傾斜攝影在基巖水庫地質(zhì)編錄中的應(yīng)用

熊 奇

（河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，鄭州450016）

傾斜攝影測量技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新興、熱門技術(shù)，它融合了正射和傾斜影像，通過在同一飛行平臺(tái)搭載多臺(tái)傳感器（目前常用的是五鏡頭相機(jī)），同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。傾斜攝影測量有別于傳統(tǒng)的垂直航空攝影， 它能從多個(gè)角度觀察地物，能反映地物真實(shí)情況［1］。 本文以河南省三門峽大石澗水庫施工地質(zhì)編錄為例， 采用傾斜攝影測量技術(shù)對(duì)水庫壩址區(qū)施工開挖面進(jìn)行三維實(shí)景建模，并以此模型，獲取場區(qū)地質(zhì)體幾何更精細(xì)的尺寸、結(jié)構(gòu)面特征等參數(shù)，為基巖水庫地質(zhì)編錄提供一種安全高效的方法。

1 傾斜攝影測量系統(tǒng)組成簡介

傾斜攝影測量系統(tǒng)主要由飛行系統(tǒng)、 地面控制系統(tǒng)和后期數(shù)據(jù)處理三大部分組成。 其中飛行系統(tǒng)包括飛機(jī)平臺(tái)（包括小型飛機(jī)或無人機(jī)）、航拍傳感器系統(tǒng)（包括五鏡頭相機(jī)、GPS定位裝置和姿態(tài)定位系統(tǒng)）、 飛機(jī)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸與解壓縮系統(tǒng)；地面控制系統(tǒng)包括航跡規(guī)劃系統(tǒng)、無人機(jī)地面控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)接收解壓縮與實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)； 后期數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括圖像拼接、幾何校正、信息提取與分析等處理系統(tǒng)［2］。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程簡介

大石澗水庫壩址區(qū)位于河南省三門峽市回春河上，河谷由南北向轉(zhuǎn)呈近東西走向。主河槽兩岸均為雄厚的中低山山體，山頂高程600～710m，兩岸岸坡陡峭，局部近直立。 河底高程552～560m，河谷呈較寬的“U”型，底寬80～130m。揭露基巖為中元古界熊耳群許組安山玢巖，開挖面為578～595m坡面，放坡約1∶0.5。

2.2 傾斜攝影測量航拍建模

2.2.1 影像獲取

為了準(zhǔn)確清晰地展現(xiàn)開挖面地質(zhì)體的長度、面積、產(chǎn)狀等特征，在航拍過程中無要求無人機(jī)低空飛行，根據(jù)現(xiàn)場地形起伏和保證安全的前提下，相對(duì)航高應(yīng)設(shè)定為20～50m、分辨率要求達(dá)0.5m以內(nèi)。

該次飛行采用垂直起降多旋翼無人機(jī)， 輕便靈活； 針對(duì)壩址區(qū)壩基的開挖現(xiàn)狀， 飛行高度設(shè)定約50m的低空免像控點(diǎn)飛行方式，分辨率0.2m，本次航拍采用一個(gè)架次完成了壩址區(qū)的影像拍攝。 飛行參數(shù)如表1。

表1 本次航攝飛行參數(shù)

2.2.2 影像處理及建模

基于攝影測量處理系統(tǒng)軟件對(duì)外夜航片進(jìn)行影像預(yù)處理、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、空中三角形測量、傾斜影像密集匹配、DSM點(diǎn)云生成、TIN構(gòu)建、紋理映射等操作，經(jīng)精度評(píng)定后，生成滿足精度需求帶有場區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)的三維坐標(biāo)的實(shí)景模型， 如圖1和圖2。

圖1 水庫壩基開挖面網(wǎng)格圖

圖2 水庫壩基開挖三維實(shí)景模型

2.3 基于實(shí)景模型進(jìn)行地質(zhì)編錄

2.3.1 地質(zhì)體坐標(biāo)、長度、面積的獲取

生成的實(shí)景模型具有真實(shí)的三維坐標(biāo)， 因此可通過三維分析軟件在實(shí)景模型上直接查詢各地質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)、長度、面積。

2.3.2 地質(zhì)體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的提取與計(jì)算

傳統(tǒng)的地質(zhì)編錄中是利用羅盤直接在地質(zhì)體面上進(jìn)行測定， 而在三維實(shí)景模型中獲取一個(gè)面的產(chǎn)狀需要獲取3個(gè)不共線點(diǎn)的坐標(biāo)， 根據(jù)此3個(gè)點(diǎn)代表的平面來確定目標(biāo)面的產(chǎn)狀。其數(shù)學(xué)模型如下：已知一個(gè)平面方程Ax+By+Cz+D=0， 式中：A，B，C，D為方程參數(shù)，A，B，C不同時(shí)為零。 如果能夠確定該平面上3個(gè)不在同一直線上的點(diǎn)的大地三維坐標(biāo)，就能夠聯(lián)立方程求得A，B，C的值。 平面的A，B，C能夠確定結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，根據(jù)以下公式分別確定走向、傾向、傾角。

