逐层开挖工程整体三维影像模型构建方法

王吉亮，施 炎，周炳强，杨 静， 郝文忠，廖立兵，康双双

1.长江勘测规划设计研究院，武汉 430010 2.长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，武汉 430074

0 引言

近些年来，随着我国在工程建设领域持续强有力的投入，一大批超级工程、高难工程投建或建成。对一些规模较大的需开挖型岩土工程，如高边坡、大型地下洞室、深基坑等，一般采用逐层开挖、逐层支护的方法进行施工。在单层开挖完成后、喷锚支护前，需对开挖面进行地质测绘，并收集影像资料，以记录原始地质信息，便于后期分析和展示。传统获取开挖面影像的方法一般用数码相机对开挖面连续、分幅拍摄，只能获得二维影像，并且无法获取开挖面的整体影像。

随着基于倾斜摄影的三维影像建模技术的实现和发展，再加上近几年无人机技术迅猛发展和广泛应用的推动作用[1-5]，探究低成本、优质、快速构建三维影像模型的方法成为当前研究的热点，并在诸多领域有不少经典案例[6-12]。然而，目前常见的三维影像建模方法只能针对静态目标，否则会造成目标相同部位影像点因前后变化而无法匹配，不能建模，有局限性。而对于逐层开挖工程，具有工程形象变化大、开挖持续时间长、开挖面位置不断变化、开挖面地质信息必须及时采集等特点，常见的三维影像建模方法尚不能有效解决。本文以乌东德水电站大坝建基面边坡为研究对象，探索出一套质量高、易操作、低成本的三维影像建模方法，并取得了良好的效果，以期为工程信息存储、分析和展示奠定基础，也为类似工程提供经验借鉴和指导。

1 三维实景影像模型构建方法

1.1 无人机类型及技术特点

无人机种类繁多、用途广泛、特点鲜明，具有快速机动、操作简单、使用成本低、危险性小、能获取高分辨率影像数据等优点。按照其飞行原理主要分为固定翼无人机和旋翼无人机两大类型[13]。

近年来，无人机技术发展迅速，特别是消费级无人机技术的成熟，极大地推动了水利水电工程勘测行业的发展。旋翼无人机因其拥有垂直起降、控制灵活、操作简便、定点拍摄、成本较低等特点，可适应于高山峡谷地带的工程地质勘察，也可应用于施工阶段的地质编录等，极大降低了地质人员的野外工作难度，提高了工作效率。目前，无人机技术成功地应用于乌东德水电站高位自然边坡勘察、人工边坡施工地质等领域，均取得较好的效果[13]。

1.2 倾斜摄影测量技术

倾斜摄影技术是当前无人机航测的常用有效方法。其可以实现多角度影像采集、保证高效率、增加精确度、准确地理定位、实现三维实景重建，已经成为国内外无人机航测的主要技术途径，并逐渐应用于水利水电工程勘测等领域[13]。

Smart3D Capture是一款基于倾斜摄影测量技术快速构建三维模型的商业软件。将利用相机或无人机拍摄的倾斜摄影数据导入Smart3D Capture软件，通过计算机图形计算，结合精密空间定位系统(positioning orientation system，POS)信息空间三角(简称空三)处理，生成点云构成格网，格网结合照片生成赋有纹理的三维模型[13]。

1.3 基于无人机倾斜摄影测量的三维实景重建技术

通过整合无人机技术(UAV)及倾斜摄影测量技术，利用消费级旋翼无人机搭载数码相机，从垂直、倾斜等不同角度对实体对象进行连续拍摄，保证相邻照片之间有一定的重叠；在拍摄前，需布设一定数量的控制点；将采集的二维影像数据导入Smart3D软件，建立包含纹理信息、几何特征、空间信息等属性网格，从而获取与实地基本一致的三维实景模型。利用UAV拍摄和Smart3D技术，可从地质勘察到施工地质编录各个阶段进行地质信息的采集，实现三维实景重建。该技术目前已在水利水电工程地质勘察领域逐渐得到应用[13]。

2 逐层开挖工程三维实景影像模型构建方法

将基于无人机倾斜摄影测量的三维实景重建技术应用于水利水电工程的施工地质勘察，获取逐层开挖工程的整体三维影像，可实现开挖面地质信息的快速准确获取、直观清晰表达与可视化存储，并可有效应用于后期地质分析判别工作。

逐层开挖工程三维实景影像模型构建方法包括：①开挖面清理；②影像采集范围确定；③标记点布设；④标记点测量；⑤无人机影像采集；⑥三维影像合成；⑦下层开挖面重复以上步骤；⑧各层三维影像拼接(图1)。

3 乌东德水电站大坝边坡三维影像模型构建

3.1 乌东德水电站大坝建基面概况

乌东德水电站是金沙江下游河段4个水电梯级中的最上游梯级，是西电东送骨干电源点之一，为一等(I)大型工程，装机容量10 200 MW，国内排名第4，世界排名第7[14-16]。挡水大坝为双曲拱坝，坝顶高程988 m，建基面最低高程718 m，建基面边坡坡高270 m，上陡下缓，综合开挖坡度67°。大坝建基面边坡于2015年5月开始下挖，采取每10 m一个梯段逐层下挖，2016年12月底开挖完成，历时约18个月。大坝建基面边坡面积即需建模面积约2.9万m2。

