基于無人機(jī)攝像技術(shù)的水電工程庫區(qū)國土空間快速建模及數(shù)值分析

錢庭青，張 遷，徐洪鐘，畢 港*，朱 煥

1. 江蘇省地質(zhì)工程勘察院，南京 211102；2. 南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，南京 211816

自建國以來，水電工程逐漸增加，迄今發(fā)電量已達(dá)國家總量的20%。水電作為一種清潔能源，符合當(dāng)前減少碳排放、實(shí)現(xiàn)碳中和的可持續(xù)生態(tài)發(fā)展的長期目標(biāo)。近些年來對(duì)水電工程庫區(qū)國土空間生態(tài)長期穩(wěn)定的健康監(jiān)測越發(fā)重視，國家能源局及國家電力監(jiān)管委員會(huì)逐步推出各項(xiàng)規(guī)定和指導(dǎo)建議，強(qiáng)調(diào)定期核查水電工程庫區(qū)國土空間生態(tài)健康的必要性。

針對(duì)水電工程庫區(qū)國土空間生態(tài)健康的調(diào)查，傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害的技術(shù)手段，存在人力成本高、調(diào)查精度低、現(xiàn)場還原性差、調(diào)查范圍有欠缺等不足，比如低水位時(shí)壩體狀態(tài)，因距離壩頂太遠(yuǎn)看不到細(xì)節(jié)。一種高效、便捷、及時(shí)、全局化、且短期能多次重復(fù)的調(diào)查技術(shù)手段的應(yīng)用能極大地優(yōu)化水電工程庫區(qū)國土空間生態(tài)健康監(jiān)測。

近幾年遙感影像相關(guān)軟件及硬件的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了在小型無人機(jī)上掛載高清數(shù)碼相機(jī)拍攝地面影像，在保證一定重疊率的基礎(chǔ)上經(jīng)過圖像識(shí)別算法分析，直接得到地面高分辨率數(shù)字正射影像（Digital Orthophoto Map, DOM），進(jìn)一步匯總為數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model, DEM），極大地方便了科研工作和工程設(shè)計(jì)的后續(xù)分析研究。相比與傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查手段，無人機(jī)適用于困難地區(qū)信息采集（黃海寧等，2019），且保持高精度；相比于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，無人機(jī)攝像技術(shù)具有及時(shí)性（張歡等，2021）、便捷性（陳天博等，2017；張崇軍等，2021）、適用于復(fù)雜地形地貌（馬娟等，2019）、短期能多次重復(fù)性（孔嘉旭等，2021）等優(yōu)點(diǎn)。

早在十年前，馬澤忠等（2011）將無人機(jī)應(yīng)用于夏季暴雨引發(fā)山體滑坡導(dǎo)致的堰塞湖的災(zāi)后重建工作。但近五年來無人機(jī)攝像技術(shù)才在國土空間生態(tài)健康監(jiān)測中逐步普及，主要應(yīng)用于高精度常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查（付蕭等，2018；王帥永等，2016）、極端情況下地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)（郭晨等，2020；黃海峰等，2017；彭大雷等，2017；楊燕等，2017；周小龍等，2022）、礦山生態(tài)修復(fù)（何原榮等，2017；聞彩煥和王文棟，2020；張愷等，2019）等方面。

但目前針對(duì)無人機(jī)攝像技術(shù)構(gòu)建的DEM進(jìn)一步的分析應(yīng)用較少（Ma et al., 2020; Tang et al.,2021）。本文以某抽水蓄能水電工程為例，探索了基于無人機(jī)攝像技術(shù)生成的DEM的快速數(shù)值建模及強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定性分析的思路和方法。該方法有助于優(yōu)化無人機(jī)攝像技術(shù)在水電工程庫區(qū)國土空間生態(tài)健康監(jiān)測中的應(yīng)用，為相關(guān)行業(yè)技術(shù)的推進(jìn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供輔助及參考。

1 基于無人機(jī)攝像技術(shù)的快速數(shù)值建模思路

本研究采用的無人機(jī)型號(hào)為大疆M300Pro搭載D-RTK，分辨率8192*5460，地面拍攝精度可達(dá)cm級(jí)?；跓o人機(jī)攝像技術(shù)的快速數(shù)值建模的室內(nèi)外工作原理（圖1）大致可概括為：（1）指令無人機(jī)按照規(guī)劃的航線飛行，拍攝地形地貌影像；（2）經(jīng)過專業(yè)影像分析軟件如Photo Scan等對(duì)影像進(jìn)行拼接、校正并最終重構(gòu)DOM及DEM；（3）研究人員和工程人員利用有限元、有限差分等數(shù)值軟件結(jié)合DEM開展進(jìn)一步數(shù)值分析，具體流程如下。

圖1 無人機(jī)攝像技術(shù)的快速數(shù)值建模流程Fig. 1 Work flow for the rapid numerical modeling based on the UAV

1.1 無人機(jī)飛行航線規(guī)劃設(shè)計(jì)

