UAV及Smart3D整合技術在水利水電工程地質勘察中的應用

段建肖，廖立兵，肖 鵬，肖云華

（長江三峽勘測研究院有限公司（武漢），湖北 武漢 430074）

1 研究背景

隨著西部大開發戰略的深入實施，我國水利水電工程建設多集中于西南高山峽谷區，山高路險，交通不便，許多重要地質現象無法抵近進行實地觀察和調查，不能滿足地質測繪“上山到頂，下溝到底”的工作準則；即便能夠開展調查的區域也難度巨大或存在安全隱患，高陡邊坡、危巖體、崩塌體等地質災害存在“難接近、摸不著、看不到”的技術屏障，繼而無法查明其巖體工程地質條件，特別是對巖體穩定有重要影響的結構面，其穩定問題難下結論；常規地質編錄中忽略和遺漏短小結構面等地質信息，對規模巨大和條件復雜的大型洞室或高邊坡穩定具有重要影響，由于開挖面及支護后不可再現，忽略和遺漏地質信息埋下安全隱患，因此如何再現現場所有地質現象是解決這一問題的關鍵所在。

UAV和Smart3D的整合技術有效解決了上述問題。UAV是無人駕駛飛機的英文縮寫（UnmannedAerialVehicle簡稱無人機）。利用輕型 UAV載2000萬以上像素的數碼相機，可快速獲取高分辯率影像；三維建模軟件的發展，尤其是Smart3D軟件，可以通過簡單的照片運算生成基于真實影像的超高密度點云，并以此生成基于真實影像紋理的高分辨率實景真三維模型。在此基礎上進行地質分析，完成水利水電工程高陡邊坡、危巖體等地層巖性、結構面產狀及寬度的識別，極大地提高高山峽谷區復雜地質條件下工程地質勘察的效率和精度。

本文對無人機及Smart3D整合技術的基本原理和工作步驟進行了介紹，提出快速可視化工程地質勘察新思路，并應用到工程實踐中，獲取高山峽谷真實的三維實景模型進行地質分析，取得關鍵地表地質信息，并生成供工程應用的 DOM、DEM、DSM等圖件，為水利水電工程地質勘察提供了新的工作方法與研究思路。

2 UAV及Smart3D整合技術簡介

2.1 UAV類型及技術特點

目前國內UAV技術發展飛速，UAV種類繁多，用途廣、特點鮮明，具有快速機動、操作簡單、使用成本低、危險性小、能獲取高分辨率影像數據等優點。按照其飛行原理主要分為固定翼UAV和旋翼UAV兩大類型。

固定翼UAV發展成熟，因其飛行時間長，距離遠，適合大范圍壩址比選、庫區地質災害調查、高陡邊坡及危巖體、滑坡穩定性調查等較大范圍的勘察工作，能解決大范圍影像獲取的問題，尤其是高山峽谷、高寒地區等人員難以抵近工作的區域，利用無人機搭載數碼相機可以快速獲取地質專業所需的地表信息，以代替人工野外作業，但其對飛行空間、飛行高度、起降場地有一定要求，不適合在地形復雜、地勢陡峭、回旋余地小的山地、谷地貼近地表飛行，獲得照片清晰度有限；旋翼UAV起步雖晚，近年發展迅速，擁有垂直起降、控制靈活、定點拍攝等特點，可以抵近拍照，適于復雜地形的地貌勘察，但其受電池續航能力、搭載重量小等因素影響，應用范圍有限，可多應用于施工階段小范圍的地質勘察、地質編錄等。

2.2 Smart3D技術原理

Smart3DCapture，是基于傾斜攝影影像快速自動構建地表三維模型的技術。利用Smart3D建模軟件將照片建模，這里所說的照片不僅僅是通過UAV拍攝的傾斜攝影數據，還可以是單反相機甚至是手機以一定重疊度拍攝而來，這些照片導入到Smart3DCapture建模軟件中，通過計算機圖形計算，結合POS信息空三處理，生成點云構成格網，格網結合照片生成賦有紋理的三維模型。

2.3 UAV及Smart3D整合技術原理

綜上所述，UAV及Smart3D整合技術基本原理與航拍技術相同。利用輕型UAV搭載數臺或一臺數碼相機，從垂直、傾斜等不同角度采集清晰度高及重疊度足夠（航向重疊度不小于70%，旁向重疊度不小于60%）的照片；布設像片控制點，利用Smart3D軟件，結合POS信息進行空三處理，生成點云，構成格網，格網結合照片生成具有紋理的、帶真實坐標的、與原型基本一致的、附一切基本幾何特征的地形地貌模型，從而在模型中對地質體的幾何尺寸、空間坐標、巖體結構面特征進行地質判別分析工作，獲取人員難以到達的復雜地形處的地表地質信息。

