倾斜摄影在基岩水库地质编录中的应用

熊 奇

（河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州450016）

倾斜摄影测量技术是国际测绘领域近年来发展起来的一项新兴、热门技术，它融合了正射和倾斜影像，通过在同一飞行平台搭载多台传感器（目前常用的是五镜头相机），同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。倾斜摄影测量有别于传统的垂直航空摄影， 它能从多个角度观察地物，能反映地物真实情况［1］。 本文以河南省三门峡大石涧水库施工地质编录为例， 采用倾斜摄影测量技术对水库坝址区施工开挖面进行三维实景建模，并以此模型，获取场区地质体几何更精细的尺寸、结构面特征等参数，为基岩水库地质编录提供一种安全高效的方法。

1 倾斜摄影测量系统组成简介

倾斜摄影测量系统主要由飞行系统、 地面控制系统和后期数据处理三大部分组成。 其中飞行系统包括飞机平台（包括小型飞机或无人机）、航拍传感器系统（包括五镜头相机、GPS定位装置和姿态定位系统）、 飞机控制系统和数据实时传输与解压缩系统；地面控制系统包括航迹规划系统、无人机地面控制系统及数据接收解压缩与实时显示系统； 后期数据处理系统包括图像拼接、几何校正、信息提取与分析等处理系统［2］。

2 工程应用实例

2.1 工程简介

大石涧水库坝址区位于河南省三门峡市回春河上，河谷由南北向转呈近东西走向。主河槽两岸均为雄厚的中低山山体，山顶高程600～710m，两岸岸坡陡峭，局部近直立。 河底高程552～560m，河谷呈较宽的“U”型，底宽80～130m。揭露基岩为中元古界熊耳群许组安山玢岩，开挖面为578～595m坡面，放坡约1∶0.5。

2.2 倾斜摄影测量航拍建模

2.2.1 影像获取

为了准确清晰地展现开挖面地质体的长度、面积、产状等特征，在航拍过程中无要求无人机低空飞行，根据现场地形起伏和保证安全的前提下，相对航高应设定为20～50m、分辨率要求达0.5m以内。

该次飞行采用垂直起降多旋翼无人机， 轻便灵活； 针对坝址区坝基的开挖现状， 飞行高度设定约50m的低空免像控点飞行方式，分辨率0.2m，本次航拍采用一个架次完成了坝址区的影像拍摄。 飞行参数如表1。

表1 本次航摄飞行参数

2.2.2 影像处理及建模

基于摄影测量处理系统软件对外夜航片进行影像预处理、区域网联合平差、空中三角形测量、倾斜影像密集匹配、DSM点云生成、TIN构建、纹理映射等操作，经精度评定后，生成满足精度需求带有场区坐标系统的三维坐标的实景模型， 如图1和图2。

图1 水库坝基开挖面网格图

图2 水库坝基开挖三维实景模型

2.3 基于实景模型进行地质编录

2.3.1 地质体坐标、长度、面积的获取

生成的实景模型具有真实的三维坐标， 因此可通过三维分析软件在实景模型上直接查询各地质点的坐标、长度、面积。

2.3.2 地质体结构面产状的提取与计算

传统的地质编录中是利用罗盘直接在地质体面上进行测定， 而在三维实景模型中获取一个面的产状需要获取3个不共线点的坐标， 根据此3个点代表的平面来确定目标面的产状。其数学模型如下：已知一个平面方程Ax+By+Cz+D=0， 式中：A，B，C，D为方程参数，A，B，C不同时为零。 如果能够确定该平面上3个不在同一直线上的点的大地三维坐标，就能够联立方程求得A，B，C的值。 平面的A，B，C能够确定结构面的产状，根据以下公式分别确定走向、倾向、倾角。

倾向：若A＞0，B＞0，C＞0或者A＜0，B＜0，C＜0，倾向NE。

若A＞0，B＜0，C＜0或者A＜0，B＞0，C＞0，倾向NW。

若A＜0，B＜0，C＞0或者A＜0，B＜0，C＜0，倾向SE。

若A＞0，B＞0，C＜0或者A＞0，B＜0，C＞0，倾向SW。

2.3.3 开挖面编录

根据三维实景模型的内业判读分析， 不仅能直接对开挖面的裂隙、层面、破裂面等进行直接辨识，且能够相比传统的实测更全面、更整体地把握裂隙的发育特征规律。 本次开挖面的地质编录成果如图3。

经判读统计，该段开挖面上共揭露4组高倾角节理裂隙及3条长大缓倾角裂隙。

4组高倾角节理裂隙分述如下，①组节理为近南北向，节理延伸大多1.0～2.0m，发育间距40～50cm，发育密度2条/m。 ②组节理沿北东向，延伸0.5～2.0m，裂隙缝宽约2mm，部分闭合，面较平直，发育间距20～30cm，发育密度2条/m；③组节理发育近东西向，延伸2.0～5.0m，发育间距40～70cm，发育密度3～7条/m。 ④组节理走向大多沿北西方向， 延伸1.0～2.0m， 间距40～60cm，发育密度3条/m。

图3 水库595～605m开挖面地质编录成果

长大缓倾角节理主要发育有3条，JH1位于603m高程处，走向15°，倾向SE，倾角10°， JH2位于601m高程处，走向315°，倾向NE，倾角15°，起伏差大， JH3位于593m高程处，走向0°，倾向E，倾角12°～15°。

2.3.4 成果对比

基于以上成果， 对采用倾斜摄影的编录方法和传统的编录方法和进行各方面对比分析：

（1）采用倾斜摄影的编录方法对编录范围内的地质体整体特征判读的更准确。 传统的编录方法，现场编录人员往往身处开挖面一个角落进行编录，范围较大时，无法看到开挖面整体的状况。 采用倾斜摄影的编录方法， 能够充分对整体结构面发育状况进行分析，有效避免结构面漏测，所获取的结构面更详细。

（2） 采用倾斜摄影的编录方法精度和可靠性更高。 传统的皮尺+罗盘编录方法，测量精读和可靠性是不可控的，也不可能评定，而采用倾斜摄影测量编录方法，在航拍影像内业处理中，进行了数据平差和精度评定，从而使整个模型精度可控，为模型投影、局部展视图等提供了精度保证。

（3）采用倾斜摄影的编录方法，仅需航拍外业和少量外业复核工作，以内业工作为主，大大提高了效率，有效避免了外业攀爬过程中的安全风险。

（4） 编录地质体的坐标、长度、面积测量结果对比，两种方法测量结果一致， 但由于开挖面的形状不规性， 面积的测量在局部区域会稍有偏差， 必要时需对局部区域进行现场实测校核。

（5）地质体的产状测量，两种方法测量结果基本一致， 但是对顺直发育的高倾角结构面， 系统无法准确获取结构面上不在同一直线上的三个点， 会导致产状结果偏差较大，但差值整体均在10°以内，所测成果可以利用。

（6） 采用倾斜摄影编录方法中，对岩体坚硬程度、结构面张开度、 充填物及起伏差等特征无法准确判别。 因此，在实际工作中，采用倾斜摄影编录方法还需进行少量外业补充和复核工作， 方能达到良好效果。

3 结语

基于倾斜摄影测量地质编录方法是可行的，它有别于传统的编录方法，能更全面、准确地获取岩体结构面的特征，大大提高了安全性和效率，有极大的推广前景。同时，该技术也可提供实时或开挖现场影像资料，有利于施工资料备份和管理。