在獲取不同時(shí)期水電工程庫區(qū)國土空間生態(tài)的時(shí)空狀態(tài)信息時(shí)，布設(shè)無人機(jī)單水平、垂直航線，航線覆蓋研究區(qū)域及其周邊環(huán)境。為保證建模精確度以及在數(shù)據(jù)分析過程中有足夠多的參考點(diǎn)位，需調(diào)整數(shù)據(jù)采集參數(shù)，同一航線相鄰照片之間的重疊度應(yīng)大于60%，相鄰兩條航線之間照片的重疊度應(yīng)大于30%，重疊度越高，相應(yīng)建模精度也越高。如果拍攝目標(biāo)較大或較復(fù)雜，單條航線單個(gè)角度拍攝無法獲取所有細(xì)節(jié)，為使模型更加精細(xì)準(zhǔn)確，可以采取設(shè)計(jì)多條航線以多個(gè)拍攝角度進(jìn)行航攝，最后多條航線航攝照片進(jìn)行結(jié)合處理。在執(zhí)行完飛行任務(wù)后，及時(shí)檢查影像的完整性和精度，對(duì)于數(shù)據(jù)缺失或者圖像模糊的區(qū)域進(jìn)行重新采集。最終采集的圖像包含POS數(shù)據(jù)，并具有高重疊率、精度高等特點(diǎn)。

1.2 三維實(shí)景模型建立

將無人機(jī)按設(shè)計(jì)航線獲取目標(biāo)區(qū)域的高精度航空影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入自動(dòng)化建模軟件，完成三維模型的建立。整個(gè)建模的過程需要經(jīng)過導(dǎo)入照片、對(duì)齊照片、建立密集點(diǎn)云、生成網(wǎng)格、生成紋理幾個(gè)流程。最終成型的空間三維模型可以按照需求輸出相應(yīng)的成果，如DOM。

通過以上兩步的操作，基本實(shí)現(xiàn)地形勘測的任務(wù)。利用實(shí)景三維模型可以清晰地反應(yīng)地形地貌，相對(duì)傳統(tǒng)的二維圖紙更加生動(dòng)形象的展現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)景，也降低了多方合作的技術(shù)門檻。利用DOM提供了比衛(wèi)星遙感更高精度的影像效果。

1.3 三維數(shù)值模型

因?yàn)闊o人機(jī)獲取的是高精度的遙感影像，其數(shù)據(jù)量一般很大（可達(dá)十幾個(gè)G）,有限元軟件的計(jì)算速度受到了明顯地限制。比較而言，有限差分方法使用顯式近似迭代求解偏微分方程組，不存儲(chǔ)剛度矩陣，受數(shù)據(jù)量的影響較小。因此本研究采用某有限差分軟件。它支持導(dǎo)入網(wǎng)格，其直接使用三維坐標(biāo)，格式如下例，通過五個(gè)空間點(diǎn)，按右手法則，定義生成一個(gè)四面體單元。

通過無人機(jī)三維實(shí)景模型建立三維數(shù)值模型的常規(guī)方法是：借助多視圖三維重建技術(shù)獲取目標(biāo)的密集點(diǎn)云，然后使用Cloud Compare濾波、平滑等處理，生成網(wǎng)格以*.stl文件格式導(dǎo)入軟件中生成曲面模型并延展成體，最后利用高級(jí)網(wǎng)格生成插件對(duì)三維實(shí)體網(wǎng)格模型進(jìn)行再嚙合網(wǎng)格劃分，并保存成可以識(shí)別的網(wǎng)格文件，然后用import命令生成復(fù)雜三維地質(zhì)體的數(shù)值計(jì)算模型。

但同樣的原因，因?yàn)闊o人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)量非常龐大，這種建模方法依然低效，且無法保證精度。因?yàn)槿S數(shù)值分析所需的模型其實(shí)相比無人機(jī)三維實(shí)景模型，相對(duì)粗糙，不需要龐大的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。本研究采用如下方法快速構(gòu)建三維數(shù)值模型：借助多視圖三維重建技術(shù)獲取目標(biāo)的密集點(diǎn)云，然后生成地形等高線圖，最后軟件使用內(nèi)置編程語言，依托地形等高線圖生成三維數(shù)值模型。如依托圖2的某地形等高線圖構(gòu)建的三維數(shù)值模型圖3。其核心程序代碼見附錄一。

圖2 某地形等高線圖Fig. 2 Contour map of one area

圖3 依托地形等高線圖構(gòu)建的三維數(shù)值模型Fig. 3 Three dimensional numerical model constructed based on the topographic map

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

研究對(duì)象坐落于歷史名山醉翁亭記的誕生地，下水庫利用已建的城西水庫，正常蓄水位29 m；上水庫是國內(nèi)第一座修建于巖溶地區(qū)的日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站水庫，正常蓄水位172 m，死水位150 m。上水庫建有主壩及副壩各一座，壩型為鋼筋混凝土面板堆石壩和混凝土重力壩，最大壩高為64.5 m和20 m。歷經(jīng)近20年等各項(xiàng)地質(zhì)勘察推進(jìn)工作，并經(jīng)5年工程建設(shè)，自2007年底投入使用，總裝機(jī)60萬千瓦。

