无人机摄影测量在库区地质灾害安全检查中的应用

吴　楠，韩　东

（1.国电大渡河大岗山水电开发有限公司，四川石棉，625409；2.成都三足乌无人机科技有限公司，成都 610042）

无人机摄影测量在库区地质灾害安全检查中的应用

吴楠1，韩东2

（1.国电大渡河大岗山水电开发有限公司，四川石棉，625409；2.成都三足乌无人机科技有限公司，成都 610042）

本文以无人机摄影测量在大岗山水电站库区地质灾害点安全检查中的应用为例，对无人机数据采集、以无人机为载体的垂直摄影和倾斜摄影两者间的综合利用进行分析研究。实例表明，综合利用垂直摄影和倾斜摄影进行水电站管理和地质灾害点分析及治理具有良好的可行性。

无人机；摄影；地质灾害；大岗

随着摄影测量学的快速发展，以无人机为载体的垂直摄影和倾斜摄影技术成果都已经成为测绘信息数字的主产品，分别被广泛应用于土地规划、防灾减灾、国情监测、数字化城市建设、水利水电工程等领域。本文以大岗山水电站库区6个重点地质灾害点为例，应用无人机采集数据，综合利用垂直摄影和倾斜摄影方法及利用后期成果用于地质灾害点的分析、决策和模拟，通过实践表明了该方法的可行性和实用性。

图2　DOM生产的技术流程

图1　像控点测量工作流程图

1 工作范围及内容

本次摄区为大岗山水电站库区约110km2。通过多种无人机飞行平台搭载相关采集设备，获取分辨率优于0.15m的影像共2 706张。生产1∶2 000标准分幅正摄影像126幅，高程模型126幅，为构建大岗山库区三维大场景提供了基础数据。

根据空三加密精度要求，对整个库区进行野外像控点测量。像片控制点测量工作流程如图1。

2 垂直摄影基于Inpho与EPT软件的DOM生产流程

Inpho航测系统和EPT（易拼图）均是处理航空影像的专业软件。利用Inpho的MATCH-AT（自动空三）模块完成空三加密处理工作，并采用MATCH-T（全自动DTM/DSM提取）模块自动获得测区的DTM。技术流程见图2。

3 倾斜摄影基于Smart3D软件的三维建模生产流程

Smart3DCapture基于影像和图形运算单元GPU的快速三维场景运算软件，在Smart3DCapture Master软件中，导入各种采集的数据基于图形运算单元GPU和影像的全自动三维技术，可运算生成基于真实的超高密度点云，生成具有高分辨率的实景真三维模型。

三维模型数据生产按其工作内容划分为准备工作、自动建模、数据检查、数据应用的工作内容（图3）。

1）航飞数据预处理：对倾斜摄影采集的航片进行影像匀光匀色、畸变差改正、摄点坐标数据转换和整理。

2）自动建模：Smart3DCapture基于高性能摄影测量、计算机视觉与计算几何算法进行自动建模。

3）数据检查：检查模型360°的细节和精度，最终输出OSGB格式的模型数据。

4）数据应用：搭载数据平台进行基数数据的量测，计算长度、面积、库容量、挖方量。

5）数据对比：在库区的地灾点进行汛前和汛后两次倾斜摄影，通过两次数据的成果对比获取各灾害点地表的变化。

图3　三维建模工作流程图

4 摄影测量成果后期开发和应用

4.1计算原理

4.1.1填挖方计算

为了提高填挖方量的精度，基于DEM 数据来模拟地形起伏，再在此基础上估算填挖方量。设填挖前的为原始地表DEM，填挖后的为设计地表DEM，则只需要计算两个DEM之差，即可得到所在区域的填挖方量。DEM数据是以离散方式组织在一起，用函数表示如下：

Zi=f（xi，yi），i=1，2，3…n

其中xi，yi为平面坐标，Zi为对应的高程。

设原始地表DEM为A，设计地表DEM为B，在相同的坐标原点和格网分辨率的条件下，将同一区域的A和B进行叠加，可得到新的DEM，设为△DEM，则有△DEM=A—B，其分量表示式为：

