无人机倾斜摄影测量在水库大坝高边坡清基开挖中的应用研究

钟乔平，杨 燕，王 俊

(云南省红河州水利水电勘察设计研究院，云南 红河 661100)

1 概述

1.1 无人机倾斜摄影测量技术概述

无人机倾斜摄影测量技术[1]是测绘领域近年来新兴的一项高新技术，利用该技术建立测区的三维立体影像，可真实反应测区地物的完整信息，精确获取地面物体的三维坐标数据，为相关行业工程建设提供三维一体化的数据支撑。本文依据某水库建设过程中大坝清基开挖的需求，结合工程实例，阐述无人机倾摄影测量技术在水库大坝清基测量中的具体应用。

1.2 水库大坝清基测量意义

在水利水电、基建、交通等工程建设领域，尤其是水利水电工程建设中，基本都会出现建设面进行清基开挖过程，在开挖过程中，需要面对判断开挖边坡稳定、开挖现状地形图测绘、开挖工程量计算、开挖基础是否到位等问题，如何控制、监测边坡开挖的稳定性，判断清基是否到位，避免工程事故发生，减少工程损失，是工程建设部门急需解决的实际问题。在水库大坝建设过程中，大坝清基开挖前后，对清基面进行现状地形测绘，以获取清基面地表三维数据，以便于对清基面进行监测、对清基工程量进行计算，以及对坝基进行全面的地质编录测绘工作提供三维数据模型。实时获取边坡开挖治理的基础数据，并在施工过程中进行监测与分析保证施工安全，是十分重要且必不可少的工作。本文通过对绿春县干禾河水库施工过程高边坡清基开挖过程的测绘方法进行研究，以解决清基测绘中的技术难点。以此推广新技术的应用。

2 项目概况及技术设计

2.1 工程概况

干禾河水库位于云南省绿春县大水沟乡东南方向李仙江三级支流来虾河中上游河段，距离绿春县城99km。工程建设任务为：解决农业灌溉和人畜饮水。干禾河水库是解决大水沟乡灌溉用水供需矛盾的关键工程，同时具有削减洪峰、缓解来虾河下游河道防洪压力的作用。测区位于康藏“歹”字型构造体系中部东支的次一级构造：绿春似帚状旋卷构造西侧，区间北西—南东向的断裂、褶皱较为发育。受其切割及挤压的影响，地块稳定性较差。因此，在工程建设过程中，特别是建基面清基开挖测量时存在重大安全隐患。

2.2 技术设计

2.2.1清基开挖测量的目的

(1)获取清基面地表三维数据。

(2)通过清基土方量计算，为甲方、施工方实时提供土方量数据。

(3)为大坝清基地质编录工作提供数据、图片、模型的数据支撑。

(4)对清基开挖过程中边坡的稳定程度进行分析，并做出有关的预报，为业主，施工方及监理提供预报数据，跟踪和控制施工进度防止滑坡引起的危害。

2.2.2技术路线

本次以云南红河在建的干禾河水库工程为例，进行高边坡清基开挖技术研究，基础数据主要采用无人机倾斜摄影测量技术，获取地面影像资料，通过计算机应用软件建立开挖区域的三维模型，依据三维模型及时获取开挖区域实景三维数据[2]，从而达到清基开挖测量的目的。作业技术流程如图1所示。

图1 作业技术流程图

3 倾斜摄影实景三维模型的建立

3.1 外野航摄数据采集

3.1.1仪器准备

由于项目区位于山区，地势变化较大，为满足最后成果精度，依据项目所在区域的地貌特点，本项目采用飞马E2000无人机倾斜摄影测量系统进行影像资料采集作业[3]。该无人机轻便小巧，采用模块化设计，组装十分便利，另外搭载配高精度差分GNSS板卡，可实现基于RTK/PPK合解算，提高实时位置采集精度，配合无人机管理软件，可实现精准的跟随地形飞行，保证影像分辨率的一致性，为三维模型的生产提供更高的可靠性。

