基于无人机摄像技术的水电工程库区国土空间快速建模及数值分析

钱庭青，张 迁，徐洪钟，毕 港*，朱 焕

1. 江苏省地质工程勘察院，南京 211102；2. 南京工业大学 交通运输工程学院，南京 211816

自建国以来，水电工程逐渐增加，迄今发电量已达国家总量的20%。水电作为一种清洁能源，符合当前减少碳排放、实现碳中和的可持续生态发展的长期目标。近些年来对水电工程库区国土空间生态长期稳定的健康监测越发重视，国家能源局及国家电力监管委员会逐步推出各项规定和指导建议，强调定期核查水电工程库区国土空间生态健康的必要性。

针对水电工程库区国土空间生态健康的调查，传统地质灾害的技术手段，存在人力成本高、调查精度低、现场还原性差、调查范围有欠缺等不足，比如低水位时坝体状态，因距离坝顶太远看不到细节。一种高效、便捷、及时、全局化、且短期能多次重复的调查技术手段的应用能极大地优化水电工程库区国土空间生态健康监测。

近几年遥感影像相关软件及硬件的快速发展，实现了在小型无人机上挂载高清数码相机拍摄地面影像，在保证一定重叠率的基础上经过图像识别算法分析，直接得到地面高分辨率数字正射影像（Digital Orthophoto Map, DOM），进一步汇总为数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM），极大地方便了科研工作和工程设计的后续分析研究。相比与传统地质灾害调查手段，无人机适用于困难地区信息采集（黄海宁等，2019），且保持高精度；相比于卫星遥感数据，无人机摄像技术具有及时性（张欢等，2021）、便捷性（陈天博等，2017；张崇军等，2021）、适用于复杂地形地貌（马娟等，2019）、短期能多次重复性（孔嘉旭等，2021）等优点。

早在十年前，马泽忠等（2011）将无人机应用于夏季暴雨引发山体滑坡导致的堰塞湖的灾后重建工作。但近五年来无人机摄像技术才在国土空间生态健康监测中逐步普及，主要应用于高精度常规地质灾害调查（付萧等，2018；王帅永等，2016）、极端情况下地质灾害应急响应（郭晨等，2020；黄海峰等，2017；彭大雷等，2017；杨燕等，2017；周小龙等，2022）、矿山生态修复（何原荣等，2017；闻彩焕和王文栋，2020；张恺等，2019）等方面。

但目前针对无人机摄像技术构建的DEM进一步的分析应用较少（Ma et al., 2020; Tang et al.,2021）。本文以某抽水蓄能水电工程为例，探索了基于无人机摄像技术生成的DEM的快速数值建模及强度、变形及稳定性分析的思路和方法。该方法有助于优化无人机摄像技术在水电工程库区国土空间生态健康监测中的应用，为相关行业技术的推进和社会经济的发展提供辅助及参考。

1 基于无人机摄像技术的快速数值建模思路

本研究采用的无人机型号为大疆M300Pro搭载D-RTK，分辨率8192*5460，地面拍摄精度可达cm级。基于无人机摄像技术的快速数值建模的室内外工作原理（图1）大致可概括为：（1）指令无人机按照规划的航线飞行，拍摄地形地貌影像；（2）经过专业影像分析软件如Photo Scan等对影像进行拼接、校正并最终重构DOM及DEM；（3）研究人员和工程人员利用有限元、有限差分等数值软件结合DEM开展进一步数值分析，具体流程如下。

图1 无人机摄像技术的快速数值建模流程Fig. 1 Work flow for the rapid numerical modeling based on the UAV

1.1 无人机飞行航线规划设计

在获取不同时期水电工程库区国土空间生态的时空状态信息时，布设无人机单水平、垂直航线，航线覆盖研究区域及其周边环境。为保证建模精确度以及在数据分析过程中有足够多的参考点位，需调整数据采集参数，同一航线相邻照片之间的重叠度应大于60%，相邻两条航线之间照片的重叠度应大于30%，重叠度越高，相应建模精度也越高。如果拍摄目标较大或较复杂，单条航线单个角度拍摄无法获取所有细节，为使模型更加精细准确，可以采取设计多条航线以多个拍摄角度进行航摄，最后多条航线航摄照片进行结合处理。在执行完飞行任务后，及时检查影像的完整性和精度，对于数据缺失或者图像模糊的区域进行重新采集。最终采集的图像包含POS数据，并具有高重叠率、精度高等特点。

1.2 三维实景模型建立

将无人机按设计航线获取目标区域的高精度航空影像数据导入自动化建模软件，完成三维模型的建立。整个建模的过程需要经过导入照片、对齐照片、建立密集点云、生成网格、生成纹理几个流程。最终成型的空间三维模型可以按照需求输出相应的成果，如DOM。

通过以上两步的操作，基本实现地形勘测的任务。利用实景三维模型可以清晰地反应地形地貌，相对传统的二维图纸更加生动形象的展现现场实景，也降低了多方合作的技术门槛。利用DOM提供了比卫星遥感更高精度的影像效果。

1.3 三维数值模型

因为无人机获取的是高精度的遥感影像，其数据量一般很大（可达十几个G）,有限元软件的计算速度受到了明显地限制。比较而言，有限差分方法使用显式近似迭代求解偏微分方程组，不存储刚度矩阵，受数据量的影响较小。因此本研究采用某有限差分软件。它支持导入网格，其直接使用三维坐标，格式如下例，通过五个空间点，按右手法则，定义生成一个四面体单元。

