘水電站高邊坡的高精度建模,得出了以下結(jié)論:

(1)三維激光掃描(TLS)點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有毫米級(jí)精度,但受到高山峽谷地區(qū)視野限制,大量的區(qū)域無法被掃描到,掃描數(shù)據(jù)完整性有限。

(2)無人機(jī)(UAV)航空攝影數(shù)據(jù)完整性高,但由于環(huán)境限制,無法布置足夠的地面控制點(diǎn),建模精度不高,在距離控制點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方誤差會(huì)達(dá)到十米以上。

(3)使用三維激光掃描-無人機(jī)航空攝影聯(lián)合監(jiān)測技術(shù),利用三維激光掃描的高精度,選取其中的部分點(diǎn)作為無人機(jī)建模的控制點(diǎn),實(shí)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)的互補(bǔ),利用該方法實(shí)現(xiàn)了葉巴灘水電站的高精度三維建模。根據(jù)誤差分析得出,使用聯(lián)合監(jiān)測方法得到的建模結(jié)果明顯好于傳統(tǒng)無人機(jī)建模結(jié)果。該建模結(jié)果可為葉巴灘風(fēng)險(xiǎn)防治等方面提供可靠依據(jù)。