鐘喬平，楊 燕，王 俊

(云南省紅河州水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，云南 紅河 661100)

1 概述

1.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)概述

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)[1]是測(cè)繪領(lǐng)域近年來(lái)新興的一項(xiàng)高新技術(shù)，利用該技術(shù)建立測(cè)區(qū)的三維立體影像，可真實(shí)反應(yīng)測(cè)區(qū)地物的完整信息，精確獲取地面物體的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，為相關(guān)行業(yè)工程建設(shè)提供三維一體化的數(shù)據(jù)支撐。本文依據(jù)某水庫(kù)建設(shè)過(guò)程中大壩清基開(kāi)挖的需求，結(jié)合工程實(shí)例，闡述無(wú)人機(jī)傾攝影測(cè)量技術(shù)在水庫(kù)大壩清基測(cè)量中的具體應(yīng)用。

1.2 水庫(kù)大壩清基測(cè)量意義

在水利水電、基建、交通等工程建設(shè)領(lǐng)域，尤其是水利水電工程建設(shè)中，基本都會(huì)出現(xiàn)建設(shè)面進(jìn)行清基開(kāi)挖過(guò)程，在開(kāi)挖過(guò)程中，需要面對(duì)判斷開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定、開(kāi)挖現(xiàn)狀地形圖測(cè)繪、開(kāi)挖工程量計(jì)算、開(kāi)挖基礎(chǔ)是否到位等問(wèn)題，如何控制、監(jiān)測(cè)邊坡開(kāi)挖的穩(wěn)定性，判斷清基是否到位，避免工程事故發(fā)生，減少工程損失，是工程建設(shè)部門急需解決的實(shí)際問(wèn)題。在水庫(kù)大壩建設(shè)過(guò)程中，大壩清基開(kāi)挖前后，對(duì)清基面進(jìn)行現(xiàn)狀地形測(cè)繪，以獲取清基面地表三維數(shù)據(jù)，以便于對(duì)清基面進(jìn)行監(jiān)測(cè)、對(duì)清基工程量進(jìn)行計(jì)算，以及對(duì)壩基進(jìn)行全面的地質(zhì)編錄測(cè)繪工作提供三維數(shù)據(jù)模型。實(shí)時(shí)獲取邊坡開(kāi)挖治理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并在施工過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(guò)對(duì)綠春縣干禾河水庫(kù)施工過(guò)程高邊坡清基開(kāi)挖過(guò)程的測(cè)繪方法進(jìn)行研究，以解決清基測(cè)繪中的技術(shù)難點(diǎn)。以此推廣新技術(shù)的應(yīng)用。

2 項(xiàng)目概況及技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

干禾河水庫(kù)位于云南省綠春縣大水溝鄉(xiāng)東南方向李仙江三級(jí)支流來(lái)蝦河中上游河段，距離綠春縣城99km。工程建設(shè)任務(wù)為：解決農(nóng)業(yè)灌溉和人畜飲水。干禾河水庫(kù)是解決大水溝鄉(xiāng)灌溉用水供需矛盾的關(guān)鍵工程，同時(shí)具有削減洪峰、緩解來(lái)蝦河下游河道防洪壓力的作用。測(cè)區(qū)位于康藏“歹”字型構(gòu)造體系中部東支的次一級(jí)構(gòu)造：綠春似帚狀旋卷構(gòu)造西側(cè)，區(qū)間北西—南東向的斷裂、褶皺較為發(fā)育。受其切割及擠壓的影響，地塊穩(wěn)定性較差。因此，在工程建設(shè)過(guò)程中，特別是建基面清基開(kāi)挖測(cè)量時(shí)存在重大安全隱患。

2.2 技術(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1清基開(kāi)挖測(cè)量的目的

(1)獲取清基面地表三維數(shù)據(jù)。

(2)通過(guò)清基土方量計(jì)算，為甲方、施工方實(shí)時(shí)提供土方量數(shù)據(jù)。

(3)為大壩清基地質(zhì)編錄工作提供數(shù)據(jù)、圖片、模型的數(shù)據(jù)支撐。

(4)對(duì)清基開(kāi)挖過(guò)程中邊坡的穩(wěn)定程度進(jìn)行分析，并做出有關(guān)的預(yù)報(bào)，為業(yè)主，施工方及監(jiān)理提供預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，跟蹤和控制施工進(jìn)度防止滑坡引起的危害。

2.2.2技術(shù)路線

本次以云南紅河在建的干禾河水庫(kù)工程為例，進(jìn)行高邊坡清基開(kāi)挖技術(shù)研究，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，獲取地面影像資料，通過(guò)計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件建立開(kāi)挖區(qū)域的三維模型，依據(jù)三維模型及時(shí)獲取開(kāi)挖區(qū)域?qū)嵕叭S數(shù)據(jù)[2]，從而達(dá)到清基開(kāi)挖測(cè)量的目的。作業(yè)技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 作業(yè)技術(shù)流程圖

