無人機技術在水利工程高邊坡危巖調查中的應用

程 琦

(塔城地區水利水電勘察設計院，新疆 塔城 834700)

1 無人機遙感技術

1.1 無人機遙感系統

無人機遙感系統是指以UAV為飛行平臺，以高分辨率數碼相機為主要載荷，飛行高度在幾千米以內，能夠對地面連續攝影獲取影像數據的無人航空測量方式。無人機遙感系統可分為3個部分：空中部分、地面部分和數據后處理部分(圖1)。空中部分主要功能是將規劃航線上傳到飛行平臺的控制器上并對無人機的飛行狀態進行實時監控，包括無人機平臺、遙感傳感器系統和無人機控制系統。地面部分主要是進行航線規劃、參數設置、數據傳輸等工作，確保對飛行和航攝過程進行精確控制，包括航線規劃系統，無人機地面控制系統和數據接收顯示系統。數據后處理部分作用是對獲得的原始影像數據進行處理，以此提取所需信息，包括影像數據預處理和數據成果處理。

圖1 無人機遙感系統圖

通過在飛行器上搭載一臺或多臺高分辨率相機，無人機具有垂直攝影和傾斜攝影兩種功能，不僅能夠豎直拍攝獲取平面影像，還能獲取超低空多角度影像，可以真實地反映出地物的側面詳細輪廓及紋理信息，以達到三維實景模型構建要求。無人機遙感系統具有機動性強、自動化程度高、超低空飛行的特點，是一個可多角度快速獲取高分辨率遙感影像的航攝平臺。

1.2 無人機攝影測量流程

無人機航拍攝影測量分為外業工作和內業工作兩個部分，主要由影像數據獲取、影像數據處理和成果分析3個階段組成。其中，影像數據獲取屬于外業工作，包括前期資料收集、現場定點勘查、像控點布設、航線規劃和無人機航拍等；影像數據處理和成果分析屬于內業工作，影像數據處理包括影像畸變校正、勻色勻光、結合像控點坐標進行空中三角計算獲得密集點云數據，生成數字正射模型(DSM)、數字高程模型(DEM)和三維實景模型等。成果分析主要為應用三維模型對地質災害進行遙感解譯，通過獲取的災害體地質數據，建立地質災害空間屬性數據庫。無人機攝影測量流程如圖2所示。

圖2 無人機攝影測量流程圖

2 結構面產狀測量

危巖的變形破壞主要受結構面控制。傳統的巖體結構面信息獲取方式主要靠調查人員近距離接觸巖體進行測量，工作效率低，且對于山區水利工程高邊坡來說險惡的地形環境也帶來了極大的困難。而無人機攝影測量能夠獲得調查區的密集點云數據，在這些點云數據中，地質體被抽象為數以千萬記的三維坐標點，其空間幾何特征信息賦存其中。巖體結構面作為具有一定起伏度的“面”，在一定區域內可以將其看作是一個平面。對于出露幾何形狀明顯的巖體結構面，通過在三維點云數據模型中提取結構面特征點，可以擬合出這個平面，而這個平面又對應著明確且唯一的平面方程，利用計算轉換即可快速獲取巖體結構面產狀參數。

設結構面擬合平面的方程如式(1)所示：

Z=AX+BY+C

(1)

通過選取平面上不共線的任意n(n≥3)個特征點，采用最小二乘算法進行解算，即可求得結構面擬合平面方程如式(2)所示：

(2)

通過結構面產狀與平面方程參數的對應關系[5]，根據轉換公式，對傾向α與傾角β進行量化計算如式(3)～式(5)所示：

(3)

(4)

式中：

當A>0時，α=α0+π

3 工程實例

以西北某水電站出線場邊坡為例，該邊坡屬于典型的“V”型高山峽谷地貌，谷底狹窄，河流常水位高程約為1330 m，兩岸邊坡陡峭，形成了一系列陡壁，坡度可達50°～80°，邊坡高程在 3000 m 以上，地層巖性為三疊系鹽塘組(T2y4)灰綠色條帶狀云母大理巖。受河谷演化特征影響，邊坡淺表層巖體風化強烈，節理裂隙發育。在持續強降雨作用下，該邊坡上部曾發生過落石災害，崩塌塊石越過下方被動網，砸入到坡腳處的出線場內，造成了極大的安全風險，需要對該區域危巖進行地質調查，為水利工程防護提供依據。

