無人機傾斜攝影測量在雙江口水電站地質隱患分析中的應用

王 萬 千, 吳 先 俊， 郭 成

(1.國能大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都 610041；2.四川大渡河雙江口水電開發有限公司，四川 馬爾康 624099)

1 概 述

雙江口水電站作為大渡河干流規劃中的第5級水電站，位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康市的金川縣，大渡河上源河流足木足河與綽斯甲河匯口處以下約2 km河段，是大渡河流域水電梯級開發的上游控制性水庫工程。電站裝機容量200萬kW，土心墻堆石壩最大壩高312 m，居當前世界高壩第一位[1]，壩址控制流域面積約39 330 km2，占全流域面積的51%左右，多年平均流量524 m3/s。

水電工程作為一項基礎設施，帶來的巨大社會效益和經濟效益，對推動社會快速發展具有不可替代的作用，而工程問題的出現則是影響人民生活和社會經濟的重大問題。除了施工中可能發生的事故危害之外，地質問題所帶來的危害同樣會對水電工程的建設和運營產生重大的影響。在工程建設的各個重要階段中，正確地對地質隱患進行勘測和分析，具有非常重要的意義。雙江口水電站作為一等大(I)型工程，對地質條件及地質災害隱患處理要求極高。同時工程區域內地質條件復雜，傳統的地面地質調查方法在解決相關復雜的工程與地質問題時，存在精度與效率等方面的不足，因此，遠程勘測調查就顯得非常必要。

近些年，國內無人機航攝技術發展迅猛，為傳統的測量手段提供了有力的支持和補充。無人機擁有低成本、機動靈活、采集精度高、拍攝范圍大、響應速度快等優點，能夠快速高效地獲取高精度低空影像，使成果更具有現勢性[2,3]。在大型水電工程所處的高山峽谷地區，氣象條件復雜、多云多霧，無人機可以進行云下飛行拍攝，從而最大可能地保證影像獲取工作高效、準確地完成。

筆者以四川大渡河雙江口水電站地質隱患分析應用為例，運用無人機航空攝影測量技術，完成航空影像拍攝及相關成果制作，并基于航攝成果進行地質隱患解譯，通過與實地查勘成果進行對比分析，證明該方法在水電工程地質隱患分析方面具有很強的可行性和實用性。

2 地質隱患分析方案

基于無人機低空數字航攝技術，并采用POS輔助航攝，采集雙江口水電站施工區及庫區高清影像，同時開展基礎控制測量，制作完成DEM及DOM、三維實景模型等成果。利用GIS空間分析技術，計算坡度、坡向等專題信息，并開展地質災害遙感解譯，對庫區和施工區的地質災害區進行定性分析和定量分析，同時對解譯成果進行實地核查驗證，并完成相應的圖集制作，技術路線見圖1。

圖1 技術路線圖

3 無人機航空攝影

3.1 外業數據采集

(1)像控點測量。在雙江口水電站已有控制測量成果基礎上，采用實時動態測量(RTK)的方法進行像控點聯測。外業像控點測量時，采用數碼像機拍攝反映像控點點位和儀器架設情形的照片，以及反映點位附近地形地物的照片，制作相應的點之記文件，便于后期像控點判讀。

(2)航空影像采集。根據雙江口水電站施工布置及庫區范圍劃定航攝區域，范圍見圖2。航攝區整體最低點約2 300 m，最高點達3 900 m，測區附近山峰最高達4 200 m，大部分地區高差超過1 000 m。因此起降場地的選取較困難，航線的設計較為復雜，飛行條件極為苛刻，故而難以保證影像數據質量[4]。

為滿足地質災害解譯基礎空間數據的精度需求，針對雙江口測區的實際情況，采用多臺無人機聯合作業，考慮到不同無人機平臺的參數差異，航線設計要求更為精細，而針對一些困難區域則需要采用自動飛行與人工操控相結合的采集方式，最終獲取到雙江口水電站施工區及庫區10 cm分辨率傾斜影像，部分重點區域5 cm分辨率傾斜影像。

