李 揚(yáng)，馬行東,周 鵬,趙 明

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

小型無人機(jī)在西部水電工程地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用試驗(yàn)
——以官地水電站大橋溝泥石流為例

李 揚(yáng)，馬行東,周 鵬,趙 明

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

在官地電站大橋溝泥石流溝口區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行初步調(diào)查試驗(yàn)，可以獲取工程地質(zhì)分析和地災(zāi)評估需要的平面、剖面圖，可以利用成果進(jìn)行地質(zhì)三維模型的初步建立。根據(jù)航攝獲取資料及后期處理資料等可以進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的解譯分析，將解譯成果與實(shí)際調(diào)查進(jìn)行對比，解譯結(jié)果與實(shí)地調(diào)查結(jié)果吻合程度較高，驗(yàn)證了無人機(jī)在水電工程地質(zhì)調(diào)查中的可行性和有效性。

無人機(jī)；地質(zhì)災(zāi)害；泥石流；水電工程

0 前 言

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，已突破原來以軍事為主的用途，越來越多地應(yīng)用于各行各業(yè)。如韓文權(quán)[1]等對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、應(yīng)急救援和災(zāi)情評估工作中無人機(jī)遙感可提供的應(yīng)用進(jìn)行了分析，介紹了無人機(jī)遙感在重慶市武隆縣雞尾山特大型滑坡救援中的應(yīng)用。高嬌嬌[2]等用無人機(jī)遙感應(yīng)用在西氣東輸管道地質(zhì)中，闡述了應(yīng)用無人機(jī)遙感進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的關(guān)鍵技術(shù)與方法，論證了航空影像進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的可行性。吳振宇[3]等通過無人機(jī)在地災(zāi)調(diào)查中的應(yīng)用特點(diǎn)、意義和關(guān)鍵技術(shù)，證明了無人機(jī)在地災(zāi)災(zāi)害調(diào)查中的可行性和優(yōu)越性。周文生[4]等應(yīng)用無人機(jī)在礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中，驗(yàn)證了無人機(jī)遙感技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中的可行性與有效性，為礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查于監(jiān)管提供快速有效的技術(shù)。李定松[5]應(yīng)用無人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中，研究了無人機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程與特點(diǎn)，對無人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。尹鵬飛[6]等應(yīng)用無人機(jī)在震后災(zāi)情調(diào)查中，完成了以四川省綿陽市安縣等為重點(diǎn)的次生地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和災(zāi)情評估。張啟元[7]等應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)在青藏高原地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，建立了一套適合高原特殊地理環(huán)境下的地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查、監(jiān)測技術(shù)流程，提高了地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查、監(jiān)測的工作效率，表明無人機(jī)在青藏高原地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查工作中具有明顯優(yōu)勢。肖波[8]等應(yīng)用研究無人機(jī)低空攝影系統(tǒng)在泥石流地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急中，介紹了無人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查與監(jiān)測中所發(fā)揮的重要作用。梁京濤[9]等利用無人機(jī)并結(jié)合野外調(diào)查，開展了汶川震區(qū)綿竹市走馬嶺泥石流的發(fā)展情況，并進(jìn)行分析評價(jià)。

1 無人機(jī)在水電中的應(yīng)用

我國西南地區(qū)水電能源蘊(yùn)藏量豐富，但西南地區(qū)多屬高山峽谷地貌，地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)。工程地質(zhì)人員工作區(qū)域通常山高路險(xiǎn)、交通不便，同時(shí)植被發(fā)育、通視條件差。尤其是雅魯藏布江下游河段、金沙江中上游河段、雅礱江中上游河段等未來水電開發(fā)的熱門地區(qū)相應(yīng)問題將更加突出。無人機(jī)在水電行業(yè)中也逐步開始使用，但主要用于地形測繪、遙感、環(huán)水保、庫區(qū)巡視等用途。

