摘 要:為減少邊坡破壞造成的事故,需要對邊坡進行災(zāi)害評估和位移測量,本文研究使用基于無人機(UAV)的空中三角測量技術(shù)來解決這個問題。研究中共設(shè)置12個測量點,使用無人機和全站儀的實測值進行對比分析?;跓o人機虛擬參考站(VRS)的測量值與3個地面控制點(GCP)的測量值的均方誤差RMSE為11.58mm,基于后處理運動學(PPK)的測量結(jié)果與3個GCP的結(jié)果誤差為9.71mm。結(jié)果表明,使用基于無人機的VRS進行測量的精度足以進行日常監(jiān)控,為巖土工程師日常的測量提供了更便捷、更高效的方式。
關(guān)鍵詞:無人機;測量;邊坡;位移
中圖分類號:P 642" " 文獻標志碼:A
強暴雨引起的山體滑坡經(jīng)常發(fā)生在斜坡上,邊坡崩塌造成的災(zāi)害仍然不斷發(fā)生[1]。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)(例如公路、鐵路、礦山和水庫等)工程中[2],邊坡穩(wěn)定性直接影響工程的安全和壽命,對邊坡進行位移監(jiān)測,有助于確保工程的安全運行,預(yù)防和控制潛在的危險[3]。邊坡位移測量能夠及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)警滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害[4]。通過監(jiān)測邊坡的位移變化,判斷邊坡的穩(wěn)定性,提前采取防范措施,減少災(zāi)害損失[5]。
邊坡位移測量的手段包括傳統(tǒng)測量方法(例如水準測量和全站儀測量)、GNSS測量、地表形變監(jiān)測技術(shù)(例如InSAR和LiDAR)、地質(zhì)雷達(GPR)和光纖傳感技術(shù)[6]。這些手段雖然各有優(yōu)點,但也存在一些劣勢,例如測量成本高、操作復(fù)雜、受環(huán)境條件限制大等。因此,基于無人機的測量技術(shù)應(yīng)運而生,憑借其高效、靈活和經(jīng)濟的特點,成為邊坡位移測量中的重要手段[7]。
1 基于無人機的斜坡位移測量方法分析
斜坡位移預(yù)測方法利用累計位移進行破壞預(yù)測,通過該方法可以預(yù)測邊坡失穩(wěn)的趨勢?;趶默F(xiàn)場獲取的有限的位移數(shù)據(jù),通過一定時期內(nèi)的位移累計變化,建立一個多項式模型來描述位移隨時間的變化趨勢,如公式(1)所示。
d(t)=a0+a1t+a2t2+a3t3+…+antn (1)
式中:d(t)為位移;t為時間;a0,a1,…,an為待擬合的系數(shù)。
使用最小二乘法擬合多項式模型,通過最小化實際數(shù)據(jù)和擬合模型之間的誤差平方和,獲得最佳擬合系數(shù)。如公式(2)所示。
(2)
通過現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)和擬合的模型(公式(1)和公式(2))可以得到時間-位移圖,如圖1所示。邊坡位移的演變過程分為4個階段,即注意(A)、觀察(W)、警告(C)和警報(Al)。
在最初的注意階段(A)到觀察階段(W)的前40d,位移增長緩慢,累積位移約為10cm。在這一階段,邊坡整體穩(wěn)定性較高,位移變化幅度較小。因此,可以采用較經(jīng)濟的監(jiān)測方法,通過無人機定期巡檢來獲取邊坡的整體位移情況。無人機的巡檢頻率相對較低,這種方式不僅可以覆蓋較大區(qū)域,還能節(jié)省成本,同時滿足累積位移監(jiān)測的基本需求。
隨著位移進入觀察階段(W)到警告階段(C),位移速度顯著增加,達到8mm/d左右,曲線的陡峭程度也開始增加。此時,邊坡的內(nèi)部應(yīng)力逐漸積累,失穩(wěn)風險增加。為確保監(jiān)測的精度和實時性,需要提高監(jiān)測頻率,無人機監(jiān)測頻率可以增至1d/次。通過搭載高分辨率成像設(shè)備和精確定位系統(tǒng),獲取高精度的位移數(shù)據(jù)。同時,利用無人機的靈活性,可以在邊坡復(fù)雜區(qū)域進行詳細的位移測量,獲取局部位移加速度和形變趨勢,為后續(xù)的風險評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
在進入警告階段(C)至警報階段(Al)后,邊坡的位移增長顯著加速,曲線變得更陡峭,位移值迅速接近400mm,表明邊坡處于高度危險狀態(tài)。在這一階段,無人機的實時監(jiān)控能力將發(fā)揮關(guān)鍵作用。由于此時的位移變化劇烈,位移速度顯著提升至每日數(shù)十毫米,傳統(tǒng)的間隔監(jiān)測方法已經(jīng)無法及時反映邊坡的動態(tài)情況。無人機可以通過連續(xù)飛行監(jiān)控,捕捉邊坡隨時可能發(fā)生的位移變化,并將數(shù)據(jù)實時傳輸至監(jiān)測中心,確保預(yù)警系統(tǒng)能夠及時響應(yīng),避免人員傷亡和財產(chǎn)損失。這不僅減少了地質(zhì)技術(shù)人員進入危險區(qū)域的風險,還能在短時間內(nèi)覆蓋更大范圍的監(jiān)測區(qū)域。無人機提供的高分辨率影像和精確的位移數(shù)據(jù),可以為巖土技術(shù)人員進行數(shù)值分析和滑坡風險建模提供更充分的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。
