无人机技术在水电工程施工地质中的应用研究

吕超　张鹏　何俊澜　周鹏

【摘 要】文章以广西在建的水电工程为背景，介绍使用“大疆精灵”Phantom 4 RTK多旋翼单镜头无人机，通过运用航拍及倾斜摄影技术，结合ContextCapture等软件对施工现场进行三维实景建模，提取岩层产状、节理裂隙、空间几何参数等，并对比传统施工地质编录成果，对无人机在水利水电工程施工地质中的运用进行分析和展望。

【关键词】无人机;施工地质;三维实景建模;正射影像;地质数据提取

【中图分类号】P631;V279 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）08-0068-02

0 前言

无人机起源于1917年，经过多年发展，轻型无人机在远程遥控、续航时间、飞行品质上有了明显的提高。无人机在水利水电工程中的应用，符合工程信息化、工业化和智能化的发展趋势。RTK与无人机摄影技术的结合可以通过对飞行参数的修正等获得精度更高的测量数据，具有可视化功能，在水利水电施工现场进行飞行及数据采集工作，通过对带有定位信息的高清相片进行空间三角测量解算，对开挖的基坑进行三维实景建模，地质人员在后期处理软件中可通过判识，对基坑和边坡的岩体几何参数进行测量、计算，得到岩层和节理裂隙的产状。

1 无人机摄影系统

“大疆精灵”Phantom 4 RTK多旋翼单镜头无人机主要由空中飞行和地面控制两个部分组成。空中飞行部分包括无人飞行器、云台和摄影设备;地面控制部分包括地面控制器、数字图像显和飞行控制系统（如图1所示）。

无人机摄影过程中，飞行的相关参数会影响到结果的准确性，这就要求在无人机摄影过程中，科学设计无人机飞行的相关参数，以保证数据采集的精确性与有效性;而无人机摄影技术与RTK技术的结合，可以保证无人机获取更为准确的位置信息，使无人机按照预先设定的航线飞行。无人机摄影与 RTK技术的结合使GPS与相机曝光同时进行，获得的相应数据经过必要的处理以后，能直接得到像片的6个外方位元素，建立各个相片之间的位置关系，为空中三角测量提供了便利。

2 数据采集

2019年11月采用无人机为“大疆精灵”Phantom 4 RTK多旋翼单镜头无人机，利用摄影测量3D（五向飞行）规划航线（如图2所示），对一期围堰内的工程区开展了无人机航拍工作。航向重叠度为85%、旁向重叠度为65%，控制点尽量均匀分布于整个航测区。通过无人机搭载的高分辨率数码相机，获得了超低空遥感影像共922张，并通过RTK同步采集野外布设的控制点坐标数据。

3 三维实景建模

数据处理主要包括畸变差改正、空中三角测量、3D实景视图、正射影像等内容。本次采用ContextCapture软件对无人机航拍获得的数字影像进行畸变差改正，并利用RTK 采集的控制点坐标数据进行空中三角测量，在完成空中三角测量之后，可生成3D实景视图（如图3所示）和正射影像。

4 地质数据提取

获取地质数据有多种方法，具体如下。

（1）在所生成的施工地质三维实景模型中，每个点的数据都具有计算得到的三维坐标，可以借助三维模型数据，利用ployworks3D模型测量软件对岩体的多种几何特征进行测量，例如距离（水平、垂向、两点间、任意方向）、角度（水平、垂向、任意）、半径及方位角等。

（2）直接在三维模型中测量任意点的坐标（如图4所示）和两点间距离、高差（如图5所示）等，通过简单计算获得倾角。把生成的正射影像直接插入CAD软件，在其中量取岩层及裂隙走向和倾向（如图6所示），从而获得其产状、岩层厚度、节理裂隙间距、裂隙延伸长度等地质数据。

可以在三维实景模型上量取岩层倾向上的两点间距（L）和高差（H），通过公式A=asin（H/L），计算获得倾角A。

如图5所示，倾角A=asin（H/L）=asin（0.75/1.57）=25.4°。

将生成的正射影像直接插入CAD软件，按照岩层画出走向，垂直走向画出倾向，然后就可以标注出其夹角，从而提出岩层的走向和倾向。图6岩层走向为N42°E，倾向为S42°E。

其他地质要素也都可以相应地在三维实景模型和正射影像中提取出数据。

（3）利用结构面内不在同一条直线上的3点坐标计算结构面产状。使用无人机拍摄高分辨率的结构面露头，进行三维重建后，提取结构面的精确数据，然后在平面上选取不在同一条直线上的3个特征点，通过3个特征点的三维坐标换算出结构面的产状。

结构面上提取不共线的3个点坐标P1（x1，y1，z1）、P2（x2，y2，z2）、P3（x3，y3，z3），则结构面的法向量■计算如下：

■=p1p2×p1p3= i      j     kx2-x1 y2-y1 z2-z1x3-x1 y3-y1 z3-z1=ai+bj+ck=（a，b，c）

a=（y2-y1）×（z3-z1）-（y3-y1）×（z2-z1）

b=（z2-z1）×（x3-x1）-（z3-z1）×（x2-x1）

c=（x2-x1）×（y3-y1）-（x3-x1）×（y2-y1）

结构面的单位法向量■（nx，ny，nz）计算如下：

nx=■ny=■n2=■

单位法向量■（nx，ny，nz）与Z轴的夹角即为结构面的傾角A计算如下：

A=arccos■，因为■=1，所以A=arccos[n2 ]

计算结构面的倾向需要确定结构面单位法向量■在XY平面的投影n'所在的象限，具体计算如下：

（1）当n2>0时，

α=arccos■（nx>0，n'在？譹？訛、？譺？訛象限）2π-arccos■（nx<0，n'在？譻？訛、？譼？訛象限）

（2）当n2<0时，

α=arccos■（nx<0，n'在？譻？訛、？譼？訛象限）2π-arccos■（nx>0，n'在？譹？訛、？譺？訛象限）

（3）当nz>0时，表示结构面直立，倾角为90°，倾向不存在，产状用走向表示。

5 结语

相对于水电工程传统施工地质编录来说，无人机摄影和三维实景模型技术是更加先进的方法，可以快速创建地质信息交流环境，提高地质编录的效率，降低地质信息采集不完整及数据信息丢失的可能性，可以有效地帮助地质工作者分析地质特征。在已知结构面的基础上，预测未知结构面的位置和方向，并采集地质空间位置数据，为研究大型地质体提供三维参数，同时对问题部位的处理、基础资料的保存都具有重要意义。

参 考 文 献

[1]罗继勇，吕超，魏宇，等.广西桂平航运枢纽水电站扩机工程勘测设计报告[R].南宁：广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院，2018：78-112.

[2]同济大学数学系.工程数学线性代数[M].北京：高等教育出版社，2014：67-83.

[3]彭土标，袁新建，王惠明，等.水力发电工程地质手册[M].北京：中国水利水电出版社，2011：373-392.