基于无人机贴近摄影测量的边坡安全监测技术研究

徐陈勇,杨洋,3,钟良,3

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010；2.长江空间信息技术工程有限公司(武汉)，湖北 武汉 430010;3.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

0 引言

工程边坡的稳定不仅是保证工程施工、运行安全的前提，更是常常与生态环保挂钩。当工程完工后，工程边坡的生态恢复和监测是确保工程实现科学、绿色、可持续发展的基础。但由于其复杂的地质结构，业界专业人士经过大量研究和理论分析，也不能完全解决边坡失稳问题。因此，对工程边坡的实时监测，尤其是对国家大型的涉水工程监测工作尤为重要。

1 技术路线

方法的核心为基于无人机贴近摄影技术，通过无人机对监测目标进行无限接近扫描式拍摄，将采集到的影像进行处理，得到监测目标的高精度影像和三维模型，再通过人工判读的方式对边坡表面状态进行分析，从而评价目标是否存在安全隐患。

近年来，无人机技术发展迅速，贴近摄影测量是利用无人机贴近物体表面(<20 m)摄影获取高清影像，得到被摄物体精确坐标、精细形状。其技术具有“巡航导弹式”摄影模式、无限近距离(最近可达5 m)、超高分辨率(毫米级)等特点，加上飞行平台的轻型化、智能化以及无人机传感器的多样化、精细化效果，组成了无人机贴近摄影技术。

2 工程实例

为了验证方法的有效性，以宋岗码头边坡作为典型对象设置环境变量，进行了实验性作业。实验采用了无人机贴近摄影测量技术，对边坡表面进行了多期影像采集，再通过三维建模技术得到边坡表面高精度模型。利用高精度模型对多项能反映边坡表面状态的指标,如裂缝、膨胀、凹陷、破损等进行逐一分析，并对监测对象进行坐标定位及真实量测，从而完成边坡表面监测试验。

2.1 试验区概况

丹江口水库宋岗码头试验区位于河南省辖县级市邓州丹江口水库附近。丹江口水库是亚洲第一大人工淡水湖，同时作为国家南水北调中线工程水源地对中国水资源配置格局有举足轻重的作用。对丹江口水库沿岸堤坝边坡进行变形监测，能够有效辅助丹江口水库的日常运营和维护，具有十分重要的现实意义和经济价值。

宋岗码头试验区沿岸堤坝长约500 m，宽约100 m，呈长条带状，整个堤坝由白色建筑材料施工而成，为规则网状结构，如图1所示。传统手段对类似区域进行监测主要采用断面点式监测，其监测精度高但覆盖性差，通过增加断面改善覆盖问题的手段在总体经济效益上得不偿失。针对上述实际情况，结合宋岗码头边坡安全监测的需求，采用贴近摄影测量技术，利用无人机贴近飞行采集边坡表面信息数据，并通过后期处理分析及时发现边坡表面存在的如裂缝、膨胀、凹陷等安全隐患信息。此技术手段的运用将从边坡监测数据采集上入手，大大降低数据采集工作量，以全新的监测技术手段降低数据采集的成本，提高采集效率，并通过后期数据的处理分析得到满足数据监测精度要求的成果。

图1 宋岗边坡现状图

2.2 数据采集

首先，根据堤坝沿岸周围环境的参考地理信息资料(包括DEM、DOM等)以及现场勘查得到的信息，结合堤坝沿岸几何形状属于“坡面”的特点，手工操作旋翼无人机(大疆精灵4 RTK)设置飞行高度为40 m左右进行常规的摄影测量拍摄，获取堤坝沿岸范围内的低分辨率无人机影像，如图2所示。

图2 宋岗现场数据采集图

通过手控无人机，得到堤坝沿岸总共131张低分辨率影像。将这些影像进行空中三角测量和密集匹配，得到堤坝沿岸目标初始的地形信息。如图3所示，堤坝沿岸呈长条形白色网状分布，且长条形状不规则，沿岸分布具有一定的蜿蜒曲折。

