丁惠明，吳永江，陳紹榮

（昭通市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(shè)的基礎(chǔ)工作，對(duì)工程設(shè)計(jì)、建設(shè)進(jìn)度、工程質(zhì)量和安全等各個(gè)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(shè)在山區(qū)、峽谷等地形復(fù)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(shí)、費(fèi)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(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可獲取多角度、高分辨率的影像，能生成直觀的實(shí)景三維模型，具有高精度、高效率等特點(diǎn)，能為大壩水利工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)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(cè)量技術(shù)一般應(yīng)用效果良好，但應(yīng)用于壩區(qū)地質(zhì)調(diào)查需要較高的影像分辨率，直接進(jìn)行常規(guī)航攝，無(wú)法獲取高質(zhì)量實(shí)景三維模型[1]。

本文將無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和貼近攝影測(cè)量?jī)煞N技術(shù)進(jìn)行融合，來(lái)獲取測(cè)區(qū)影像數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理生成實(shí)景三維模型，最后對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行地質(zhì)解譯，并與地質(zhì)學(xué)專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，對(duì)壩區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和片區(qū)地質(zhì)條件進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)等，能有效降低地質(zhì)勘探的風(fēng)險(xiǎn)和成本，提升勘探效率[2]。

1 相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量以搭載傾斜攝影設(shè)備的無(wú)人機(jī)為載體，借助慣性導(dǎo)航設(shè)備和全球定位系統(tǒng)對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行高精度的三維數(shù)據(jù)采集和處理。無(wú)人機(jī)按照設(shè)計(jì)航線繞飛目標(biāo)區(qū)域，搭載的傾斜攝影設(shè)備會(huì)從多個(gè)角度對(duì)景物目標(biāo)進(jìn)行高頻率、高密度的圖像拍攝，同時(shí)利用慣性導(dǎo)航設(shè)備和全球定位系統(tǒng)精確測(cè)量無(wú)人機(jī)的三維位置和傾斜角度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)像控測(cè)量、幾何校正、影像融合以及三維重建等。通過(guò)這些處理，最終可以獲得高精度、全方位的三維信息，包括點(diǎn)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(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有高效、便捷、精度高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、土地利用、資源調(diào)查、文物保護(hù)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(cè)量技術(shù)

貼近攝影測(cè)量是利用無(wú)人機(jī)對(duì)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(jìn)行貼合飛行以獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)厘米甚至毫米級(jí)別分辨率的自動(dòng)化、高質(zhì)量影像數(shù)據(jù)采集，是一種便于對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行精細(xì)化重建的攝影測(cè)量方法。貼近攝影的本質(zhì)是對(duì)目標(biāo)表面攝影，重點(diǎn)是攝影方向不同，當(dāng)目標(biāo)與水平面垂直時(shí)，則認(rèn)為與無(wú)人機(jī)近景攝影測(cè)量類似。

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

圖1 貼近攝影測(cè)量作業(yè)方式

1.3 實(shí)景三維模型解譯

實(shí)景三維模型地質(zhì)解譯是一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新型地質(zhì)勘探方法，即將真實(shí)的地質(zhì)數(shù)據(jù)、空間信息和三維模型結(jié)合起來(lái)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層特征、砂層分布、裂縫發(fā)育等進(jìn)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(cè)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(cè)水庫(kù)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(kù)?；趦A斜攝影測(cè)量技術(shù)建立測(cè)區(qū)實(shí)景三維模型，在三維模型基礎(chǔ)上進(jìn)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(jìn)行實(shí)景三維模型重建，用于進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查分析。

圖2 傾斜攝影實(shí)景三維建模整體技術(shù)流程

2.2 低空傾斜攝影測(cè)量影像數(shù)據(jù)采集

由于測(cè)區(qū)地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，因此選擇混合翼無(wú)人機(jī)搭載5 鏡頭傾斜相機(jī)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(diǎn)布設(shè)采用呈矩形或正方形的區(qū)域網(wǎng)布設(shè)方案，大小依據(jù)航攝分區(qū)的劃分、航攝影像情況、測(cè)區(qū)地形特點(diǎn)、空中三角測(cè)量精度要求等情況進(jìn)行考慮，采用網(wǎng)絡(luò)RTK方式測(cè)量平面坐標(biāo)，使用似大地水準(zhǔn)面模型進(jìn)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(shè)以及測(cè)區(qū)跨帶等對(duì)航線進(jìn)行設(shè)計(jì)，攝區(qū)航向方向邊界向外延長(zhǎng)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(jìn)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(jìn)行下載和備份。