圖2 雙江口水電站航攝范圍

3.2 內業數據處理

(1)空中三角測量。利用正射航空影像與像控點，在全數字攝影測量工作站上進行數字空中三角測量，經過相對定向、絕對定向和區域網平差，獲得加密點及檢查點的三維坐標和像片的外方位元素。

(2)DEM制作。采用全數字攝影測量工作站，導入空中三角測量加密成果，編輯生成數字高程模型。按照糾正航空影像投影差和傾斜誤差的需要，采集制作滿足相應精度的數字高程模型。

(3)DOM制作。利用已有的數字高程模型對獲取到的航空影像資料進行數字微分糾正，再對生成的單片影像進行勻光、鑲嵌、裁切，得到完整的正射影像成果。

(4)三維實景模型生成。利用傾斜航空影像與控制點，在專業的傾斜攝影建模軟件上，經過多視角影像的幾何校正、區域網聯合平差、傾斜影像匹配等處理流程，運算得到基于影像的超高密度點云，點云構成TIN模型，以此生成基于影像紋理的高分辨率傾斜影像三維實景模型[5]。

4 坡度圖坡向圖制作

坡度、坡向信息是地質隱患分析的重要地形因子，是評價地形的重要物理指標，其對于地表的物質流和能量的再分配起著重要作用，是分析水文的重要因素。基于GIS空間分析技術，從無人機航攝三維成果中提取坡度、坡向信息并制作專題圖，可輔助建立三維地質災害解譯標志。

4.1 坡度圖制作

坡度是指過地表任一點的切平面與水平面的夾角，描述地表面在該處的傾斜程度，不僅對斜坡內部的應力大小及分布狀態產生影響，還對斜坡外部的松散物質的堆積和保持坡體結構的穩定發揮作用[6]。坡度的大小形態是影響泥石流災害發生的因子之一，隨著坡度的由小到大的變化，導致重力在內的剪切力增大，從而轉換為較大的勢能推動斜坡外部的松散堆積物發生變化，進而破壞坡體的穩定性,因此也大幅度提高了滑坡、泥石流等地質災害發生的可能性。

筆者采用局部窗口法，利用無人機航攝成果DEM，在局部范圍(3×3窗口)內，通過數值微分法進行坡度的計算。坡度指的是表面從中心像元開始在水平 (dz/dx) 方向和垂直 (dz/dy) 方向上的變化率(增量)[7]。其計算方法如下。

slopedegrees=

(1)

根據計算的坡度值大小將其分為0°～15°、15°～30°、30°～45°、45°～60°和60°～90°共5類，制作庫區坡度因素狀態分級見圖3。

圖3 庫區坡度因素狀態分級圖

4.2 坡向圖制作

坡向指地表任一點切平面的法線在水平面的投影與過該點的正北方向的夾角。坡向可簡單地分為陽坡和陰坡，不同的坡向會因為光照強弱的不同導致植物長勢不一，進而影響地質災害的發生概率。根據已有調查和研究資料顯示，坡向對坡體的滑坡發育狀況有一定的影響，其主要體現在內外應力對坡體的作用，即區域構造控制了水熱條件，使自然地理諸要素有規律性分異，從而控制滑坡的發育方向[8]。

利用無人機航攝成果DEM，在局部范圍(3×3窗口)內進行坡向的計算。坡向計算方法如下。

(2)

式中p是x方向高程變化率；q是y方向高程變化率。根據坡向方位角差異可將坡向分等級:東、南、西、北、東北、東南、西北、西南及平面(無坡向)9個坡向，制作庫區坡向因素狀態分級見圖4。

圖4 庫區坡向因素狀態分級圖

5 地質隱患解譯

5.1 解譯標志建立

地質災害是指因為崩塌、滑坡、泥石流、地裂縫、水土流失等自然或人為因素作用下導致的地質活動及環境的異常變化引起的地質現象[9]。筆者主要通過調查滑坡及泥石流的地質特征、穩定狀態及發展趨勢，進行地質災害的危險性評估，從而對地質災害的有效防治提供參考。

