無人機傾斜攝影測量在水庫大壩高邊坡清基開挖中的應用研究

鐘喬平，楊 燕，王 俊

(云南省紅河州水利水電勘察設計研究院，云南 紅河 661100)

1 概述

1.1 無人機傾斜攝影測量技術概述

無人機傾斜攝影測量技術[1]是測繪領域近年來新興的一項高新技術，利用該技術建立測區的三維立體影像，可真實反應測區地物的完整信息，精確獲取地面物體的三維坐標數據，為相關行業工程建設提供三維一體化的數據支撐。本文依據某水庫建設過程中大壩清基開挖的需求，結合工程實例，闡述無人機傾攝影測量技術在水庫大壩清基測量中的具體應用。

1.2 水庫大壩清基測量意義

在水利水電、基建、交通等工程建設領域，尤其是水利水電工程建設中，基本都會出現建設面進行清基開挖過程，在開挖過程中，需要面對判斷開挖邊坡穩定、開挖現狀地形圖測繪、開挖工程量計算、開挖基礎是否到位等問題，如何控制、監測邊坡開挖的穩定性，判斷清基是否到位，避免工程事故發生，減少工程損失，是工程建設部門急需解決的實際問題。在水庫大壩建設過程中，大壩清基開挖前后，對清基面進行現狀地形測繪，以獲取清基面地表三維數據，以便于對清基面進行監測、對清基工程量進行計算，以及對壩基進行全面的地質編錄測繪工作提供三維數據模型。實時獲取邊坡開挖治理的基礎數據，并在施工過程中進行監測與分析保證施工安全，是十分重要且必不可少的工作。本文通過對綠春縣干禾河水庫施工過程高邊坡清基開挖過程的測繪方法進行研究，以解決清基測繪中的技術難點。以此推廣新技術的應用。

2 項目概況及技術設計

2.1 工程概況

干禾河水庫位于云南省綠春縣大水溝鄉東南方向李仙江三級支流來蝦河中上游河段，距離綠春縣城99km。工程建設任務為：解決農業灌溉和人畜飲水。干禾河水庫是解決大水溝鄉灌溉用水供需矛盾的關鍵工程，同時具有削減洪峰、緩解來蝦河下游河道防洪壓力的作用。測區位于康藏“歹”字型構造體系中部東支的次一級構造：綠春似帚狀旋卷構造西側，區間北西—南東向的斷裂、褶皺較為發育。受其切割及擠壓的影響，地塊穩定性較差。因此，在工程建設過程中，特別是建基面清基開挖測量時存在重大安全隱患。

2.2 技術設計

2.2.1清基開挖測量的目的

(1)獲取清基面地表三維數據。

(2)通過清基土方量計算，為甲方、施工方實時提供土方量數據。

(3)為大壩清基地質編錄工作提供數據、圖片、模型的數據支撐。

(4)對清基開挖過程中邊坡的穩定程度進行分析，并做出有關的預報，為業主，施工方及監理提供預報數據，跟蹤和控制施工進度防止滑坡引起的危害。

2.2.2技術路線

本次以云南紅河在建的干禾河水庫工程為例，進行高邊坡清基開挖技術研究，基礎數據主要采用無人機傾斜攝影測量技術，獲取地面影像資料，通過計算機應用軟件建立開挖區域的三維模型，依據三維模型及時獲取開挖區域實景三維數據[2]，從而達到清基開挖測量的目的。作業技術流程如圖1所示。

圖1 作業技術流程圖

3 傾斜攝影實景三維模型的建立

3.1 外野航攝數據采集

3.1.1儀器準備

由于項目區位于山區，地勢變化較大，為滿足最后成果精度，依據項目所在區域的地貌特點，本項目采用飛馬E2000無人機傾斜攝影測量系統進行影像資料采集作業[3]。該無人機輕便小巧，采用模塊化設計，組裝十分便利，另外搭載配高精度差分GNSS板卡，可實現基于RTK/PPK合解算，提高實時位置采集精度，配合無人機管理軟件，可實現精準的跟隨地形飛行，保證影像分辨率的一致性，為三維模型的生產提供更高的可靠性。