雅魯藏布江下游河段、金沙江中上游河段、雅礱江中上游河段等地區(qū)，人跡罕至、地形條件極其復(fù)雜、自然環(huán)境極其惡劣，依靠人力開展重要地質(zhì)現(xiàn)象調(diào)查極其困難，即便能開展調(diào)查的區(qū)域也通常難度巨大或存在安全隱患，地質(zhì)調(diào)查工作存在諸多困難和制約因素。鑒于無人機(jī)具有快速機(jī)動(dòng)、操作簡單、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)，對于高山峽谷、植被發(fā)育地區(qū)、高寒地區(qū)等人力難以工作的地區(qū)適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)利用無人機(jī)加載的外部設(shè)備也可以獲取地質(zhì)專業(yè)所需資料。這對無法展開現(xiàn)場地質(zhì)工作或開展地質(zhì)工作難度巨大的地區(qū)如何有效獲取地質(zhì)資料具有十分重要的意義，以此解決人力無法開展地質(zhì)調(diào)查的現(xiàn)狀，彌補(bǔ)完善地質(zhì)資料，滿足工程需求。

2 無人機(jī)航攝系統(tǒng)基本特征

本次應(yīng)用試驗(yàn)時(shí)采用購買的大疆S1000無人機(jī)。

2.1 安全穩(wěn)定

大疆S1000無人機(jī)采用V型8旋翼設(shè)計(jì)，在提供充裕動(dòng)力的同時(shí)做到了動(dòng)力冗余，配合DJI飛控使用時(shí),即使某一軸被意外停止工作也能最大幅度保證飛機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)。機(jī)身板內(nèi)部集成了含DJI專利同軸接頭的電源分布設(shè)計(jì)，高效、可靠、安裝方便，用戶不需要做任何焊接工作；主電源線選用AS150防火花插頭與XT150的組合。從中心板到機(jī)臂、起落架等多處均使用全碳纖維材料，系統(tǒng)在低自重的基礎(chǔ)上做到了最高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.2 便攜、易用

所有機(jī)臂均可向下折疊、配合1552折疊槳，可使整機(jī)運(yùn)輸體積最小化，方便運(yùn)輸攜帶。用戶只需抬起機(jī)臂、鎖緊機(jī)臂卡扣、給系統(tǒng)上電，就使S1000進(jìn)入了飛行就緒狀態(tài)，大大縮短每次飛行的準(zhǔn)備時(shí)間。中心架在提供3組XT60供電插座的同時(shí)，還預(yù)留了8處設(shè)備安裝位，系統(tǒng)安裝變得更簡單整潔。

2.3 操控性

所有機(jī)臂采用8°內(nèi)傾和3°側(cè)傾設(shè)計(jì)，可使飛行器在橫滾和俯仰方向更加平穩(wěn)、在旋轉(zhuǎn)方向更加靈活。力臂內(nèi)置40A高速電調(diào)、使4114 pro電機(jī)在配合1552高效折疊槳工作在6S電源時(shí)，獲得單軸最大近2.5 kg的強(qiáng)勁推力輸出，充足的動(dòng)力會(huì)讓用戶更加隨心所欲。

2.4 其 他

云臺(tái)安裝架下移設(shè)計(jì)，集合系統(tǒng)標(biāo)配收放起落架，給鏡頭以更廣闊的拍攝視角。整機(jī)自重約4 kg，最大起飛重量約11 kg，可輕松搭載5D級別全套拍攝設(shè)備，在配合6S 15 000 mAh的電池時(shí)，可獲得長達(dá)15 min的續(xù)航時(shí)間，有效作業(yè)時(shí)間約12 min。

3 大橋溝泥石流基本地質(zhì)條件

大橋溝位于雅礱江左岸，為雅礱江一級支流，溝口位于擬建官地水電站大壩下游約3.5 km處，溝口堆積扇扇緣長約400 m，扇軸長450 m左右。流域總體近南北向展布，南寬北窄，略呈矩形，南北長21 km，東西寬14.5 km，流域面積約170 km2，其中匯水面積147.889 km2，占流域面積的86.96%；主溝縱長為26.12 km，縱坡坡降為97.06‰。流域四面均為由近3 000 m及3 000 m以上中高山所形成的分水嶺，其中東側(cè)以北西向牦牛山為分水嶺，與安寧河流域相隔。南、北、西側(cè)為與雅礱江主流或其次級支流的分水嶺。源區(qū)最高海拔約3 720 m左右，溝口高程約1 200 m，高差約2 500 m。主溝兩側(cè)支溝眾多，呈明顯的“樹丫”狀結(jié)構(gòu)。大橋溝流域內(nèi)地層呈近SN～NNW向展布，從東至西出露地層主要有印支期斜長花崗巖及花崗閃長巖(r051)、三疊系上統(tǒng)白果灣群(T3bg)；上震旦系觀音崖組(Zbg)；上震旦系燈影組上段地層(Zbdn1)；松林杠群玄武巖組(SLG)；志留系下統(tǒng)龍馬溪組(S1l)；志留系中統(tǒng)石門坎組(S2S)；泥盆系中統(tǒng)(D1-3)及石炭系中統(tǒng)威寧組(C2w)等。大橋溝溝流域內(nèi)植被總體茂盛，且以針葉闊葉混交林及高山灌木叢為特點(diǎn)，覆蓋率達(dá)90%。