3.2 建模流程

针对乌东德水电站大坝建基面边坡逐层开挖的特点，首先利用无人机倾斜摄影和全站仪测量进行数据采集；然后基于Smart3D软件进行数据处理运算，生成单层三维影像模型；最后将各层三维影像进一步进行处理运算，生成总体三维影像模型。三维影像建模流程如图2所示。

3.3 模型构建

1)数据采集

数据采集时间一般为开挖面刚刚揭露后立即进行，以保证采集影像时开挖岩面干净整洁，现场环境条件最佳。

大坝建基面边坡首层开挖完成后，清理并冲洗干净坡面，获得首层开挖面。用喷漆在距坡脚以上50 cm处布置一排水平向像控点，间距5～10 m，作为与下层边坡重叠区域的控制点，用以后期三维模型拼接。重叠区域以外坡面利用激光指示器均匀布设像控点，用以建模过程中的精度校正控制点，间距一般5～10 m，如图3所示。

图1 获取逐层开挖工程三维影像流程图Fig.1 Flow chart of 3D image of excavation engineering step by step

图2 大坝建基面三维影像建模流程图Fig.2 Flow chart of 3D image model construction

图3 像控点布置示意图Fig.3 Image control points layout diagram

利用全站仪测量像控点大地坐标。使用无人机搭载云台高清数码相机进行二维拍照，控制无人机飞行高度大致位于拍摄区域中心高程附近，航线与开挖面走向平行，相机视角岩面角度不受正垂摄影限制(图4)。要求照片航向重复率达到60%～80%，旁向重复率45%～60%，在转折处、不平整处还应提高重复率[17]。在建模边界附近，拍照应向外适当扩展，保证建模范围完整。拍摄时应保证岩面视野良好，无明显光照差异。

2)数据处理

将获取照片的像控点坐标导入Smart3D三维影像软件，预留2～3个像控点不导入，作为单层三维模型的精度检查点。基于Smart3D算法进行空三计算(图5)：通过图片大量特征点提取和匹配，可以反向解算得到每一幅影像精确的空间位置和旋转角度。空三计算完成后，可以获得高密度点云数据，并可以在Smart3D中查看到整个航带飞行情况、空三点位置密度、图片覆盖的范围等信息，局部图像数据不足时应进行补充。

图4 无人机采集单层边坡影像Fig.4 Obtain the single-stage slope image by UAV

图5 空三计算Fig.5 Three-dimensional triangulation

3)模型生成

通过空三计算点云数据生成不规则三角网(TIN)，并自动匹配生成实景纹理，生成首层开挖面三维影像模型。单层模型生成后，应在模型中读取预留的检查点坐标与该点实测坐标进行对比，复核坐标是否正确，精度是否满足要求。

各梯段建基面边坡三维影像模型完成后，将各单层三维模型和重叠区坐标导入Smart3D中，重复数据处理和模型生成步骤，计算生成整体模型并裁剪多余区域，获得建基面边坡整体三维影像模型，见图6—图8。

图6 单层影像计算生成多层影像Fig.6 Generate multi-layer images based

图7 大坝建基面边坡三维影像模型 Fig.7 3D image model of dam foundation surface on single-layer images

图8 三维影像模型局部放大效果Fig.8 Enlarge image of the 3D image model

4 模型成果分析

获取逐层开挖工程的整体三维影像模型，通过可反复、多角度、可追溯的观察分析，弥补了开挖面在混凝土覆盖后无法进行深入研究的遗憾。模型成果具有以下特点。

1)在大坝建基面边坡逐层动态开挖过程中，对各单层边坡影像采集时，均要求坡面岩体清洗干净，保证拍照质量最优，避免开挖全部完成后一次拍照三维建模成型时坡面被灰尘污染或喷混覆盖。照片采集时保证重复率，利用像控点控制精度，确保模型合成效果。如图7和图8所示，模型成果满足全面表达边坡整体形态和保持局部细节特征的要求，模型放大后未见明显变形、拉花，纹理匹配良好，影像质量优良。

2)对整体三维模型某梯段检验点提取坐标和实测坐标进行精度分析，结果如表1所示。x、y、z方向误差绝对值分别为2.4～4.5，1.0～5.7，1.5～5.2 cm，位移偏差为5.1～7.9 cm，三维影像模型精度满足工程应用精度要求。通过实景影像配合高精度三维坐标点，为后续基于三维影像模型提取地质信息奠定了基础。

注：Δx、Δy、Δz和Δs分别为x、y、z坐标轴方向误差和位移误差。

3)实现三维影像建模的同时，还可以输出点云数据成果，包含空间位置、高程等属性信息，可用于三维建模及后续应用。

4)获取的整体三维影像可应用于室内地质编录，大大减轻了地质人员野外工作量，提高编录精度。

5 结论

1)本文提出的逐层开挖工程获取整体三维影像的方法是三维实景建模技术的重要补充，面对逐层开挖工程形象变化大、跨度时间长、开挖面不断变化、开挖面地质信息需及时采集等难点，传统的一次性静态三维实景影像建模技术不能满足要求，本文方法不仅可以克服以上难点，而且具有模型影像质量优良、坐标信息精度较高、操作简便高效的优点。

2)将该方法应用于乌东德水电站大坝边坡三维影像模型构建，在边坡开挖过程中对逐层开挖边坡进行无人机倾斜摄影，并应用本文方法成功构建整体三维影像模型，模型影像清晰、细节准确、坐标精度高，为三维影像和地质信息存储、提取提供了有力支持，取得了良好效果，可为类似工程提供借鉴。