無人機技術在水電工程施工地質中的應用研究

呂超　張鵬　何俊瀾　周鵬

【摘 要】文章以廣西在建的水電工程為背景，介紹使用“大疆精靈”Phantom 4 RTK多旋翼單鏡頭無人機，通過運用航拍及傾斜攝影技術，結合ContextCapture等軟件對施工現場進行三維實景建模，提取巖層產狀、節理裂隙、空間幾何參數等，并對比傳統施工地質編錄成果，對無人機在水利水電工程施工地質中的運用進行分析和展望。

【關鍵詞】無人機;施工地質;三維實景建模;正射影像;地質數據提取

【中圖分類號】P631;V279 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）08-0068-02

0 前言

無人機起源于1917年，經過多年發展，輕型無人機在遠程遙控、續航時間、飛行品質上有了明顯的提高。無人機在水利水電工程中的應用，符合工程信息化、工業化和智能化的發展趨勢。RTK與無人機攝影技術的結合可以通過對飛行參數的修正等獲得精度更高的測量數據，具有可視化功能，在水利水電施工現場進行飛行及數據采集工作，通過對帶有定位信息的高清相片進行空間三角測量解算，對開挖的基坑進行三維實景建模，地質人員在后期處理軟件中可通過判識，對基坑和邊坡的巖體幾何參數進行測量、計算，得到巖層和節理裂隙的產狀。

1 無人機攝影系統

“大疆精靈”Phantom 4 RTK多旋翼單鏡頭無人機主要由空中飛行和地面控制兩個部分組成?？罩酗w行部分包括無人飛行器、云臺和攝影設備;地面控制部分包括地面控制器、數字圖像顯和飛行控制系統（如圖1所示）。

無人機攝影過程中，飛行的相關參數會影響到結果的準確性，這就要求在無人機攝影過程中，科學設計無人機飛行的相關參數，以保證數據采集的精確性與有效性;而無人機攝影技術與RTK技術的結合，可以保證無人機獲取更為準確的位置信息，使無人機按照預先設定的航線飛行。無人機攝影與 RTK技術的結合使GPS與相機曝光同時進行，獲得的相應數據經過必要的處理以后，能直接得到像片的6個外方位元素，建立各個相片之間的位置關系，為空中三角測量提供了便利。

2 數據采集

2019年11月采用無人機為“大疆精靈”Phantom 4 RTK多旋翼單鏡頭無人機，利用攝影測量3D（五向飛行）規劃航線（如圖2所示），對一期圍堰內的工程區開展了無人機航拍工作。航向重疊度為85%、旁向重疊度為65%，控制點盡量均勻分布于整個航測區。通過無人機搭載的高分辨率數碼相機，獲得了超低空遙感影像共922張，并通過RTK同步采集野外布設的控制點坐標數據。

3 三維實景建模

數據處理主要包括畸變差改正、空中三角測量、3D實景視圖、正射影像等內容。本次采用ContextCapture軟件對無人機航拍獲得的數字影像進行畸變差改正，并利用RTK 采集的控制點坐標數據進行空中三角測量，在完成空中三角測量之后，可生成3D實景視圖（如圖3所示）和正射影像。

4 地質數據提取

獲取地質數據有多種方法，具體如下。

（1）在所生成的施工地質三維實景模型中，每個點的數據都具有計算得到的三維坐標，可以借助三維模型數據，利用ployworks3D模型測量軟件對巖體的多種幾何特征進行測量，例如距離（水平、垂向、兩點間、任意方向）、角度（水平、垂向、任意）、半徑及方位角等。

（2）直接在三維模型中測量任意點的坐標（如圖4所示）和兩點間距離、高差（如圖5所示）等，通過簡單計算獲得傾角。把生成的正射影像直接插入CAD軟件，在其中量取巖層及裂隙走向和傾向（如圖6所示），從而獲得其產狀、巖層厚度、節理裂隙間距、裂隙延伸長度等地質數據。

可以在三維實景模型上量取巖層傾向上的兩點間距（L）和高差（H），通過公式A=asin（H/L），計算獲得傾角A。

如圖5所示，傾角A=asin（H/L）=asin（0.75/1.57）=25.4°。

將生成的正射影像直接插入CAD軟件，按照巖層畫出走向，垂直走向畫出傾向，然后就可以標注出其夾角，從而提出巖層的走向和傾向。圖6巖層走向為N42°E，傾向為S42°E。

其他地質要素也都可以相應地在三維實景模型和正射影像中提取出數據。

（3）利用結構面內不在同一條直線上的3點坐標計算結構面產狀。使用無人機拍攝高分辨率的結構面露頭，進行三維重建后，提取結構面的精確數據，然后在平面上選取不在同一條直線上的3個特征點，通過3個特征點的三維坐標換算出結構面的產狀。

結構面上提取不共線的3個點坐標P1（x1，y1，z1）、P2（x2，y2，z2）、P3（x3，y3，z3），則結構面的法向量■計算如下：

■=p1p2×p1p3= i? ? ? j? ? ?kx2-x1 y2-y1 z2-z1x3-x1 y3-y1 z3-z1=ai+bj+ck=（a，b，c）

a=（y2-y1）×（z3-z1）-（y3-y1）×（z2-z1）

b=（z2-z1）×（x3-x1）-（z3-z1）×（x2-x1）

c=（x2-x1）×（y3-y1）-（x3-x1）×（y2-y1）

結構面的單位法向量■（nx，ny，nz）計算如下：

nx=■ny=■n2=■

單位法向量■（nx，ny，nz）與Z軸的夾角即為結構面的傾角A計算如下：

A=arccos■，因為■=1，所以A=arccos[n2 ]

計算結構面的傾向需要確定結構面單位法向量■在XY平面的投影n'所在的象限，具體計算如下：

（1）當n2>0時，

α=arccos■（nx>0，n'在？譹？訛、？譺？訛象限）2π-arccos■（nx<0，n'在？譻？訛、？譼？訛象限）

（2）當n2<0時，

α=arccos■（nx<0，n'在？譻？訛、？譼？訛象限）2π-arccos■（nx>0，n'在？譹？訛、？譺？訛象限）

（3）當nz>0時，表示結構面直立，傾角為90°，傾向不存在，產狀用走向表示。

5 結語

相對于水電工程傳統施工地質編錄來說，無人機攝影和三維實景模型技術是更加先進的方法，可以快速創建地質信息交流環境，提高地質編錄的效率，降低地質信息采集不完整及數據信息丟失的可能性，可以有效地幫助地質工作者分析地質特征。在已知結構面的基礎上，預測未知結構面的位置和方向，并采集地質空間位置數據，為研究大型地質體提供三維參數，同時對問題部位的處理、基礎資料的保存都具有重要意義。

參 考 文 獻

[1]羅繼勇，呂超，魏宇，等.廣西桂平航運樞紐水電站擴機工程勘測設計報告[R].南寧：廣西壯族自治區水利電力勘測設計研究院，2018：78-112.

[2]同濟大學數學系.工程數學線性代數[M].北京：高等教育出版社，2014：67-83.

[3]彭土標，袁新建，王惠明，等.水力發電工程地質手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2011：373-392.