多攝影測量技術(shù)融合在大壩地質(zhì)調(diào)查中的應用

丁惠明，吳永江，陳紹榮

（昭通市水利水電勘測設計研究院，云南 昭通 657000）

地質(zhì)勘查和調(diào)查是大壩水利工程建設的基礎工作，對工程設計、建設進度、工程質(zhì)量和安全等各個方面均有直接影響。然而，由于大壩工程的建造區(qū)域往往工作環(huán)境惡劣，尤其是建設在山區(qū)、峽谷等地形復雜的區(qū)域的工程，使用傳統(tǒng)的人工調(diào)查方法和技術(shù)耗時、費力，難以滿足地質(zhì)調(diào)查的需要，調(diào)查數(shù)據(jù)精度低、成本高，難以滿足后續(xù)工作的需要[1]。無人機傾斜攝影測量技術(shù)可獲取多角度、高分辨率的影像，能生成直觀的實景三維模型，具有高精度、高效率等特點，能為大壩水利工程的設計、建設、運營提供更為可靠的數(shù)據(jù)支持，是可靠、高效的地質(zhì)調(diào)查工具。雖然常規(guī)傾斜攝影測量技術(shù)一般應用效果良好，但應用于壩區(qū)地質(zhì)調(diào)查需要較高的影像分辨率，直接進行常規(guī)航攝，無法獲取高質(zhì)量實景三維模型[1]。

本文將無人機傾斜攝影測量技術(shù)和貼近攝影測量兩種技術(shù)進行融合，來獲取測區(qū)影像數(shù)據(jù)，通過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理生成實景三維模型，最后對實景三維模型進行地質(zhì)解譯，并與地質(zhì)學專業(yè)知識相結(jié)合，對壩區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和片區(qū)地質(zhì)條件進行多角度、多層次的整體分析。這種勘探方法不僅可以提高勘探效率和質(zhì)量，而且可以降低勘探成本以及減少環(huán)境破壞和安全風險等，能有效降低地質(zhì)勘探的風險和成本，提升勘探效率[2]。

1 相關(guān)理論基礎

1.1 傾斜攝影測量技術(shù)

無人機傾斜攝影測量以搭載傾斜攝影設備的無人機為載體，借助慣性導航設備和全球定位系統(tǒng)對地面目標進行高精度的三維數(shù)據(jù)采集和處理。無人機按照設計航線繞飛目標區(qū)域，搭載的傾斜攝影設備會從多個角度對景物目標進行高頻率、高密度的圖像拍攝，同時利用慣性導航設備和全球定位系統(tǒng)精確測量無人機的三維位置和傾斜角度，進而實現(xiàn)像控測量、幾何校正、影像融合以及三維重建等。通過這些處理，最終可以獲得高精度、全方位的三維信息，包括點云數(shù)據(jù)、立體影像數(shù)據(jù)和三維建模數(shù)據(jù)等[2-3]。無人機傾斜攝影測量技術(shù)具有高效、便捷、精度高、靈活性強等特點，被廣泛應用于城市規(guī)劃、土地利用、資源調(diào)查、文物保護等領(lǐng)域，為相關(guān)研究和決策提供了重要的數(shù)據(jù)支持和決策支持。

1.2 貼近攝影測量技術(shù)

貼近攝影測量是利用無人機對建筑物立面、滑坡、大壩、高邊坡等建筑物表面或非常規(guī)地面進行貼合飛行以獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)厘米甚至毫米級別分辨率的自動化、高質(zhì)量影像數(shù)據(jù)采集，是一種便于對目標對象進行精細化重建的攝影測量方法。貼近攝影的本質(zhì)是對目標表面攝影，重點是攝影方向不同，當目標與水平面垂直時，則認為與無人機近景攝影測量類似。

如圖1（a）和圖1（b）所示，“平飛”航線作業(yè)方式相對航高變化大，導致影像分辨率差異大，而“貼近飛行”航線作業(yè)方式，相對航高基本一致，獲取的影像分辨率相近。

圖1 貼近攝影測量作業(yè)方式

1.3 實景三維模型解譯

實景三維模型地質(zhì)解譯是一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新型地質(zhì)勘探方法，即將真實的地質(zhì)數(shù)據(jù)、空間信息和三維模型結(jié)合起來，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成賦有空間感和沉浸感的三維地質(zhì)模型，再結(jié)合地質(zhì)專業(yè)人員的知識和經(jīng)驗，對地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層特征、砂層分布、裂縫發(fā)育等進行深入分析和解讀。

2 影像數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 作業(yè)區(qū)概況

測區(qū)位于河流峽谷段，主要用途是為農(nóng)田提供灌溉和城鎮(zhèn)供水。所測水庫采用堆石混凝土重力壩，泄洪建筑物和放水建筑物均布置在壩體內(nèi)，為小型水庫。基于傾斜攝影測量技術(shù)建立測區(qū)實景三維模型，在三維模型基礎上進行水文地質(zhì)分析。整體技術(shù)流程如圖2 所示，首先采集影像數(shù)據(jù)，然后進行實景三維模型重建，用于進行地質(zhì)調(diào)查分析。

圖2 傾斜攝影實景三維建模整體技術(shù)流程

2.2 低空傾斜攝影測量影像數(shù)據(jù)采集

由于測區(qū)地質(zhì)環(huán)境較為復雜，因此選擇混合翼無人機搭載5 鏡頭傾斜相機的方式獲取傾斜影像。航拍作業(yè)飛行航高為80 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為75%。像控點布設采用呈矩形或正方形的區(qū)域網(wǎng)布設方案，大小依據(jù)航攝分區(qū)的劃分、航攝影像情況、測區(qū)地形特點、空中三角測量精度要求等情況進行考慮，采用網(wǎng)絡RTK方式測量平面坐標，使用似大地水準面模型進行高程精化處理[4]。