4 無人機(jī)航攝成果

4.1 地質(zhì)要素獲取

利用無人機(jī)和地面輔助測量手段，獲取相關(guān)照片影像和定位信息流。同時(shí)，以圖像處理技術(shù)、空中三角測量技術(shù)、攝影測量技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)手段為依托，利用無人機(jī)影像后期處理軟件(如PIX-4Dmaper、Photoscan等)初步獲得全景地形地貌景象圖、三維地形等地形地貌和地質(zhì)信息。

本次以官地電站大橋溝泥石流溝口泥石流為依托，應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)，開展大橋溝溝口泥石流的應(yīng)用試驗(yàn)，利用后處理軟件(Photoscan pro、GOCAD等)，利用官地大橋河溝泥石流進(jìn)行三維立體空間真彩色模型進(jìn)行地質(zhì)邊界的獲取，生成生產(chǎn)需要的工程地質(zhì)平面圖、工程地質(zhì)剖面圖、三維地質(zhì)可視圖和解譯分析。

4.2 航攝成果

根據(jù)無人機(jī)航攝，取得官地大橋溝泥石流航攝圖(見圖1)、利用官地大橋河溝泥石流航測照片生成工程地質(zhì)地形(見圖2)、工程地質(zhì)剖面(見圖3)、GOCAD三維模型(見圖4)。

4.3 航攝解譯成果分析

地質(zhì)災(zāi)害作為一種特殊的不良地質(zhì)現(xiàn)象，無論是滑坡、崩塌、泥石流等災(zāi)害個(gè)體，還是由它們組合形成的災(zāi)害群體，在圖像上呈現(xiàn)的形態(tài)、色調(diào)、影紋結(jié)構(gòu)等均與周圍背景存在一定的區(qū)別。地質(zhì)災(zāi)害解譯基于災(zāi)害類型的地學(xué)原理及形態(tài)特征進(jìn)行識(shí)別，需對地質(zhì)災(zāi)害有基本認(rèn)識(shí)。泥石流判讀主要通過溝道內(nèi)松散固體物質(zhì)的辨識(shí)獲得；崩塌表現(xiàn)為陡直的后壁及下部的堆積物；滑坡多呈花斑色調(diào)特征較為明顯。識(shí)別地災(zāi)類型后，在圖像上按照災(zāi)害體各要素的形態(tài)特征圈出邊界。最后可獲得更加準(zhǔn)確的災(zāi)害體位置、邊界及面積等基礎(chǔ)資料，以指導(dǎo)地災(zāi)防治工作。

圖1 官地大橋溝泥石流航攝圖 圖2 官地大橋溝泥石流工程地質(zhì)平面

圖3 官地大橋溝泥石流工程地質(zhì)剖面 圖4 GOCAD三維模型

(1)通過解譯，試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要有泥石流、崩塌、斜坡變形破壞等類型;

(2)泥石流溝口有新沖出物，厚度不大，方量不大。兩側(cè)山體總體穩(wěn)定，植被覆蓋較好，渣場穩(wěn)定，渣場坡腳未見明顯淘刷，但溝壑仍見下切跡象。沖出物來源以物理類型居多，受風(fēng)化卸荷影響，坡面發(fā)育有松散的崩坡積物，汛期易隨地表水沖出，坡腳和兩側(cè)山坡坡面都可明顯易見。另外物質(zhì)來源主要為人類活動(dòng)(修筑道路棄渣)所致;