通过无人机三维实景模型建立三维数值模型的常规方法是：借助多视图三维重建技术获取目标的密集点云，然后使用Cloud Compare滤波、平滑等处理，生成网格以*.stl文件格式导入软件中生成曲面模型并延展成体，最后利用高级网格生成插件对三维实体网格模型进行再啮合网格划分，并保存成可以识别的网格文件，然后用import命令生成复杂三维地质体的数值计算模型。

但同样的原因，因为无人机获取的数据量非常庞大，这种建模方法依然低效，且无法保证精度。因为三维数值分析所需的模型其实相比无人机三维实景模型，相对粗糙，不需要庞大的数据节点。本研究采用如下方法快速构建三维数值模型：借助多视图三维重建技术获取目标的密集点云，然后生成地形等高线图，最后软件使用内置编程语言，依托地形等高线图生成三维数值模型。如依托图2的某地形等高线图构建的三维数值模型图3。其核心程序代码见附录一。

图2 某地形等高线图Fig. 2 Contour map of one area

图3 依托地形等高线图构建的三维数值模型Fig. 3 Three dimensional numerical model constructed based on the topographic map

2 工程应用实例

2.1 工程概况

研究对象坐落于历史名山醉翁亭记的诞生地，下水库利用已建的城西水库，正常蓄水位29 m；上水库是国内第一座修建于岩溶地区的日调节抽水蓄能电站水库，正常蓄水位172 m，死水位150 m。上水库建有主坝及副坝各一座，坝型为钢筋混凝土面板堆石坝和混凝土重力坝，最大坝高为64.5 m和20 m。历经近20年等各项地质勘察推进工作，并经5年工程建设，自2007年底投入使用，总装机60万千瓦。

抽水蓄能库区位于江淮分水岭南侧，属于长江流域。库区的上水库和下水库（城西水库）均位于清流河支流小沙河上，流域内小支流密布，河系呈叶脉状。清流河贯穿滁州市区，向东南流入滁河，最后汇入长江。下水库（城西水库）位于小沙河支流下游，是滁州城区供水的唯一水源基地，建成于1960年，集水面积为168 km2；上水库位于小沙河三条支流之一的东源上游，流域面积为1.97 km2。地下水主要接受大气降水的补给，以泉水和地表径流的形式排向河谷。库区内主要岩土层为灰色巨厚层至块状致密灰岩，上覆棕灰色粉质粘土。区域地壳属于稳定区。

2.2 三维实景模型

依据国家能源局及国家电力监管委员会等部门的相关规定，对于地质灾害高易发区内的重要电力设施，原则上应每三年组织专业人员开展周边地质灾害风险辨识，全面排查崩塌、滑坡、泥石流、塌陷等地质灾害隐患，同时做好抗滑桩、护坡、挡渣墙等防护措施的安全隐患排查，确保其正常发挥作业。2021年相比2018年在传统地质灾害调查手段的基础上，针对抽水蓄电工程库区的重点场所，如主坝、副坝、及三个渣场等大型工程，增加了无人机摄像技术手段。无人机飞行航线规划图如图4。

图4 无人机飞行航线Fig. 4 Flying routes of an UAV

通过无人机摄像技术采集影像，并经建构的主坝体模型如图5。详细核查主坝模型的各个细节，可见主坝伸缩缝形态良好，未见开裂。

图5 主坝模型Fig. 5 Model of the main dam

2.3 数值分析

为了进一步核实主坝的应力应变及稳定性状态，将无人机摄像技术建构的DEM，使用前述小节描述方法，建立主坝三维空间岩土体模型 （图6）。坝体总长700 m，约中间处坝体向右偏转15°。模型尺寸约为250 m*700 m*120 m。剖分网格78400个，节点86631个。边界条件为底部铰接及四周滑动接触。坝体材料主要是堆积块石，表面用混凝土防护，赋予摩尔库伦弹塑性本构模型；基岩为未风化到微风化灰岩，赋予弹性本构模型，具体参数见表1。经分析计算，主坝的应力状态如图7（注：默认压应力为负）。截取主坝坝高最高的截面，采用某通用极限平衡分析软件分析其稳定性（图8），得到低水位时地震工况（0.1g）下主坝的最低安全系数为2.16，极为稳定。

表1 本构模型及参数Table 1 Constitutive models and parameters

图6 主坝数值模型Fig. 6 Numerical model of the main dam

图7 主坝垂直应力状态Fig. 7 Vertical stress of the main dam

图8 主坝稳定性（地震工况）Fig. 8 Slope stability of the main dam (earthquake considered)

3 结 论

本文提出了一种新的思路和方法，实现了对国土空间生态快速有效地健康监测。基于无人机摄像技术获取地形数字模型的快捷性，对接入数值分析软件快速建模并开展数值模拟，从而实现对国土空间生态健康的高效、及时地监测。以某抽水蓄能水电工程为例，详细描述了无人机室外飞行，构建DEM，建立三维数值分析模型，并开展强度、变形及稳定性分析的流程。结果表明：无人机摄像技术能够实现对水电工程库区国土空间生态高效、便捷、及时、全面的健康监测。无人机摄像技术建构的三维数字高程模型高度还原现场，便于科研工作和工程设计的后续数值分析和研究；使用无人机定期飞行，实现了用低成本，获取不同时期水电工程库区国土空间生态的时空状态，进而达到长期动态的健康监测的目标。