3 傾斜攝影實(shí)景三維模型的建立

3.1 外野航攝數(shù)據(jù)采集

3.1.1儀器準(zhǔn)備

由于項(xiàng)目區(qū)位于山區(qū)，地勢(shì)變化較大，為滿足最后成果精度，依據(jù)項(xiàng)目所在區(qū)域的地貌特點(diǎn)，本項(xiàng)目采用飛馬E2000無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行影像資料采集作業(yè)[3]。該無(wú)人機(jī)輕便小巧，采用模塊化設(shè)計(jì)，組裝十分便利，另外搭載配高精度差分GNSS板卡，可實(shí)現(xiàn)基于RTK/PPK合解算，提高實(shí)時(shí)位置采集精度，配合無(wú)人機(jī)管理軟件，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(chǎn)提供更高的可靠性。

3.1.2像控點(diǎn)的布測(cè)

為滿足空中三角測(cè)量的精度要求，航攝外業(yè)像控點(diǎn)按區(qū)域網(wǎng)布設(shè)，像控點(diǎn)均勻布設(shè)于測(cè)區(qū)，采用GNSS-RTK技術(shù)施測(cè)。作業(yè)時(shí)取3次測(cè)量結(jié)果的平均值作為最終成果，像控點(diǎn)成果見(jiàn)表1。

表1 像控點(diǎn)布設(shè)成果

3.1.3航線布設(shè)

為獲取測(cè)區(qū)高分辨率影像，滿足三維建模的要求及后續(xù)成果精度，整個(gè)測(cè)區(qū)按GSD<1.5CM的要求設(shè)計(jì)，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(jìn)行多次調(diào)整鏡頭角度飛行，航線設(shè)置如圖2所示。

圖2 航線規(guī)劃

3.1.4航空攝影測(cè)量

進(jìn)行航攝人員在確保飛行設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)正常的情況下，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取測(cè)區(qū)高清晰影像數(shù)據(jù)。飛行過(guò)程對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包括飛機(jī)的位置、高度、姿態(tài)，飛行速度，風(fēng)速，避障雷達(dá)等。這些數(shù)據(jù)均會(huì)實(shí)時(shí)傳輸至電腦端無(wú)人機(jī)管家軟件。飛行結(jié)束后對(duì)影像數(shù)據(jù)及時(shí)整理保存，如圖3—4所示。

圖3 航攝過(guò)程

圖4 影像整理

3.2 建立測(cè)區(qū)三維立體模型及應(yīng)用

在進(jìn)行三維建模前，需要整理原始影像相文件、相機(jī)文件、像空數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)等。為建模計(jì)算提供所需數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。

3.2.1實(shí)景三維模型生產(chǎn)

本工程采用ContextCapturCENTER(CC)進(jìn)行三維實(shí)景建模軟件進(jìn)行建模計(jì)算，技術(shù)流程如圖5所示。

圖5 三維建模技術(shù)流程圖

3.2.2實(shí)景三維模型的應(yīng)用

(1)通過(guò)軟件進(jìn)行實(shí)景三維建模，利用清基前后的三維模型對(duì)比，可以直觀地對(duì)清基位置及開(kāi)挖深度、開(kāi)挖邊界進(jìn)行監(jiān)測(cè)，讓甲方及施工方對(duì)施工進(jìn)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(guò)相應(yīng)實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)采集軟件(本次結(jié)合EPS2016三維測(cè)圖軟件)的應(yīng)用，可以極盡詳細(xì)地獲取清基前后地表的坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)(如圖8所示)

圖8 前后兩期數(shù)據(jù)獲取對(duì)比

通過(guò)Cass10.1軟件對(duì)提取的前后兩期數(shù)據(jù)處理生成三角網(wǎng)，運(yùn)用三角網(wǎng)計(jì)算兩期間土方量，可精確獲取清基土方量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩期間土方計(jì)算

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

圖9 模型紋理細(xì)節(jié)

(4)在清基開(kāi)挖過(guò)程中，通過(guò)實(shí)景三維模型能夠遠(yuǎn)程地更直觀的了解邊坡穩(wěn)定性，對(duì)有隱患的邊坡進(jìn)行多次連續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)合高精度位置高程信息對(duì)其穩(wěn)定程度進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)安全施工提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的信息保障。開(kāi)挖過(guò)程主要是對(duì)周邊基礎(chǔ)較弱的土質(zhì)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)現(xiàn)行工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)的精度要求見(jiàn)表3。

表3 滑坡監(jiān)測(cè)的精度要求

通過(guò)實(shí)地用測(cè)量?jī)x器與模型上取特征點(diǎn)進(jìn)行精度對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 測(cè)量精度對(duì)比結(jié)果

從特征點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，其精度能滿足一般土質(zhì)滑坡監(jiān)測(cè)要求。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的大壩清基過(guò)程中對(duì)土方量計(jì)算、開(kāi)挖進(jìn)度、邊坡監(jiān)測(cè)等工作，工程建設(shè)人員需時(shí)刻在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)傳統(tǒng)測(cè)繪儀器如全站儀、GNSS接收機(jī)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)編錄，存在工作量效率低下、數(shù)據(jù)不直觀等問(wèn)題。無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)、靈活、高效的特點(diǎn)，結(jié)合傾斜攝影技術(shù)直觀反映地物的現(xiàn)狀、位置、高度等屬性，有效地彌補(bǔ)地面采集數(shù)據(jù)的不足，解決施工階段管理效率低下、信息滯后等問(wèn)題。本文通過(guò)以在建水庫(kù)大壩高邊坡清基為研究對(duì)象，結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，探索了此項(xiàng)技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用前景及應(yīng)用深度，具有一定的實(shí)用性及推廣價(jià)值。