王吉亮，施 炎，周炳強(qiáng)，楊 靜， 郝文忠，廖立兵，康雙雙

1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010 2.長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司(武漢)，武漢 430074

0 引言

近些年來(lái)，隨著我國(guó)在工程建設(shè)領(lǐng)域持續(xù)強(qiáng)有力的投入，一大批超級(jí)工程、高難工程投建或建成。對(duì)一些規(guī)模較大的需開(kāi)挖型巖土工程，如高邊坡、大型地下洞室、深基坑等，一般采用逐層開(kāi)挖、逐層支護(hù)的方法進(jìn)行施工。在單層開(kāi)挖完成后、噴錨支護(hù)前，需對(duì)開(kāi)挖面進(jìn)行地質(zhì)測(cè)繪，并收集影像資料，以記錄原始地質(zhì)信息，便于后期分析和展示。傳統(tǒng)獲取開(kāi)挖面影像的方法一般用數(shù)碼相機(jī)對(duì)開(kāi)挖面連續(xù)、分幅拍攝，只能獲得二維影像，并且無(wú)法獲取開(kāi)挖面的整體影像。

隨著基于傾斜攝影的三維影像建模技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展，再加上近幾年無(wú)人機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用的推動(dòng)作用[1-5]，探究低成本、優(yōu)質(zhì)、快速構(gòu)建三維影像模型的方法成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，并在諸多領(lǐng)域有不少經(jīng)典案例[6-12]。然而，目前常見(jiàn)的三維影像建模方法只能針對(duì)靜態(tài)目標(biāo)，否則會(huì)造成目標(biāo)相同部位影像點(diǎn)因前后變化而無(wú)法匹配，不能建模，有局限性。而對(duì)于逐層開(kāi)挖工程，具有工程形象變化大、開(kāi)挖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、開(kāi)挖面位置不斷變化、開(kāi)挖面地質(zhì)信息必須及時(shí)采集等特點(diǎn)，常見(jiàn)的三維影像建模方法尚不能有效解決。本文以烏東德水電站大壩建基面邊坡為研究對(duì)象，探索出一套質(zhì)量高、易操作、低成本的三維影像建模方法，并取得了良好的效果，以期為工程信息存儲(chǔ)、分析和展示奠定基礎(chǔ)，也為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒和指導(dǎo)。

1 三維實(shí)景影像模型構(gòu)建方法

1.1 無(wú)人機(jī)類型及技術(shù)特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)種類繁多、用途廣泛、特點(diǎn)鮮明，具有快速機(jī)動(dòng)、操作簡(jiǎn)單、使用成本低、危險(xiǎn)性小、能獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。按照其飛行原理主要分為固定翼無(wú)人機(jī)和旋翼無(wú)人機(jī)兩大類型[13]。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，特別是消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)技術(shù)的成熟，極大地推動(dòng)了水利水電工程勘測(cè)行業(yè)的發(fā)展。旋翼無(wú)人機(jī)因其擁有垂直起降、控制靈活、操作簡(jiǎn)便、定點(diǎn)拍攝、成本較低等特點(diǎn)，可適應(yīng)于高山峽谷地帶的工程地質(zhì)勘察，也可應(yīng)用于施工階段的地質(zhì)編錄等，極大降低了地質(zhì)人員的野外工作難度，提高了工作效率。目前，無(wú)人機(jī)技術(shù)成功地應(yīng)用于烏東德水電站高位自然邊坡勘察、人工邊坡施工地質(zhì)等領(lǐng)域，均取得較好的效果[13]。

1.2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是當(dāng)前無(wú)人機(jī)航測(cè)的常用有效方法。其可以實(shí)現(xiàn)多角度影像采集、保證高效率、增加精確度、準(zhǔn)確地理定位、實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景重建，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)航測(cè)的主要技術(shù)途徑，并逐漸應(yīng)用于水利水電工程勘測(cè)等領(lǐng)域[13]。

Smart3D Capture是一款基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)快速構(gòu)建三維模型的商業(yè)軟件。將利用相機(jī)或無(wú)人機(jī)拍攝的傾斜攝影數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D Capture軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形計(jì)算，結(jié)合精密空間定位系統(tǒng)(positioning orientation system，POS)信息空間三角(簡(jiǎn)稱空三)處理，生成點(diǎn)云構(gòu)成格網(wǎng)，格網(wǎng)結(jié)合照片生成賦有紋理的三維模型[13]。

1.3 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維實(shí)景重建技術(shù)

通過(guò)整合無(wú)人機(jī)技術(shù)(UAV)及傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，利用消費(fèi)級(jí)旋翼無(wú)人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)，從垂直、傾斜等不同角度對(duì)實(shí)體對(duì)象進(jìn)行連續(xù)拍攝，保證相鄰照片之間有一定的重疊；在拍攝前，需布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)；將采集的二維影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D軟件，建立包含紋理信息、幾何特征、空間信息等屬性網(wǎng)格，從而獲取與實(shí)地基本一致的三維實(shí)景模型。利用UAV拍攝和Smart3D技術(shù)，可從地質(zhì)勘察到施工地質(zhì)編錄各個(gè)階段進(jìn)行地質(zhì)信息的采集，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景重建。該技術(shù)目前已在水利水電工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用[13]。