2.3 貼近攝影測(cè)量影像數(shù)據(jù)采集

貼近攝影測(cè)量應(yīng)用的是Mavic 2 專業(yè)版無(wú)人機(jī)，外業(yè)應(yīng)用大疆智圖和航跡大師軟件。影像數(shù)據(jù)采集主要針對(duì)大壩巖石面，配合實(shí)時(shí)圖傳系統(tǒng)，采用手控飛行模式，通過(guò)目視完成貼近攝影測(cè)量航攝參數(shù)計(jì)算后進(jìn)行手控航攝。影像數(shù)據(jù)采集主要注意兩點(diǎn)：一是垂直興趣面進(jìn)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(kāi)大壩上的附屬建筑物和樹(shù)木等障礙物，飛手需在觀察員的安全指引下沿崖面謹(jǐn)慎飛行補(bǔ)拍[4]。

2.4 實(shí)景三維模型重建

低空傾斜攝影測(cè)量使用的是Context Capture軟件，首先添加要建模的傾斜攝影測(cè)量和貼近攝影測(cè)量采集的照片和控制點(diǎn)信息文件，并進(jìn)行POS 解算，根據(jù)外業(yè)像控點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，找到影像中像控點(diǎn)位置，進(jìn)行刺點(diǎn)，輸入外業(yè)實(shí)測(cè)的像控點(diǎn)坐標(biāo)。然后進(jìn)行空三加密，經(jīng)過(guò)提取特征點(diǎn)、提取同名像對(duì)、相對(duì)定向、匹配連接點(diǎn)、區(qū)域網(wǎng)平差等步驟的運(yùn)算處理，得到測(cè)區(qū)空中三角測(cè)量成果。最后進(jìn)行模型重建，根據(jù)測(cè)區(qū)大小和影像分辨率，采用規(guī)則平面網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)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(jìn)行同名點(diǎn)匹配生產(chǎn)DSM，分別對(duì)模型的各個(gè)面調(diào)取相對(duì)應(yīng)視角中最清晰的影像進(jìn)行紋理貼圖，生成的壩區(qū)實(shí)景三維模型效果如圖3所示[5]：

圖3 壩區(qū)實(shí)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(shí)測(cè)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(guò)1 500 m，河床坡度較大，容易產(chǎn)生滑坡、滾石等。壩址區(qū)沒(méi)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(cè)區(qū)內(nèi)存在兩個(gè)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(duì)實(shí)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(jiǎn)單，整體相對(duì)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(jìn)一步研究該地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、認(rèn)識(shí)其對(duì)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(shí)景三維模型判讀及結(jié)合當(dāng)?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(bǔ)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(bǔ)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(dòng)參數(shù)

通過(guò)分析測(cè)區(qū)所在地地震局提供資料及當(dāng)前地質(zhì)信息，測(cè)區(qū)內(nèi)的較大斷裂對(duì)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(lái)未見(jiàn)活動(dòng)跡象，地質(zhì)構(gòu)造比較穩(wěn)定。歷史地震活動(dòng)性較弱，頻度較低，地震基本烈度為Ⅵ度，屬于相對(duì)穩(wěn)定的地區(qū)。大壩工程設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮這一特點(diǎn)，采取相應(yīng)的技術(shù)措施和設(shè)計(jì)方案，以確保工程建設(shè)的安全可靠。

4 結(jié) 語(yǔ)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和貼近攝影測(cè)量技術(shù)在大壩水利工程地質(zhì)調(diào)查中具有廣泛應(yīng)用前景。借助多種攝影測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高效準(zhǔn)確獲取，為大壩水利工程的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也可以大大縮短地質(zhì)調(diào)查的時(shí)間，降低成本，提高工作效率，為現(xiàn)代水利建設(shè)提供了先進(jìn)的測(cè)繪技術(shù)支持。