2 試驗設(shè)置和數(shù)據(jù)準備
研究區(qū)域的斜坡寬度為22m,長度為44m,高差為11m,坡度約為1∶0.8,研究區(qū)的海拔高度最低為25m,坡頂距無人機約15m。無人機的飛行速度設(shè)置為2m/s。為了獲得更高的攝影測量穩(wěn)定性,在距最低點60°的位置拍攝傾斜圖像。
當無人機攝影時路徑重疊達到80%或以上時,攝影的誤差最小。在本研究中,飛行路徑設(shè)置為80%的重疊,飛機采集了172張照片。圖2(a)顯示了控制點GCP(圖中序號)和檢測點CP(方框中的點),圖2(b)為本次飛行任務(wù)的飛行軌跡。
使用地面的測量樁作為檢查點,將樁插入地面,樁頂高于地面超過25cm,并在頂部貼上反光片。試驗中使用的全站儀的距離測量精度為±3 mm,角度測量為±1\"。使用GNSS測量三個地面控制點(GCP)的坐標,在三個GCP上安裝棱柱,使用全站儀測量得到GCP坐標,見表1。通過最小二乘法計算X和Y坐標,Z坐標設(shè)置為GCP高度的平均值。用全站儀測量試驗樁的中心并作為檢查點。棱鏡精度為±(2D)mm,反光片精度為±(4D)mm,其中D為測量距離,單位為km。由于所有檢查點與全站儀的距離均在70m以內(nèi),因此每個檢查點的儀器誤差約為5mm。
3 試驗結(jié)果
3.1 PPK處理前后初始相機位置的差異
在正常坡度條件下,測量所需精度在10cm以內(nèi),精密監(jiān)測需要亞厘米精度。PPK可應(yīng)用于基線較長或信號中斷的區(qū)域。在本研究中,基站和無人機之間的距離約為3.5km,使用VRS的結(jié)果可以認為是可以接受的。PPK的后處理數(shù)據(jù)利用RTKLIB處理。RTKLIB程序可以通過減少載波相位模糊度來提高精度,同時使用擴展卡爾曼濾波器(EKF)技術(shù)對從無人機接收到的校準值進行額外的數(shù)據(jù)后處理。表2顯示了VRS測量的中心坐標和精度,表3列出了經(jīng)過PPK處理后的結(jié)果。VRS的平均精度水平為1.32cm,垂直為2.42cm。經(jīng)過PPK處理,水平和垂直精度分別提高到0.54cm和0.74cm。
3.2 基于GCP以及VRS和PPK處理的精度評估結(jié)果
為了進行精度評估,通過在Pix4Dmapper專業(yè)無人機測繪軟件中手動從2張或多張照片中選擇檢查點來計算距離并評估精度。手動相對定向精度為0.46px,平均地面樣本距離(GSD)約為6.00mm,GCP在X、Y和Z方向的平均RMSE分別為3.35mm、2.48mm和2.23mm。試驗結(jié)果見表4,圖例如圖3所示。
根據(jù)試驗結(jié)果,當使用1、2、3個GCP(地面控制點)以及不使用GCP時,測量精度因組合而異。當僅使用VRS(虛擬參考站)時,隨著GCP數(shù)量增加,水平方向上的平均值和標準偏差顯著減小,而垂直方向上的平均值有所增加,但標準偏差減小。經(jīng)過PPK(精密后處理動態(tài)定位)處理后,水平方向上的誤差有所改善,但在垂直方向上,平均值有所增加。
試驗表明,VRS測量Z坐標的誤差從1.5mm增至33.7mm,而在PPK處理后,誤差進一步增至36.0mm,這可能是受檢查點坐標偏差的影響。在無GCP的情況下,VRS的Z誤差為3.3mm,而PPK處理后的Z誤差為36.0mm,表明PPK過程中存在約35.0mm的偏差。由于VRS和GCP誤差之間的相互作用,使用GCP的校正效果因數(shù)量而異。最終試驗表明,使用3個GCP可以顯著降低誤差,RMSE達到了11.58mm,而PPK的RMSE為9.71mm,仍無法達到8mm/d的中期位移速度計算精度要求。但標準差分別為8.13mm和4.24mm,如前所述,如果多次觀測的結(jié)果有差異,就判斷中期PPK處理結(jié)果的精度是可以滿足的。
此外,研究區(qū)GNSS接收條件良好,VRS測量精度較好。基于這些條件可以看出,僅使用具有直接地理配準的低無人機提供的VRS就可以得到較高的測量精度,表明低成本的無人機測量可以滿足使用要求。
4 結(jié)語
在本研究中,為了評估使用無人機進行邊坡測量的實用性,使用內(nèi)置VRS接收器的低成本無人機在低空拍攝高重疊的照片。根據(jù)PPK處理的存在與否以及GCP的使用驗證了測量的準確性,可以達到邊坡位移測量所需的精度水平,且僅使用VRS即可獲得約40mm的精度,不需要使用GCP,這降低了測量的成本,不僅減少了地質(zhì)技術(shù)人員進入危險區(qū)域的風險,還能在短時間內(nèi)覆蓋更大范圍的監(jiān)測區(qū)域,可以為巖土技術(shù)人員進行數(shù)值分析和滑坡風險建模提供更充分的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。
參考文獻
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