本次飛行采用五鏡頭的大疆M600Pro多旋翼無人機對研究區域進行航拍工作，所采用的無人機和相機主要參數如表1所示。飛行區域面積約為0.53 km2。由于該邊坡區域山高坡陡，地形高差非常大，為了確保影像后期能夠順利進行三維模型構建，按照航向85%和旁向80%進行重疊度布設。航跡圖如圖3所示。整個飛行任務共進行了2個架次，通過無人機航拍，共獲得約2800幅影像，其影像地面分辨率達0.05 m。

表1 無人機及相機主要參數

圖3 邊坡航跡圖

地質災害作為一種不良地質現象，在遙感影像上會與周圍環境在形態、色調等方面呈現出明顯的差別[6]。因此，可對研究區內危巖進行遙感解譯，查明其地質特征。根據建立的出線場邊坡三維實景模型，分析可知，該危巖體所在高程約1930 m，坡度約36°，距離下方出線場高560 m。危巖體受外界環境影響失穩破壞沿坡表滾落，原位置處顯露出白色巖層面，表面較平直光滑，與四周呈灰黑色的巖層表面形成明顯的對比。以出露的新鮮巖面為邊界，測量危巖體原始體積，計算求得體積為11.7 m3。根據出露巖層面分析，該危巖主要受陡傾坡內的后緣結構面和緩傾坡外的底部結構面兩組近于正交的結構面控制。危巖體失穩演化過程為：在強降雨作用下，危巖體主控結構面裂隙被大量雨水滲入，結構面巖體軟化，巖體抗拉強度降低。同時，降雨入滲又導致裂隙內形成靜水壓力，進一步加大了巖體拉應力，巖體裂隙被逐漸拉裂擴大。最終當拉應力超過巖體抗拉強度時，結構面裂隙貫通，巖體發生失穩破壞，沿基底開始滑落滾動。而在落石運動過程中，由于與坡表發生多次碰撞，不斷有碎裂塊石從落石身上脫落，在圖上呈現出一條明顯的運動軌跡。落石繼續滾動至邊坡下方時，與被動網發生劇烈撞擊，由于落石動能較大，落石自身發生碎裂，被動網也被嚴重損壞，部分碎裂塊石落在被動網內，也有部分落石借撞擊時產生的反彈力越過被動網，繼續向下運動，沿著陡壁自由墜落，最終砸入江邊的出線場內，破碎成多塊。

根據研究區的三維點云模型，通過選取危巖體主控結構面上的特征點，采用上述方法，對危巖體主控結構面產狀進行測量。

得到結構面擬合平面方程如式(5)、式(6)所示：

J1：-0.02X+0.75Y+47.67=Z

(5)

J2：1.3X-3.31Y+75.96=Z

(6)

再根據轉化公式，計算得到危巖兩組主控結構面產狀分別為J1：271°∠37°，J2：111°∠74°，與后期復核調查現場實測結果對比，結構面產狀誤差<5°，能夠滿足地質勘查要求。因此，可認為基于無人機攝影測量技術的結構面產狀計算是可靠的。

4 結 論

(1)總結了無人機在水利工程高邊坡危巖調查中的技術流程，主要分為外業工作和內業工作兩個部分，由影像數據獲取、影像數據處理和成果分析3個階段組成。驗證了無人機攝影測量技術應用于高邊坡危巖調查中的可行性。

(2)通過對構建的研究區三維實景模型進行遙感解譯，分析可知該落石點高程約1930 m，距離下方出線場高560 m，失穩破壞的危巖原始體積為11.7 m3。危巖主要受陡傾坡內的后緣結構面和緩傾坡外的底部結構面兩組近于正交的結構面控制。

(3)基于研究區三維點云數據，通過提取結構面上的特征點，利用最小二乘法進行計算，得到危巖兩組主控結構面產狀分別為：271°∠37°、111°∠74°。與現場復核結果相比，結構面產狀誤差<5°，該方法具有可靠性和高效性。