△Zi=fA（xi，yi）- fB（xi，yi）

式中fA（xi，yi）为原始地表DEM的格网点高程；fB（xi，yi）为设计地表DEM的格网点高程。

对任一格网i，若△Zi>0，则该格网为挖方，若△Zi<0，则该格网为填方。当栅格很小时，f（xi，yi）连续，对于同一个小区域来说，f（xi，yi）变化很小，这时可以将分割曲面近似看做平顶体，设格网面积为si=dx·dy，则该格网处的土方量为：

Vi=△Zisi

假定场地栅格数为n，如果栅格没有被分割，si=W·W，W为DEM分辨率或栅格大小。于是填挖方量便是这n个平顶体的体积之和。

4.1.2水库库容量计算

坝前水位线以下或两特征水位线之间的水库容积，常称为静态库容。在水库运用中，受水库尾水影响，库区水面线呈抛物线形状，这时实际水面线以下、库尾和坝址之间的水库容积，称为动态库容。

基于空间信息技术，采集并建立水库地形高精度数字高程模型（DEM），精确地模拟水库河道地形，可以快速而准确地计算水库静库容。该设计采用基于水库地形DEM数据的格网法进行静库容计算，其计算原理是：把DEM数据每个栅格点中心点的高程值作为该栅格的高程值，求得每个栅格与指定水库水位之间围成的棱柱体体积后进行累加，即为该水位下水库的静库容值。计算公式为：

式中：V静（H）为指定水位的静库容（m3）；n为高程值小于H的DEM格网的个数；H为水库水位的高程值（m）；hi为高程小于指定水位的格网高程值；s∝为单个DEM格网的面积值，DEM分辨率为1m时，s∝=1×1（m2）。

动库容主要受地形和水库流量影响。地形开阔、河道比较小的水库，动库容相对较小；入库流量愈大，水库末端回水水面上翘愈高，动库容愈大。考虑系数修正方法计算水库动库容。计算公式为：

式中：V动（H）为指定水位的动库容（m3）；k为尾水修正系数，其他同上。

4.2流程设计

4.2.1填挖方量

利用DEM模型对项目区域进行填挖方计算，即根据区域边界，高程点展点图和设计高程，运行填挖方量计算程序，计算出指定范围内的填挖方的土方量。主要步骤如下：

①基础数据准备：利用高程数据建立项目区的数字高程模型DEM，包括原始DEM和规划DEM；

②区域划定：选择填挖方区域；

③坐标转换：判断裁剪区域与DEM投影信息是否一致，如果不一致，进行坐标转换，统一投影信息；

④区域裁剪：裁剪原始DEM和规划DEM；

⑤填挖方计算：叠加分析裁剪后的原始DEM和规划DEM，计算填挖方量。

4.2.2水库库容量

为了实现水库库容的计算，需要预先设置水库最低水位、最高水位和水位间隔值。大型水库高精度的DEM数据量很大，需要分块存储，可以采用组件Supermap提供的接口访问DEM数据的高程值，运用种子填充算法进行遍历。具体实现流程如下图。

图4　库容计算实现流程图

5 地质灾害判读和应用

西南地区是我国水力资源丰富的地区，许多水电项目处于原始森林，高寒地区，常年植被茂盛，冰雪覆盖，交通不便，给选点、设计的地质灾害调查带来了较大的困难。无人机地表数据采集应用于工程地表地质调查、地质灾害排查等工作后，有效弥补了传统勘测设计手段难以实施的缺陷，尤其在陡峻地形条件，人员难以到达的地区，为勘测设计工作提供了翔实的第一手资料。根据无人机采集资料可进行地层划分、地质构造判识和滑坡、泥石流等环境地质条件的高精度调查，对工程场址区的地质宏观稳定性判别等。大岗山水电站水库区采用无人机地表采集获取了的正射影像（DOM）和数字高程模型（DEM）。经过像控点测量后，获取的地质灾害点（滑坡、变形体、泥石流等）地表信息与已有的水库区地形图、工程地质图吻合使用，而数字高程模型（DEM）是大比例的影像成果，更适合细部的滑坡、变形体等地质灾害点的判读。