(1)滑坡隱患解譯標志。滑坡是由于水、重力和人為等因素使斜坡上土體和巖體失去平衡而發生的不良地質現象,具有明顯的地貌特征，可通過三維實景建模技術有效識別其地形地貌、活動構造、滑坡壁、滑坡臺階、坡度及剖面形態。在三維實景模型上，滑坡較背景環境具有便于識別的形態、色調及紋理特征，其結構松散，呈相對淺色調。坡頂上部多呈環狀坡形，紋理細膩，地形陡峭；坡面中部地形平緩，幾乎無植被覆蓋[10]；坡面下部紋理粗糙，地勢陡峭，且絕大多數情況沒有設置擋護設備。參考現有地質相關資料表明，易產生滑坡的地形通常具有固體物的堆放坡度大于10°，小于45°，并且部分地段下墊地層的產狀有向下方傾斜的特點，當遇到強降雨、地震等情況時發生滑坡可能性較大[11]，見圖5。

圖5 滑坡隱患區

(2)泥石流隱患解譯標志。泥石流大多形成于斜坡上或溝谷中等地形險峻的地區，由于強降雨降雪等自然災害造成了的山體滑坡形成含有大量泥沙以及石塊的固液相特殊流體。通過無人機航空影像反映的地貌特點，通常能大致區分出泥石流溝的形成區、流通區和堆積區。但誘發泥石流溝形成的因素很復雜，不僅要滿足固體物源、地形和水源條件，人類工程經濟活動也會造成泥石流的發生。因此調查清楚泥石流發育的成因能更有效地輔助識別泥石流[12]。根據已有影像及研究資料得知，泥石流初始啟動段溝谷坡度一般大于25°，有利于泥石流形成和傾瀉，溝底坡度則較為平緩，一般在10°以上，利于被攜帶的泥沙、石塊等固體的堆積，表現為泥石流扇形突起。泥石流形成區一般位于流域上游，多呈漏斗狀、勺狀、橢圓狀，環山谷分布，通常具有巖體結構松散，紋理較為細膩，植被覆蓋度較低的特點。因此通過影像若能明顯辨別出形成區、流通區、堆積區，流域呈扇形且面積較大的溝谷，則較大概率發生泥石流(圖6)。

圖6 泥石流隱患區

5.2 地質隱患解譯

基于坡度圖、坡向圖及三維實景模型，通過目視解譯提取地質隱患區域，部分隱患區域的模型俯視及正視圖見圖7-12，針對以上地質隱患區域解譯成果，進行現場抽查驗證。

(a)俯視圖 (b)立視圖

針對以上解譯成果，進行相應區域的地質隱患分析，結果見表1。

表1 地質隱患區域分析

(a)俯視圖 (b)立視圖圖8 地質隱患區域二

(a)俯視圖 (b)立視圖圖10 地質隱患區域六

(a)俯視圖 (b)立視圖圖11 地質隱患區域八

(a)俯視圖

根據地質隱患解譯成果制作庫區地質隱患區專題圖見圖13。

圖13 庫區地質隱患區專題圖

6 結 語

四川大渡河雙江口水電站施工區與庫區地形地貌數字航攝測量服務項目為背景，利用無人機航空攝影技術獲取高分辨率影像，制作DEM、DOM及三維實景模型，并計算制作出施工區坡度圖、坡向圖。同時結合基于三維的地質災害解譯方法，提取出地質隱患區域。經實地勘測，地質隱患分析提取成果與實際情況符合，驗證了該方法的有效性。通過研究，證明三維空間數據在滑坡地質災害應用分析中發揮重要作用，利用DEM數據可以幫助計算關鍵點位的高程、距離、坡度、坡向等信息，分析災害發生的潛在區域和成因。利用三維實景模型可建立三維地質隱患解譯標志，并通過交互式目視解譯的方式，更為精確地解譯地質隱患成果。

針對雙江口地質災害隱患進行研究，采用三維目視解譯的技術方法，研究范圍相對狹窄，針對性更強，在通用性的地質災害自動提取信息方面比較薄弱，未來應深入研究。同時應充分利用無人機航空攝影測量技術，搭載除可見光相機外的多種傳感器，如激光雷達、多光譜相機等，能夠采集更為精確和豐富的地表高程信息和光譜信息，并結合大數據分析結果，為水利工程地質隱患分析與監測帶來更廣闊的可能性。