2 逐層開(kāi)挖工程三維實(shí)景影像模型構(gòu)建方法

將基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維實(shí)景重建技術(shù)應(yīng)用于水利水電工程的施工地質(zhì)勘察，獲取逐層開(kāi)挖工程的整體三維影像，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖面地質(zhì)信息的快速準(zhǔn)確獲取、直觀清晰表達(dá)與可視化存儲(chǔ)，并可有效應(yīng)用于后期地質(zhì)分析判別工作。

逐層開(kāi)挖工程三維實(shí)景影像模型構(gòu)建方法包括：①開(kāi)挖面清理；②影像采集范圍確定；③標(biāo)記點(diǎn)布設(shè)；④標(biāo)記點(diǎn)測(cè)量；⑤無(wú)人機(jī)影像采集；⑥三維影像合成；⑦下層開(kāi)挖面重復(fù)以上步驟；⑧各層三維影像拼接(圖1)。

3 烏東德水電站大壩邊坡三維影像模型構(gòu)建

3.1 烏東德水電站大壩建基面概況

烏東德水電站是金沙江下游河段4個(gè)水電梯級(jí)中的最上游梯級(jí)，是西電東送骨干電源點(diǎn)之一，為一等(I)大型工程，裝機(jī)容量10 200 MW，國(guó)內(nèi)排名第4，世界排名第7[14-16]。擋水大壩為雙曲拱壩，壩頂高程988 m，建基面最低高程718 m，建基面邊坡坡高270 m，上陡下緩，綜合開(kāi)挖坡度67°。大壩建基面邊坡于2015年5月開(kāi)始下挖，采取每10 m一個(gè)梯段逐層下挖，2016年12月底開(kāi)挖完成，歷時(shí)約18個(gè)月。大壩建基面邊坡面積即需建模面積約2.9萬(wàn)m2。

3.2 建模流程

針對(duì)烏東德水電站大壩建基面邊坡逐層開(kāi)挖的特點(diǎn)，首先利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影和全站儀測(cè)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；然后基于Smart3D軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，生成單層三維影像模型；最后將各層三維影像進(jìn)一步進(jìn)行處理運(yùn)算，生成總體三維影像模型。三維影像建模流程如圖2所示。

3.3 模型構(gòu)建

1)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集時(shí)間一般為開(kāi)挖面剛剛揭露后立即進(jìn)行，以保證采集影像時(shí)開(kāi)挖巖面干凈整潔，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件最佳。

大壩建基面邊坡首層開(kāi)挖完成后，清理并沖洗干凈坡面，獲得首層開(kāi)挖面。用噴漆在距坡腳以上50 cm處布置一排水平向像控點(diǎn)，間距5～10 m，作為與下層邊坡重疊區(qū)域的控制點(diǎn)，用以后期三維模型拼接。重疊區(qū)域以外坡面利用激光指示器均勻布設(shè)像控點(diǎn)，用以建模過(guò)程中的精度校正控制點(diǎn)，間距一般5～10 m，如圖3所示。

圖1 獲取逐層開(kāi)挖工程三維影像流程圖Fig.1 Flow chart of 3D image of excavation engineering step by step

圖2 大壩建基面三維影像建模流程圖Fig.2 Flow chart of 3D image model construction

圖3 像控點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Image control points layout diagram

利用全站儀測(cè)量像控點(diǎn)大地坐標(biāo)。使用無(wú)人機(jī)搭載云臺(tái)高清數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行二維拍照，控制無(wú)人機(jī)飛行高度大致位于拍攝區(qū)域中心高程附近，航線與開(kāi)挖面走向平行，相機(jī)視角巖面角度不受正垂攝影限制(圖4)。要求照片航向重復(fù)率達(dá)到60%～80%，旁向重復(fù)率45%～60%，在轉(zhuǎn)折處、不平整處還應(yīng)提高重復(fù)率[17]。在建模邊界附近，拍照應(yīng)向外適當(dāng)擴(kuò)展，保證建模范圍完整。拍攝時(shí)應(yīng)保證巖面視野良好，無(wú)明顯光照差異。

2)數(shù)據(jù)處理

將獲取照片的像控點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入Smart3D三維影像軟件，預(yù)留2～3個(gè)像控點(diǎn)不導(dǎo)入，作為單層三維模型的精度檢查點(diǎn)?；赟mart3D算法進(jìn)行空三計(jì)算(圖5)：通過(guò)圖片大量特征點(diǎn)提取和匹配，可以反向解算得到每一幅影像精確的空間位置和旋轉(zhuǎn)角度?？杖?jì)算完成后，可以獲得高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并可以在Smart3D中查看到整個(gè)航帶飛行情況、空三點(diǎn)位置密度、圖片覆蓋的范圍等信息，局部圖像數(shù)據(jù)不足時(shí)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充。

