基于無人機貼近攝影測量的邊坡安全監(jiān)測技術(shù)研究

徐陳勇,楊洋,3,鐘良,3

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司,湖北 武漢 430010；2.長江空間信息技術(shù)工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430010;3.國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、運行安全的前提，更是常常與生態(tài)環(huán)保掛鉤。當工程完工后，工程邊坡的生態(tài)恢復(fù)和監(jiān)測是確保工程實現(xiàn)科學、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，對工程邊坡的實時監(jiān)測，尤其是對國家大型的涉水工程監(jiān)測工作尤為重要。

1 技術(shù)路線

方法的核心為基于無人機貼近攝影技術(shù)，通過無人機對監(jiān)測目標進行無限接近掃描式拍攝，將采集到的影像進行處理，得到監(jiān)測目標的高精度影像和三維模型，再通過人工判讀的方式對邊坡表面狀態(tài)進行分析，從而評價目標是否存在安全隱患。

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

2 工程實例

為了驗證方法的有效性，以宋崗碼頭邊坡作為典型對象設(shè)置環(huán)境變量，進行了實驗性作業(yè)。實驗采用了無人機貼近攝影測量技術(shù)，對邊坡表面進行了多期影像采集，再通過三維建模技術(shù)得到邊坡表面高精度模型。利用高精度模型對多項能反映邊坡表面狀態(tài)的指標,如裂縫、膨脹、凹陷、破損等進行逐一分析，并對監(jiān)測對象進行坐標定位及真實量測，從而完成邊坡表面監(jiān)測試驗。

2.1 試驗區(qū)概況

丹江口水庫宋崗碼頭試驗區(qū)位于河南省轄縣級市鄧州丹江口水庫附近。丹江口水庫是亞洲第一大人工淡水湖，同時作為國家南水北調(diào)中線工程水源地對中國水資源配置格局有舉足輕重的作用。對丹江口水庫沿岸堤壩邊坡進行變形監(jiān)測，能夠有效輔助丹江口水庫的日常運營和維護，具有十分重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。

宋崗碼頭試驗區(qū)沿岸堤壩長約500 m，寬約100 m，呈長條帶狀，整個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)手段對類似區(qū)域進行監(jiān)測主要采用斷面點式監(jiān)測，其監(jiān)測精度高但覆蓋性差，通過增加斷面改善覆蓋問題的手段在總體經(jīng)濟效益上得不償失。針對上述實際情況，結(jié)合宋崗碼頭邊坡安全監(jiān)測的需求，采用貼近攝影測量技術(shù)，利用無人機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)手段的運用將從邊坡監(jiān)測數(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，手工操作旋翼無人機(大疆精靈4 RTK)設(shè)置飛行高度為40 m左右進行常規(guī)的攝影測量拍攝，獲取堤壩沿岸范圍內(nèi)的低分辨率無人機影像，如圖2所示。

圖2 宋崗現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集圖

通過手控無人機，得到堤壩沿岸總共131張低分辨率影像。將這些影像進行空中三角測量和密集匹配，得到堤壩沿岸目標初始的地形信息。如圖3所示，堤壩沿岸呈長條形白色網(wǎng)狀分布，且長條形狀不規(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

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

圖4 邊坡8個區(qū)塊分割圖

利用大疆智圖航線規(guī)劃軟件，對丹江口水庫堤壩沿岸區(qū)域進行航線規(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，每個藍色球代表拍攝的航點。

圖5 邊坡規(guī)劃航點圖

整個堤壩沿岸分為8個區(qū)域進行規(guī)劃，每條航線的起飛點高度為139 m，拍攝相對距離為5 m，最低安全飛行高為4 m，采用“坡面”擬合方式進行航線規(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旋翼無人機，對丹江口區(qū)域堤壩沿岸進行貼近攝影測量自動飛行。經(jīng)過4 h作業(yè)，采集到3 824張超高分辨率無人機影像，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)劃八個區(qū)域影像數(shù)量統(tǒng)計表

第1批數(shù)據(jù)采集完成后，為了檢驗變化監(jiān)測的精度，在場景內(nèi)設(shè)置如圖6鐵塊物件模擬現(xiàn)場環(huán)境發(fā)生變化。鐵塊分5～20 mm不同厚度進行編號分類準備，并均勻隨機擺放在實驗區(qū)后，利用相同無人機設(shè)備按照相同航線及飛行參數(shù)進行第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軟件對傾斜數(shù)據(jù)進行處理。利用多臺高性能臺式電腦集群運行，利用Smart3D軟件對采集的超高分辨率影像進行勻光勻色、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

實驗選取位置屬于國家重要水資源區(qū)，為防止坐標涉密問題，實驗數(shù)據(jù)結(jié)果坐標暫不列出。涉及長、寬、高、厚度等數(shù)據(jù)均屬于真實量測數(shù)據(jù)，以下兩組數(shù)據(jù)作為實驗典型數(shù)據(jù)進行分析展示(鐵塊模型5-4見圖8，鐵塊模型5-7見圖9)。

通過人工解譯對兩批次數(shù)據(jù)進行對比、標記，在邊坡的三維模型上對發(fā)現(xiàn)差異變化位置進行標注，并對差異位置模型的長、寬、高、厚度分別進行量測統(tǒng)計。利用量測統(tǒng)計的數(shù)據(jù)與實際物體本身參數(shù)進行對比，檢驗出數(shù)據(jù)采集精度，具體參數(shù)見表2和表3。

a實物照片圖 b模型正面圖

a實物照片圖 b模型正面圖

表2 數(shù)據(jù)一量測結(jié)果統(tǒng)計表

表3 數(shù)據(jù)二量測結(jié)果統(tǒng)計表

2.5 量測結(jié)果

針對數(shù)據(jù)分析，通過無人機貼近攝影測量對邊坡表面進行超高精度數(shù)據(jù)采集后，利用處理生成的三維模型進行數(shù)據(jù)量測，通過量測的數(shù)據(jù)與原始實物對比，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)測的需求。

表4 精度偏差統(tǒng)計表

3 結(jié)論

在“綠水青山就是金山銀山”的綠色口號下，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，各工程建設(shè)手段也將在大趨勢下進行升級革新。利用當下市場熱門的無人機和三維傾斜技術(shù)，結(jié)合先進的無人機貼近飛行思路和飛行技術(shù)對宋崗碼頭邊坡進行了實驗性數(shù)據(jù)采集、處理和分析。通過數(shù)據(jù)結(jié)果上看，此次實驗充分證實了將無人機貼近攝影測量技術(shù)運用在邊坡監(jiān)測的精度是足以滿足監(jiān)測需求的。此方法改善了傳統(tǒng)監(jiān)測手段的弊端，降低了監(jiān)測成本，為后續(xù)完善利用無人機貼近攝影對整個邊坡進行監(jiān)測的流程奠定了基礎(chǔ)。

同時，此次實驗過程中也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處，比如無人機續(xù)航問題、滿足實時監(jiān)測的硬件(無人機停機坪)配套問題以及邊坡內(nèi)部滲漏無人機表面查看不到的問題。為更好完善利用無人機貼近攝影技術(shù)對工程邊坡安全進行監(jiān)測的要求，后期將對出現(xiàn)的短缺問題進行更深度的研究。