為保證三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)的成果質(zhì)量，首先根據(jù)飛行區(qū)域的面積、地形起伏、基站布設以及測區(qū)跨帶等對航線進行設計，攝區(qū)航向方向邊界向外延長不少于5 條基線，攝區(qū)旁向方向邊界區(qū)域各向外側(cè)延伸不少于2 條航線，然后按照要求進行影像數(shù)據(jù)采集，飛行完畢后將傾斜影像數(shù)據(jù)和飛行數(shù)據(jù)進行下載和備份。

2.3 貼近攝影測量影像數(shù)據(jù)采集

貼近攝影測量應用的是Mavic 2 專業(yè)版無人機，外業(yè)應用大疆智圖和航跡大師軟件。影像數(shù)據(jù)采集主要針對大壩巖石面，配合實時圖傳系統(tǒng)，采用手控飛行模式，通過目視完成貼近攝影測量航攝參數(shù)計算后進行手控航攝。影像數(shù)據(jù)采集主要注意兩點：一是垂直興趣面進行影像數(shù)據(jù)采集；二是保證足夠的影像重疊度。此外，為確保飛行安全，必須避開大壩上的附屬建筑物和樹木等障礙物，飛手需在觀察員的安全指引下沿崖面謹慎飛行補拍[4]。

2.4 實景三維模型重建

低空傾斜攝影測量使用的是Context Capture軟件，首先添加要建模的傾斜攝影測量和貼近攝影測量采集的照片和控制點信息文件，并進行POS 解算，根據(jù)外業(yè)像控點實測數(shù)據(jù)，找到影像中像控點位置，進行刺點，輸入外業(yè)實測的像控點坐標。然后進行空三加密，經(jīng)過提取特征點、提取同名像對、相對定向、匹配連接點、區(qū)域網(wǎng)平差等步驟的運算處理，得到測區(qū)空中三角測量成果。最后進行模型重建，根據(jù)測區(qū)大小和影像分辨率，采用規(guī)則平面網(wǎng)格對模型進行瓦片劃分，瓦片分割完成后，根據(jù)空三加密成果利用影像匹配技術(shù)進行同名點匹配生產(chǎn)DSM，分別對模型的各個面調(diào)取相對應視角中最清晰的影像進行紋理貼圖，生成的壩區(qū)實景三維模型效果如圖3所示[5]：

圖3 壩區(qū)實景三維模型

3 地質(zhì)條件分析

3.1 地形地貌及物理地質(zhì)特征

根據(jù)模型實測和解譯判讀，該地區(qū)的地形地貌主要由中低洼山地和河床沖積兩種類型組成，呈現(xiàn)“V”形，整體高程不超過1 500 m，河床坡度較大，容易產(chǎn)生滑坡、滾石等。壩址區(qū)沒有明顯的階地，以河漫灘為主，另根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)顯示，壩軸線處的谷底基巖高度約700 m；砂礫層厚度在1.5～3 m 之間。此外測區(qū)內(nèi)存在兩個較小的沖刷溝槽，其下切深度較小，基巖裸露。

3.2 地層巖性

在對實景三維模型勘察中發(fā)現(xiàn)，該大壩所在巖層是一組單斜地層，次生構(gòu)造面發(fā)育較差。這表明該區(qū)的巖性簡單，整體相對穩(wěn)定。另外，工程區(qū)出露的地層是一套以泥盆系和石炭系為代表的上古生界地溝層，部分地區(qū)的表層被第四系松散堆積層所覆蓋，從新至舊依次是第四系，石炭系，泥盆系，其中第四系包含了不同厚度的沖洪積、崩坡積和坡洪積等不同類型的松散堆積層。三維建模為進一步研究該地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、認識其對該地區(qū)的地質(zhì)作用提供了參考。

3.3 水文地質(zhì)條件

經(jīng)實景三維模型判讀及結(jié)合當?shù)厮馁Y料分析后發(fā)現(xiàn)，工程區(qū)域地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水和基巖裂隙水兩種。第四系松散層孔隙潛水含水層為沖積砂卵（礫）石層、砂礫（碎）石層、坡洪積的砂壤土、碎塊石等。河床及漫灘水位埋深0.18～3.5 m，地下水以大氣降水及地表水補給為主，輸出主要以蒸發(fā)排泄為主。基巖裂隙水含水層主要為古生界泥盆系上統(tǒng)巖層，地下水主要以大氣降水補給為主，多以泉或滲流形式排泄于溝谷或河流中。因受構(gòu)造切割和斷裂，裂隙發(fā)育不均等影響，水資源貧乏，呈季節(jié)性變化規(guī)律。

3.4 地震及地震動參數(shù)

通過分析測區(qū)所在地地震局提供資料及當前地質(zhì)信息，測區(qū)內(nèi)的較大斷裂對區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。該斷裂歷經(jīng)晚更新世以來未見活動跡象，地質(zhì)構(gòu)造比較穩(wěn)定。歷史地震活動性較弱，頻度較低，地震基本烈度為Ⅵ度，屬于相對穩(wěn)定的地區(qū)。大壩工程設計時需要充分考慮這一特點，采取相應的技術(shù)措施和設計方案，以確保工程建設的安全可靠。

4 結(jié) 語

傾斜攝影測量技術(shù)和貼近攝影測量技術(shù)在大壩水利工程地質(zhì)調(diào)查中具有廣泛應用前景。借助多種攝影測量技術(shù)可以實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高效準確獲取，為大壩水利工程的建設和運營提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，同時也可以大大縮短地質(zhì)調(diào)查的時間，降低成本，提高工作效率，為現(xiàn)代水利建設提供了先進的測繪技術(shù)支持。