3.1.2像控点的布测

为满足空中三角测量的精度要求，航摄外业像控点按区域网布设，像控点均匀布设于测区，采用GNSS-RTK技术施测。作业时取3次测量结果的平均值作为最终成果，像控点成果见表1。

表1 像控点布设成果

3.1.3航线布设

为获取测区高分辨率影像，满足三维建模的要求及后续成果精度，整个测区按GSD<1.5CM的要求设计，飞行的航向重叠度大于80，旁向重叠度大于70，飞行高度80m，并按仿地地模式进行多次调整镜头角度飞行，航线设置如图2所示。

图2 航线规划

3.1.4航空摄影测量

进行航摄人员在确保飞行设备各项指标正常的情况下，对测区进行无人机倾斜摄影测量获取测区高清晰影像数据。飞行过程对飞行数据进行实时监控，主要监控数据包括飞机的位置、高度、姿态，飞行速度，风速，避障雷达等。这些数据均会实时传输至电脑端无人机管家软件。飞行结束后对影像数据及时整理保存，如图3—4所示。

图3 航摄过程

图4 影像整理

3.2 建立测区三维立体模型及应用

在进行三维建模前，需要整理原始影像相文件、相机文件、像空数据、POS数据等。为建模计算提供所需数据做准备。

3.2.1实景三维模型生产

本工程采用ContextCapturCENTER(CC)进行三维实景建模软件进行建模计算，技术流程如图5所示。

图5 三维建模技术流程图

3.2.2实景三维模型的应用

(1)通过软件进行实景三维建模，利用清基前后的三维模型对比，可以直观地对清基位置及开挖深度、开挖边界进行监测，让甲方及施工方对施工进度能够合理的安排，如图6—7所示。

图6 清基前三维模型

图7 清基后三维模型

(2)通过相应实景三维模型数据采集软件(本次结合EPS2016三维测图软件)的应用，可以极尽详细地获取清基前后地表的坐标及高程数据(如图8所示)

图8 前后两期数据获取对比

通过Cass10.1软件对提取的前后两期数据处理生成三角网，运用三角网计算两期间土方量，可精确获取清基土方量，计算结果见表2。

表2 两期间土方计算

(3)通过近距离航摄采集高分辨率影像，得益于实景三维模型其逼真纹理，并且模型含有位置信息，在清基过程中可清楚了解基础开挖是否到位，如图9所示。清基后的地质编录工作结合实景三维模型[4]的辅助，大部分在室内即可完成，降低户外工作强度，提高了工作效率。

图9 模型纹理细节

(4)在清基开挖过程中，通过实景三维模型能够远程地更直观的了解边坡稳定性，对有隐患的边坡进行多次连续监测，结合高精度位置高程信息对其稳定程度进行评估，为后续安全施工提供实时准确的信息保障。开挖过程主要是对周边基础较弱的土质边坡进行监测，根据现行工程测量标准对滑坡监测的精度要求见表3。

表3 滑坡监测的精度要求

通过实地用测量仪器与模型上取特征点进行精度对比，结果见表4。

表4 测量精度对比结果

从特征点数据结果显示，其精度能满足一般土质滑坡监测要求。

4 结论

传统的大坝清基过程中对土方量计算、开挖进度、边坡监测等工作，工程建设人员需时刻在现场通过传统测绘仪器如全站仪、GNSS接收机等进行数据采集、数据编录，存在工作量效率低下、数据不直观等问题。无人机具有机动、灵活、高效的特点，结合倾斜摄影技术直观反映地物的现状、位置、高度等属性，有效地弥补地面采集数据的不足，解决施工阶段管理效率低下、信息滞后等问题。本文通过以在建水库大坝高边坡清基为研究对象，结合无人机倾斜摄影测量技术，探索了此项技术在该领域的应用前景及应用深度，具有一定的实用性及推广价值。