利用UAV拍攝和SmArt3D技術，對于水利水電工程，從工程地質勘察到施工地質編錄各個階段地質信息的采集，使水利水電工程地質勘察工作達到快速、準確及全程可視化。具體流程為：測區資料收集→規劃航線→布設測量控制點→UAV拍攝→Smart3D技術合成→三維建模→地質分析→綜合應用，流程圖如圖1所示。

圖1 快速可視化工程地質勘察工作流程

（1）UAV航拍

確定測區范圍，收集測區影像、基礎控制點資料及相關的地形圖、交通圖、行政區劃圖等各種地圖資料，按照實際需要的地面分辨率規劃航行路線，進行實地拍攝。

（2）測量控制

航拍前布設像片控制點，像控點應在已有的地形圖或影像資料上選點布設并現場調整。像控點應選擇開闊易于判讀的地方，用油漆畫出顯著的十字標記。布設密度根據測圖比例尺及現場環境而定，并布設一定密度的檢查點。每個點位均拍攝含有參照物的照片。

（3）Smart3D三維影像建模

將航拍照片導入Sart3D軟件，像片控制點采用電子刺點方式，結合POS信息進行空三處理，生成點云，構成格網，結合照片生成賦有紋理的三維實景模型。

經過Smart3D軟件處理的照片，可輸出包括數字表面模型（DSM）、數字高程模型（DEM）、正射影像（DOM）、三維影像圖、三維地表模型等二維、三維可視化數據。

（4）地質判別分析

在真實、清晰的三維實景模型上進行工程地質勘察工作，提取產狀相關的點的坐標和高程計算地質產狀，識別地質體邊界，根據長大節理面、構造面以及地表裂縫等產狀信息推測其空間走向及展布情況等。

（5）綜合應用

結合現場地質調查、地質勘探等資料，構建研究區三維地質模型，為設計專業提供地質依據。

3 工程應用實例

UAV及Smart3D整合技術應用在水利水電工程地質勘察上具有很大的優勢，是對傳統地質勘察有效的補充。從現階段設備的水平看，固定翼UAV一天至少可飛行100km；旋翼UAV可抵近拍照、定點拍照，在不同的勘察階段可根據要求及地形地貌特點，選擇不同種類的UAV。UAV飛行拍攝成果在Smart3D軟件中自動建模，快速完成大型滑坡、崩塌等不良地質體的識別以及斷層、巖層產狀等構造情況的勘察工作，且成果直觀、立體。

3.1 金沙江旭龍水電站壩址區高邊坡工程地質勘察

旭龍水電站位于金沙江上游，壩址區河段為深切的”V”型谷，臨江高差多在1000m以上；河谷狹窄，谷底寬一般為60～80m。河谷兩岸地形對稱性好，兩側為高聳的走向與金沙江流向基本一致的多級山脊，第一級山脊分水嶺高程在4000m以上，總高差達1850m。岸坡陡峻，特別是高程2150～2500m段兩岸岸坡坡角一般為50°～60°，局部近直立，高程2500m以上坡段岸坡稍緩，坡角一般30～40°，大量的坡體表面是人力難以調查踏勘的，而采用UAV及Smart3D整合技術進行可視化工程地質勘察。

在研究區設定35個控制點進行實測，利用固定翼UAV搭載數碼相機，分別于2647m、2797m、2950m、3100m高度拍攝，共拍攝照片1205張；選用35mm鏡頭拍攝的1157張數碼照片，以其中20個實測點坐標構建出三維網格，快速生成高清三維影像圖，如圖2所示，其余36個點作為檢核點進行對比，平面誤差及高程誤差分布，如圖3所示。

圖2 旭龍水電站壩址區三維影像模型地質分析

圖3 旭龍水電站壩址區控制點位置以及模型誤差

由圖3可看出，smart3D生成的模型中檢核點的平面誤差的最大值為0.18m，最小值為0.01m，平均值為0.006m，標準差為±0.055m；高程誤差的最大值為0.25m，最小值為-0.14m，平均值為0.008m，標準差為±0.065m。模型精度達到厘米級，滿足工程要求。