抽水蓄能庫區(qū)位于江淮分水嶺南側(cè)，屬于長江流域。庫區(qū)的上水庫和下水庫（城西水庫）均位于清流河支流小沙河上，流域內(nèi)小支流密布，河系呈葉脈狀。清流河貫穿滁州市區(qū)，向東南流入滁河，最后匯入長江。下水庫（城西水庫）位于小沙河支流下游，是滁州城區(qū)供水的唯一水源基地，建成于1960年，集水面積為168 km2；上水庫位于小沙河三條支流之一的東源上游，流域面積為1.97 km2。地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，以泉水和地表徑流的形式排向河谷。庫區(qū)內(nèi)主要巖土層為灰色巨厚層至塊狀致密灰?guī)r，上覆棕灰色粉質(zhì)粘土。區(qū)域地殼屬于穩(wěn)定區(qū)。

2.2 三維實(shí)景模型

依據(jù)國家能源局及國家電力監(jiān)管委員會(huì)等部門的相關(guān)規(guī)定，對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)內(nèi)的重要電力設(shè)施，原則上應(yīng)每三年組織專業(yè)人員開展周邊地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，全面排查崩塌、滑坡、泥石流、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害隱患，同時(shí)做好抗滑樁、護(hù)坡、擋渣墻等防護(hù)措施的安全隱患排查，確保其正常發(fā)揮作業(yè)。2021年相比2018年在傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查手段的基礎(chǔ)上，針對(duì)抽水蓄電工程庫區(qū)的重點(diǎn)場所，如主壩、副壩、及三個(gè)渣場等大型工程，增加了無人機(jī)攝像技術(shù)手段。無人機(jī)飛行航線規(guī)劃圖如圖4。

圖4 無人機(jī)飛行航線Fig. 4 Flying routes of an UAV

通過無人機(jī)攝像技術(shù)采集影像，并經(jīng)建構(gòu)的主壩體模型如圖5。詳細(xì)核查主壩模型的各個(gè)細(xì)節(jié)，可見主壩伸縮縫形態(tài)良好，未見開裂。

圖5 主壩模型Fig. 5 Model of the main dam

2.3 數(shù)值分析

為了進(jìn)一步核實(shí)主壩的應(yīng)力應(yīng)變及穩(wěn)定性狀態(tài)，將無人機(jī)攝像技術(shù)建構(gòu)的DEM，使用前述小節(jié)描述方法，建立主壩三維空間巖土體模型 （圖6）。壩體總長700 m，約中間處壩體向右偏轉(zhuǎn)15°。模型尺寸約為250 m*700 m*120 m。剖分網(wǎng)格78400個(gè)，節(jié)點(diǎn)86631個(gè)。邊界條件為底部鉸接及四周滑動(dòng)接觸。壩體材料主要是堆積塊石，表面用混凝土防護(hù)，賦予摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型；基巖為未風(fēng)化到微風(fēng)化灰?guī)r，賦予彈性本構(gòu)模型，具體參數(shù)見表1。經(jīng)分析計(jì)算，主壩的應(yīng)力狀態(tài)如圖7（注：默認(rèn)壓應(yīng)力為負(fù)）。截取主壩壩高最高的截面，采用某通用極限平衡分析軟件分析其穩(wěn)定性（圖8），得到低水位時(shí)地震工況（0.1g）下主壩的最低安全系數(shù)為2.16，極為穩(wěn)定。

表1 本構(gòu)模型及參數(shù)Table 1 Constitutive models and parameters

圖6 主壩數(shù)值模型Fig. 6 Numerical model of the main dam

圖7 主壩垂直應(yīng)力狀態(tài)Fig. 7 Vertical stress of the main dam

圖8 主壩穩(wěn)定性（地震工況）Fig. 8 Slope stability of the main dam (earthquake considered)

3 結(jié) 論

本文提出了一種新的思路和方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)國土空間生態(tài)快速有效地健康監(jiān)測。基于無人機(jī)攝像技術(shù)獲取地形數(shù)字模型的快捷性，對(duì)接入數(shù)值分析軟件快速建模并開展數(shù)值模擬，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)國土空間生態(tài)健康的高效、及時(shí)地監(jiān)測。以某抽水蓄能水電工程為例，詳細(xì)描述了無人機(jī)室外飛行，構(gòu)建DEM，建立三維數(shù)值分析模型，并開展強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定性分析的流程。結(jié)果表明：無人機(jī)攝像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水電工程庫區(qū)國土空間生態(tài)高效、便捷、及時(shí)、全面的健康監(jiān)測。無人機(jī)攝像技術(shù)建構(gòu)的三維數(shù)字高程模型高度還原現(xiàn)場，便于科研工作和工程設(shè)計(jì)的后續(xù)數(shù)值分析和研究；使用無人機(jī)定期飛行，實(shí)現(xiàn)了用低成本，獲取不同時(shí)期水電工程庫區(qū)國土空間生態(tài)的時(shí)空狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到長期動(dòng)態(tài)的健康監(jiān)測的目標(biāo)。