图3 宋岗边坡粗精度模型图

通过人工选点拟合斜面，将整个堤坝沿岸总共分为8个拍摄区域，如图4所示。

图4 边坡8个区块分割图

利用大疆智图航线规划软件，对丹江口水库堤坝沿岸区域进行航线规划，规划结果如图5所示。其中绿色表示拍摄覆盖的范围，每个蓝色球代表拍摄的航点。

图5 边坡规划航点图

整个堤坝沿岸分为8个区域进行规划，每条航线的起飞点高度为139 m，拍摄相对距离为5 m，最低安全飞行高为4 m，采用“坡面”拟合方式进行航线规划，理论精度为1.38 mm。航线规划完成后，利用大疆精灵4 RTK旋翼无人机，对丹江口区域堤坝沿岸进行贴近摄影测量自动飞行。经过4 h作业，采集到3 824张超高分辨率无人机影像，影像分辨率约1.40 mm。具体结果如表1所示。

表1 航线规划八个区域影像数量统计表

第1批数据采集完成后，为了检验变化监测的精度，在场景内设置如图6铁块物件模拟现场环境发生变化。铁块分5～20 mm不同厚度进行编号分类准备，并均匀随机摆放在实验区后，利用相同无人机设备按照相同航线及飞行参数进行第2批数据采集工作。由于设备一致，飞行范围及参数相同，获取的影像数量与表1数量保持不变。

图6 部分铁块示意图

2.3 数据处理

采用Bentley公司的ContextCapture软件对倾斜数据进行处理。利用多台高性能台式电脑集群运行，利用Smart3D软件对采集的超高分辨率影像进行匀光匀色、几何校正、空三加密、DSM生成、正射影像生产等处理，得到宋岗堤坝边坡区域的三维模型数据，如图7所示。

图7 边坡三维模型图

2.4 数据分析

实验选取位置属于国家重要水资源区，为防止坐标涉密问题，实验数据结果坐标暂不列出。涉及长、宽、高、厚度等数据均属于真实量测数据，以下两组数据作为实验典型数据进行分析展示(铁块模型5-4见图8，铁块模型5-7见图9)。

通过人工解译对两批次数据进行对比、标记，在边坡的三维模型上对发现差异变化位置进行标注，并对差异位置模型的长、宽、高、厚度分别进行量测统计。利用量测统计的数据与实际物体本身参数进行对比，检验出数据采集精度，具体参数见表2和表3。

a实物照片图 b模型正面图

a实物照片图 b模型正面图

表2 数据一量测结果统计表

表3 数据二量测结果统计表

2.5 量测结果

针对数据分析，通过无人机贴近摄影测量对边坡表面进行超高精度数据采集后，利用处理生成的三维模型进行数据量测，通过量测的数据与原始实物对比，得到模型精度的偏差平均在0.20 cm左右如表4所示，满足边坡表面监测的需求。

表4 精度偏差统计表

3 结论

在“绿水青山就是金山银山”的绿色口号下，引领工程建设向生态工程、绿色工程转型是必然趋势，各工程建设手段也将在大趋势下进行升级革新。利用当下市场热门的无人机和三维倾斜技术，结合先进的无人机贴近飞行思路和飞行技术对宋岗码头边坡进行了实验性数据采集、处理和分析。通过数据结果上看，此次实验充分证实了将无人机贴近摄影测量技术运用在边坡监测的精度是足以满足监测需求的。此方法改善了传统监测手段的弊端，降低了监测成本，为后续完善利用无人机贴近摄影对整个边坡进行监测的流程奠定了基础。

同时，此次实验过程中也发现了一些不足之处，比如无人机续航问题、满足实时监测的硬件(无人机停机坪)配套问题以及边坡内部渗漏无人机表面查看不到的问题。为更好完善利用无人机贴近摄影技术对工程边坡安全进行监测的要求，后期将对出现的短缺问题进行更深度的研究。