從圖2右可以清晰判讀堆積體、危巖體的界線以及不同地層巖性的分界線，成果立體、直觀、清晰。結合現場地質調查、勘探平洞及鉆孔資料，快速構建壩址區三維地質模型，如圖4所示。

圖4 旭龍水電站壩址區三維地質BIM建模

UAV及Smart3D整合技術在較大范圍工程地質勘察中的優勢主要為：勘察效率高；降低不良地質現象的錯漏；對地層界限、不良地質體邊界有較好的輔助測繪作用。

3.2 金沙江烏東德水電站庫區早谷田危巖體地質調查

早谷田危巖體位于金沙江左岸，下距壩址46.1km。該危巖體分布高程882～1750m，高差達800余m，且地形破碎，山崖陡峭，倒坡、陡崖、裂縫、深溝等地表很多區域人員難以到達，有些關鍵地質信息常規測繪手段無法獲得。

利用UAV及Smart3D整合技術，生成早谷田危巖體三維模型，在模型中進行了結構面產狀、尺寸、延伸等的勘測，得到危巖體準確幾何、空間特征和地質特征，如圖5所示。

圖5 早谷田危巖體三維地質建模

結合現場調查及坡腳的平洞、鉆孔等勘探信息，構建早谷田危巖體三維地質模型，從而對危巖體的失穩概率、危險塊體的方量進行準確計算，如圖6所示。量化后的數據可以為處理措施、支護設計提供準確的參數。

UAV及Smart3D整合技術在危巖體、滑坡勘察的優勢體現在：效率高，可快速形成三維模型進行判斷；精度高，可對任意危巖體進行空間尺寸及結構面產狀測量；地質人員勘察風險小，無需攀爬陡坡、深溝。

圖6 危巖體上部危險塊體方量計算

圖7 烏東德壩肩邊坡三維實景模型

圖8 烏東德水電站河床壩基巖體質量工程地質展示圖

3.3 烏東德水電站壩肩高邊坡開挖施工地質編錄

烏東德大壩所在部位左、右兩岸工程邊坡開口線頂部高程分別為1162m、1146m，至纜機平臺，左岸高程1056.75m，右岸高程1055.30m，高約100m段為纜機平臺邊坡；纜機平臺以下至河床建基面高程718m為大壩邊坡，其中高程987.65m設壩頂平臺，高程987.65～718m高約270m段為壩肩邊坡。邊坡高陡，施工工期緊張，施工地質工作壓力較大。兩岸高邊坡開挖期間，每開挖一個高程段，現場地質人員及時利用旋翼UAV近距離拍攝數碼照片，實測測量控制點，再利用Smart3D軟件生成高清三維影像，快速高效地完成三維地質編錄。壩肩高邊坡開挖歷時19個月，實施UAV近距離拍照289架次，獲取照片約17500張，最終生成完整的大壩建基面真三維影像圖，如圖7所示。以此為背景快速完成了施工地質編錄，面積達11880m2（1∶100），形成了高清影像線劃地質展示圖，如圖8所示，實測誤差在5cm以內。

該方法所成地質影像線劃圖真實，客觀的再現了開挖面所揭露的地質現象，資料便于永久保存和綜合利用，如關鍵塊體搜索及分析、結構面起伏度、規模、產狀、密度、排列及微觀特征研究、巖體結構和圍巖類型的劃分和統計，還可用于精確三維地質建模等。

UAV及Smart3D整合技術在高邊坡（超大洞室）施工地質編錄的優勢主要體現在：效率高，可快速生成三維影像模型，減少現場工作時間，節約施工工期；精度高，相當于近距離觀察地質細觀部位，不會遺漏任何結構面；利用率高，可反復、多角度、可追溯觀察分析研究，大壩澆筑后仍可進行深入研究。

4 總結

利用UAV及Smart3D整合技術進行水利水電工程地質勘察，具有效率高、精度高、可追溯觀察分析、全程可視化等特點。通過UAV拍照、測量定位，快速將照片合成具真實三維坐標信息的高精度彩色三維影像，即三維實景模型，既有詳細準確的整體場景，又有局部放大的地質細觀信息的真實場景，方便獲取大量地表地質信息，解決了常規工程地質測繪人員難以抵達的難題，同時也為快速準確高效的三維地質建模提供了依據。

UAV及Smart3D整合技術是一種新型高效的地質測繪手段，在地質勘察獲取地表地質信息方面取得了重大突破，顛覆了傳統地質測繪方式，是地質測繪的革命性的創新，也將帶動工程地質勘察技術實現質的飛躍。

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