(3)右岸發(fā)育的一崩坡積體，受前緣切腳影響，邊界有變形跡象，尤以上游側(cè)邊界變形較為明顯(見圖5)。初估該部位方量不大，物質(zhì)組成以崩積的塊碎石為主?？梢岳萌S模型進(jìn)行方量估算;

(4)根據(jù)大橋溝溝口泥石流發(fā)育情況推測溝內(nèi)泥石流總體不活躍，若有效采取多種工程措施和生物措施，在流域內(nèi)對山水林田統(tǒng)一規(guī)劃，綜合治理，將極大地減少泥石流的危害。

圖5 大橋溝右岸山坡崩塌落石及形成的堆石體

5 地災(zāi)災(zāi)害復(fù)核

大橋溝流域物理地質(zhì)現(xiàn)象類型多，除正常風(fēng)化卸荷外，崩塌、滑坡及泥石流均有分布，不過以崩塌為主，其中以大橋溝溝口～小河溝溝口交界處河段最為普遍，段內(nèi)崩塌落石發(fā)育，再加之修筑公路后，進(jìn)一步導(dǎo)致開挖路塹邊坡崩塌范圍擴(kuò)大，目前尤其在大橋溝右岸山坡崩塌落石較普遍。調(diào)查區(qū)基巖內(nèi)的地下水總體不發(fā)育，溝內(nèi)水流主要靠大氣降水補(bǔ)給。大氣降水部分順坡面流入溝中，大部分滲入崩坡積物中形成孔隙水。斜坡坡面崩坡積中的孔隙水是保證沖溝常年流水的主要源泉。大橋溝內(nèi)人類活動(dòng)較頻繁，主要表現(xiàn)為修筑山區(qū)公路。

地質(zhì)災(zāi)害復(fù)核成果與無人機(jī)航攝解譯成果基本一致，驗(yàn)證了無人機(jī)在水電工程地質(zhì)調(diào)查中是可行和有效的，無人機(jī)可以開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等。

6 結(jié) 論

(1)試驗(yàn)應(yīng)用證明，無人機(jī)具有成像分辨率高、數(shù)據(jù)獲取靈活等優(yōu)點(diǎn)，無人機(jī)在水電工程地質(zhì)調(diào)查方面亦有較大的發(fā)展空間；

(2)應(yīng)用試驗(yàn)解譯結(jié)果與實(shí)地調(diào)查結(jié)果較吻合，驗(yàn)證了無人機(jī)在水電工程地質(zhì)災(zāi)害中的可行性與有效性；

(3)根據(jù)大橋溝溝口泥石流發(fā)育情況推測溝內(nèi)泥石流總體不活躍；

(4)今后可以利用間期飛行成果，對泥石流溝口堆積情況進(jìn)行對比分析，分析和評估泥石流發(fā)展趨勢。

[1] 韓文權(quán)，任幼蓉，趙少華. 無人機(jī)遙感在應(yīng)對地質(zhì)災(zāi)害中的主要應(yīng)用[J].地理空間技術(shù),2011,9(5).

[2] 高嬌嬌，閆宇森，盛新蒲，等.無人機(jī)遙感在西氣東輸管道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2010,37(6).

[3] 吳振宇，馬彥山.無人機(jī)遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用[J].寧夏工程技術(shù),2012,11(2).

[4] 周文生，吳振宇，劉海燕.無人機(jī)遙感在礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用[J].地下水,2014,36(2).

[5] 李定松.無人機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用[J].北京測繪,2015(4).

[6] 尹鵬飛，尹球，陳興峰，等. 無人機(jī)航空遙感技術(shù)在震后災(zāi)情調(diào)查中的應(yīng)用[J].激光與光電學(xué)進(jìn)展,2010.

[7] 張啟元. 無人機(jī)航測技術(shù)在青藏高原地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,33(2).

[8] 肖波,朱蘭燕，黎劍,等.無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急中的應(yīng)用研究[J].價(jià)值工程,2013.

[9] 梁京濤，王軍，宋云，馬曉波.汶川震區(qū)典型泥石流動(dòng)態(tài)演變特征研究——以綿竹市走馬嶺泥石流為例[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2012,20(3).

2017-01-16

李揚(yáng)(1971-)，男，吉林長嶺人，高級工程師，從事水電地質(zhì)勘察工作。

P231;P642.2

B

1003-9805(2017)02-0059-04