圖4 無(wú)人機(jī)采集單層邊坡影像Fig.4 Obtain the single-stage slope image by UAV

圖5 空三計(jì)算Fig.5 Three-dimensional triangulation

3)模型生成

通過(guò)空三計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，并自動(dòng)匹配生成實(shí)景紋理，生成首層開(kāi)挖面三維影像模型。單層模型生成后，應(yīng)在模型中讀取預(yù)留的檢查點(diǎn)坐標(biāo)與該點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，復(fù)核坐標(biāo)是否正確，精度是否滿足要求。

各梯段建基面邊坡三維影像模型完成后，將各單層三維模型和重疊區(qū)坐標(biāo)導(dǎo)入Smart3D中，重復(fù)數(shù)據(jù)處理和模型生成步驟，計(jì)算生成整體模型并裁剪多余區(qū)域，獲得建基面邊坡整體三維影像模型，見(jiàn)圖6—圖8。

圖6 單層影像計(jì)算生成多層影像Fig.6 Generate multi-layer images based

圖7 大壩建基面邊坡三維影像模型 Fig.7 3D image model of dam foundation surface on single-layer images

圖8 三維影像模型局部放大效果Fig.8 Enlarge image of the 3D image model

4 模型成果分析

獲取逐層開(kāi)挖工程的整體三維影像模型，通過(guò)可反復(fù)、多角度、可追溯的觀察分析，彌補(bǔ)了開(kāi)挖面在混凝土覆蓋后無(wú)法進(jìn)行深入研究的遺憾。模型成果具有以下特點(diǎn)。

1)在大壩建基面邊坡逐層動(dòng)態(tài)開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)各單層邊坡影像采集時(shí)，均要求坡面巖體清洗干凈，保證拍照質(zhì)量最優(yōu)，避免開(kāi)挖全部完成后一次拍照三維建模成型時(shí)坡面被灰塵污染或噴混覆蓋。照片采集時(shí)保證重復(fù)率，利用像控點(diǎn)控制精度，確保模型合成效果。如圖7和圖8所示，模型成果滿足全面表達(dá)邊坡整體形態(tài)和保持局部細(xì)節(jié)特征的要求，模型放大后未見(jiàn)明顯變形、拉花，紋理匹配良好，影像質(zhì)量?jī)?yōu)良。

2)對(duì)整體三維模型某梯段檢驗(yàn)點(diǎn)提取坐標(biāo)和實(shí)測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行精度分析，結(jié)果如表1所示。x、y、z方向誤差絕對(duì)值分別為2.4～4.5，1.0～5.7，1.5～5.2 cm，位移偏差為5.1～7.9 cm，三維影像模型精度滿足工程應(yīng)用精度要求。通過(guò)實(shí)景影像配合高精度三維坐標(biāo)點(diǎn)，為后續(xù)基于三維影像模型提取地質(zhì)信息奠定了基礎(chǔ)。

注：Δx、Δy、Δz和Δs分別為x、y、z坐標(biāo)軸方向誤差和位移誤差。

3)實(shí)現(xiàn)三維影像建模的同時(shí)，還可以輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果，包含空間位置、高程等屬性信息，可用于三維建模及后續(xù)應(yīng)用。

4)獲取的整體三維影像可應(yīng)用于室內(nèi)地質(zhì)編錄，大大減輕了地質(zhì)人員野外工作量，提高編錄精度。

5 結(jié)論

1)本文提出的逐層開(kāi)挖工程獲取整體三維影像的方法是三維實(shí)景建模技術(shù)的重要補(bǔ)充，面對(duì)逐層開(kāi)挖工程形象變化大、跨度時(shí)間長(zhǎng)、開(kāi)挖面不斷變化、開(kāi)挖面地質(zhì)信息需及時(shí)采集等難點(diǎn)，傳統(tǒng)的一次性靜態(tài)三維實(shí)景影像建模技術(shù)不能滿足要求，本文方法不僅可以克服以上難點(diǎn)，而且具有模型影像質(zhì)量?jī)?yōu)良、坐標(biāo)信息精度較高、操作簡(jiǎn)便高效的優(yōu)點(diǎn)。

2)將該方法應(yīng)用于烏東德水電站大壩邊坡三維影像模型構(gòu)建，在邊坡開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)逐層開(kāi)挖邊坡進(jìn)行無(wú)人機(jī)傾斜攝影，并應(yīng)用本文方法成功構(gòu)建整體三維影像模型，模型影像清晰、細(xì)節(jié)準(zhǔn)確、坐標(biāo)精度高，為三維影像和地質(zhì)信息存儲(chǔ)、提取提供了有力支持，取得了良好效果，可為類似工程提供借鑒。