傾向：若A＞0，B＞0，C＞0或者A＜0，B＜0，C＜0，傾向NE。

若A＞0，B＜0，C＜0或者A＜0，B＞0，C＞0，傾向NW。

若A＜0，B＜0，C＞0或者A＜0，B＜0，C＜0，傾向SE。

若A＞0，B＞0，C＜0或者A＞0，B＜0，C＞0，傾向SW。

2.3.3 開挖面編錄

根據(jù)三維實(shí)景模型的內(nèi)業(yè)判讀分析， 不僅能直接對(duì)開挖面的裂隙、層面、破裂面等進(jìn)行直接辨識(shí)，且能夠相比傳統(tǒng)的實(shí)測更全面、更整體地把握裂隙的發(fā)育特征規(guī)律。 本次開挖面的地質(zhì)編錄成果如圖3。

經(jīng)判讀統(tǒng)計(jì)，該段開挖面上共揭露4組高傾角節(jié)理裂隙及3條長大緩傾角裂隙。

4組高傾角節(jié)理裂隙分述如下，①組節(jié)理為近南北向，節(jié)理延伸大多1.0～2.0m，發(fā)育間距40～50cm，發(fā)育密度2條/m。 ②組節(jié)理沿北東向，延伸0.5～2.0m，裂隙縫寬約2mm，部分閉合，面較平直，發(fā)育間距20～30cm，發(fā)育密度2條/m；③組節(jié)理發(fā)育近東西向，延伸2.0～5.0m，發(fā)育間距40～70cm，發(fā)育密度3～7條/m。 ④組節(jié)理走向大多沿北西方向， 延伸1.0～2.0m， 間距40～60cm，發(fā)育密度3條/m。

圖3 水庫595～605m開挖面地質(zhì)編錄成果

長大緩傾角節(jié)理主要發(fā)育有3條，JH1位于603m高程處，走向15°，傾向SE，傾角10°， JH2位于601m高程處，走向315°，傾向NE，傾角15°，起伏差大， JH3位于593m高程處，走向0°，傾向E，傾角12°～15°。

2.3.4 成果對(duì)比

基于以上成果， 對(duì)采用傾斜攝影的編錄方法和傳統(tǒng)的編錄方法和進(jìn)行各方面對(duì)比分析：

（1）采用傾斜攝影的編錄方法對(duì)編錄范圍內(nèi)的地質(zhì)體整體特征判讀的更準(zhǔn)確。 傳統(tǒng)的編錄方法，現(xiàn)場編錄人員往往身處開挖面一個(gè)角落進(jìn)行編錄，范圍較大時(shí)，無法看到開挖面整體的狀況。 采用傾斜攝影的編錄方法， 能夠充分對(duì)整體結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況進(jìn)行分析，有效避免結(jié)構(gòu)面漏測，所獲取的結(jié)構(gòu)面更詳細(xì)。

（2） 采用傾斜攝影的編錄方法精度和可靠性更高。 傳統(tǒng)的皮尺+羅盤編錄方法，測量精讀和可靠性是不可控的，也不可能評(píng)定，而采用傾斜攝影測量編錄方法，在航拍影像內(nèi)業(yè)處理中，進(jìn)行了數(shù)據(jù)平差和精度評(píng)定，從而使整個(gè)模型精度可控，為模型投影、局部展視圖等提供了精度保證。

（3）采用傾斜攝影的編錄方法，僅需航拍外業(yè)和少量外業(yè)復(fù)核工作，以內(nèi)業(yè)工作為主，大大提高了效率，有效避免了外業(yè)攀爬過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

（4） 編錄地質(zhì)體的坐標(biāo)、長度、面積測量結(jié)果對(duì)比，兩種方法測量結(jié)果一致， 但由于開挖面的形狀不規(guī)性， 面積的測量在局部區(qū)域會(huì)稍有偏差， 必要時(shí)需對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測校核。

（5）地質(zhì)體的產(chǎn)狀測量，兩種方法測量結(jié)果基本一致， 但是對(duì)順直發(fā)育的高傾角結(jié)構(gòu)面， 系統(tǒng)無法準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)面上不在同一直線上的三個(gè)點(diǎn)， 會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)狀結(jié)果偏差較大，但差值整體均在10°以內(nèi)，所測成果可以利用。

（6） 采用傾斜攝影編錄方法中，對(duì)巖體堅(jiān)硬程度、結(jié)構(gòu)面張開度、 充填物及起伏差等特征無法準(zhǔn)確判別。 因此，在實(shí)際工作中，采用傾斜攝影編錄方法還需進(jìn)行少量外業(yè)補(bǔ)充和復(fù)核工作， 方能達(dá)到良好效果。

3 結(jié)語

基于傾斜攝影測量地質(zhì)編錄方法是可行的，它有別于傳統(tǒng)的編錄方法，能更全面、準(zhǔn)確地獲取巖體結(jié)構(gòu)面的特征，大大提高了安全性和效率，有極大的推廣前景。同時(shí)，該技術(shù)也可提供實(shí)時(shí)或開挖現(xiàn)場影像資料，有利于施工資料備份和管理。