3.1.2像控點的布測

為滿足空中三角測量的精度要求，航攝外業像控點按區域網布設，像控點均勻布設于測區，采用GNSS-RTK技術施測。作業時取3次測量結果的平均值作為最終成果，像控點成果見表1。

表1 像控點布設成果

3.1.3航線布設

為獲取測區高分辨率影像，滿足三維建模的要求及后續成果精度，整個測區按GSD<1.5CM的要求設計，飛行的航向重疊度大于80，旁向重疊度大于70，飛行高度80m，并按仿地地模式進行多次調整鏡頭角度飛行，航線設置如圖2所示。

圖2 航線規劃

3.1.4航空攝影測量

進行航攝人員在確保飛行設備各項指標正常的情況下，對測區進行無人機傾斜攝影測量獲取測區高清晰影像數據。飛行過程對飛行數據進行實時監控，主要監控數據包括飛機的位置、高度、姿態，飛行速度，風速，避障雷達等。這些數據均會實時傳輸至電腦端無人機管家軟件。飛行結束后對影像數據及時整理保存，如圖3—4所示。

圖3 航攝過程

圖4 影像整理

3.2 建立測區三維立體模型及應用

在進行三維建模前，需要整理原始影像相文件、相機文件、像空數據、POS數據等。為建模計算提供所需數據做準備。

3.2.1實景三維模型生產

本工程采用ContextCapturCENTER(CC)進行三維實景建模軟件進行建模計算，技術流程如圖5所示。

圖5 三維建模技術流程圖

3.2.2實景三維模型的應用

(1)通過軟件進行實景三維建模，利用清基前后的三維模型對比，可以直觀地對清基位置及開挖深度、開挖邊界進行監測，讓甲方及施工方對施工進度能夠合理的安排，如圖6—7所示。

圖6 清基前三維模型

圖7 清基后三維模型

(2)通過相應實景三維模型數據采集軟件(本次結合EPS2016三維測圖軟件)的應用，可以極盡詳細地獲取清基前后地表的坐標及高程數據(如圖8所示)

圖8 前后兩期數據獲取對比

通過Cass10.1軟件對提取的前后兩期數據處理生成三角網，運用三角網計算兩期間土方量，可精確獲取清基土方量，計算結果見表2。

表2 兩期間土方計算

(3)通過近距離航攝采集高分辨率影像，得益于實景三維模型其逼真紋理，并且模型含有位置信息，在清基過程中可清楚了解基礎開挖是否到位，如圖9所示。清基后的地質編錄工作結合實景三維模型[4]的輔助，大部分在室內即可完成，降低戶外工作強度，提高了工作效率。

圖9 模型紋理細節

(4)在清基開挖過程中，通過實景三維模型能夠遠程地更直觀的了解邊坡穩定性，對有隱患的邊坡進行多次連續監測，結合高精度位置高程信息對其穩定程度進行評估，為后續安全施工提供實時準確的信息保障。開挖過程主要是對周邊基礎較弱的土質邊坡進行監測，根據現行工程測量標準對滑坡監測的精度要求見表3。

表3 滑坡監測的精度要求

通過實地用測量儀器與模型上取特征點進行精度對比，結果見表4。

表4 測量精度對比結果

從特征點數據結果顯示，其精度能滿足一般土質滑坡監測要求。

4 結論

傳統的大壩清基過程中對土方量計算、開挖進度、邊坡監測等工作，工程建設人員需時刻在現場通過傳統測繪儀器如全站儀、GNSS接收機等進行數據采集、數據編錄，存在工作量效率低下、數據不直觀等問題。無人機具有機動、靈活、高效的特點，結合傾斜攝影技術直觀反映地物的現狀、位置、高度等屬性，有效地彌補地面采集數據的不足，解決施工階段管理效率低下、信息滯后等問題。本文通過以在建水庫大壩高邊坡清基為研究對象，結合無人機傾斜攝影測量技術，探索了此項技術在該領域的應用前景及應用深度，具有一定的實用性及推廣價值。