5.1 正射影像（DOM）

正射影像能直观、准确地获取地质灾害点（滑坡、变形体、泥石流等）地理信息；对大岗山水库区大渡河发育特点、两岸支流、支沟（尤其是泥石流沟）的分布位置，通过获取的数据计算出支流、支沟长度、流域面积、比降等信息（影像范围内）；滑坡、变形体和泥石流灾害点的分布位置、距坝距离。根据影像显示的沟口堆积物特征确定不同期次泥石流的堆积和影响范围，并估算出泥石流的堆积体积。根据正射影像直观反映滑坡、变形体和泥石流等地质灾害点与天然河水位、库水位的空间关系。大岗山水库的正射影像反映，32.7km长水库支流主要分布在大渡河右岸，较大的支流有近坝库段的田湾河和库尾的磨西河，左岸主要为支沟。田湾河少有泥石流堆积，而磨西河河口有大片泥石流堆积分布，从堆积体上建筑物判定，磨西河河口泥石流堆积时间较早。左岸支沟口泥石流堆积较为丰富。从泥石流堆积与库水位的空间关系看，多数泥石流堆积均淹于库水之下。

5.2 数字高程模型（DEM）和倾斜摄影模型

在正射影像下确定地质灾害点的地理位置的基础上，在数字高程模型和三维精细模型中从不同高程、不同角度观察滑坡、变形体等地质灾害点的全貌和细部特征，并根据地形的细微变化对其稳定性进行初步的定性评价。首先从整体上观察滑坡、变形体的全貌。数字高程模型（DEM）清晰显示滑坡、变形体的前、后缘及周边地貌特征，同时可以确定滑坡、变形体的主滑方向和分布面积。以烂田坝滑坡为例，滑坡上游以冲沟为界，后缘及下游侧滑坡特有的“圈椅状”地形特征完整，滑坡前缘堆积于大渡河堆积这上，测得滑坡分布面积约70万m2，主滑方向为S70°W。

在滑坡、变形体细部特征方面可以确定其前后缘高程、整体和各高程段的地形坡度，各类滑坡微地貌的大小、隆起或下凹高度等。以得妥滑坡为例，从数字高程模型（DEM）上确定滑坡堆积于大渡河阶地堆积之上，前缘高程1 130m，后缘高程1260m，滑坡圈椅状地形明显，滑坡堆积坡度10°~15°，缓坡前部为滑坡鼓丘，后部及周边为负地形及凹槽，鼓丘凹槽最大高差约12m，负地形面积约1 000 m2。滑坡后壁坡度35°～40°，坡高200m余。滑坡体上分布有居民和零星旱地。S211省道复建公路位于大渡河阶堆积与滑坡陡坎前缘及中部，长度约500m，水库蓄水淹没下部阶地堆积陡坎，尤其在水位消落时，易产生岸坡塌岸，影响公路的正常运行。

此外，正射影像（DOM）还可用于水库区复建项目的规划设计，影像直观反映规划设计线路的合理性，如复建公路、桥梁和集镇场址。而数字高程模型（DEM）能运用于复建项目设计线路的细部规划设计，相对而言，在数字高程模型（DEM）和三维精细模型中规划设计更直观、立体。

The Application of Unmanned Aerial Vehicle Photogrammetric Technique to Geohazard Monitoring

WU Nan1HAN Dong2

(1-Daduhe Dagangshan hydropower development Co.，Ltd.，GD., Shimian Sichuan 625409; 2-Chengdu

Three-Legged Bird Unmanned Aerial Vehicle Technology Co., Ltd, Chengdu 610042)

This paper deals with comprehensive utilization of vertical photography and oblique photography of unmanned aerial vehicle photogrammetric technique in geohazard monitoring by the example of the application of unmanned aerial vehicle photogrammetric technique to geohazard monitoring at the Dagangshan Hydropower Station.

unmanned aerial vehicle; photography; geohazard; Dagangshan Hydropower Station

图5　烂田坝滑坡全貌

图6　得妥滑坡后部凹地特写

P231

A

1006-0995（2016）02-0316-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2016.02.032

2016-05-04