基于贴近摄影测量技术的大坝表面裂缝监测研究

姚松 卢斌 邓波 孙义兵

(1.贵州黔源电力股份有限公司普定发电公司 贵州安顺 562100;2.贵州经纬博通科技有限公司贵州贵阳 550081)

在混凝土大坝运行过程中，裂缝是最常见的病害之一，这些裂缝大部分出现在坝体的表面，并且呈渐近式发展或破坏，部分最终形成深层裂缝或贯穿裂缝，若没有及时采取有效的措施进行控制和补救，将不断扩展失稳导致坝体的最终失效[1]。因此，对混凝土大坝裂缝的形态、位置及发展趋势进行有效监测是大坝运行管理的重要工作内容之一。

混凝土产生裂缝后，为分析裂缝的类型、成因，并评估裂缝对大坝安全性的影响，需对裂缝进行详细检查和检测，以掌握裂缝的长度、宽度、深度和产状等；混凝土裂缝在处理前也需进行检查和检测，以制订可行、合理的处理方案[2]。

现有遥感成像技术多是从空中“俯视”成像，仅能获取到坝体“上部”的裂缝信息，无法有效获取大坝“两侧”和“下部”裂缝信息。虽然现有无人机可以超低空作业，地面分辨率可以达到分米级别，但对于坝体细微裂缝信息识别能力仍旧不足，对于厘米级甚至亚厘米级裂缝无法实现有效探测。

相比于垂直航空摄影或倾斜摄影而言，贴近摄影测量优势在于贴近大坝近距离成像，拍摄距离甚至可以控制在5 m范围内，微观信息清晰、直观；同时，多角度拍摄可有效获取大坝不同方向结构信息，更加精准地获取大坝裂缝组合特征，对大坝稳定性分析的关键参数获取有极大帮助，有效解决了俯视成像摄影角度受限，无法精准获取大坝“两侧”和“下部”裂缝信息的问题。

1 贴近摄影测量技术流程与原理

贴近摄影测量是精细化测量的一种技术方式，该项技术最初应用于矿山滑坡、危岩、地质监测、水利工程等应急测绘。和遥感技术、无人机航空摄影技术相比，贴近摄影测量是使用贴近物体表面（摄影距离为5～50 m）摄影获取超高分辨率影像的无人机测量技术，它具有超高的空间分辨率和360°无死角的观测视角[3]。多旋翼无人机机动灵活、安全易操作、影像成果分辨率高等特性是贴近摄影测量实现的重要技术基础。而航线的规划则是贴近摄影测量成功实施的重要技术环节，具体见图1。

针对不同的作业对象，贴近摄影测量的作业流程也有所不同。但基本都遵循一个由“大”到“小”，由“粗”到“细”的过程。所谓大，是说在作业前必须要有该测区的大致地理概况的数据，一是准确提取无人机的起飞点、降落点；二是判断航飞范围内有无高大树木、凸起建筑物、高压电线等障碍物，排除航飞安全隐患，为无人机航飞提供安全保障；三是为准确规划航线提供基础资料。所谓“小”，是说航飞的对象是大的地理环境中的某个点或某个面。基础数据、软件、硬件设备准备完成后即可实施贴近摄影测量工作，其整个作业流程具体见图1。

图1 贴近摄影测量流程

图2 精细建模飞行时的航迹

2 试验区与试验结果分析

2.1 试验区概况

该次试验主要对普定水电站表面裂缝进行监测，改水电站位于乌江上游南源三岔河中游灰岩峡谷河段中普定县梭筛村，距下游引子渡电站51 km，距贵阳市125 km，为河岸式电站。

电站枢纽由碾压混凝土拱坝、坝顶开敞式溢洪道、右岸发电引水隧洞及厂房组成。最大坝高75 m，坝体厚高比0.376。设4 孔表孔溢洪道，孔口尺寸12.5 m×11.0 m。右岸发电引水隧洞洞径8 m，长280 m。厂房位于坝后右岸，内装3台立式水轮发电机组[4]。

该工程属二等大（二）型工程，其永久建筑物按2级建筑物设计，次要建筑物按3 级建筑物设计。大坝防洪设计标准为百年一遇，设计洪水位1 145.62 m,设计洪峰流量5 100 m3/s；防洪校核洪水位1 147.62 m，校核洪峰流量6 610 m3/s。

普定大坝裂缝分布在溢流面、坝面、坝顶等部位，数量较多。

2.2 贴近摄影测量实施过程

贴近摄影测量的实施是一个流程化、精细化的过程。实施过程可以分为三大部分，分别是航线规划、航摄实施、内业数据处理。

2.2.1 航线规划

采用环绕飞行的方式获得普定水电站大坝的粗模，根据获得的粗模规划大坝贴近摄影测量的飞行航线，对于闸室等区域进行手动打点规划航线进一步获得更精细的影像资料。

2.2.2 航拍实施

无人机的选择是贴近摄影测量实施的一个要点，无人机要尽量轻巧灵活，便于操控。在无人机选择方面，该次作业选择了大疆精灵Phantom 4 RTK，这款无人机小巧便携，又有厘米级的导航定位系统和高性能成像系统。作业难度和成本低，精度和效率高。该次无人机航拍时距离坝体表面仅20 m，对无人机航摄来说这是一个相当有挑战性的距离[5]。

2.2.3 实景三维模型生产

航空摄影的数据处理选择了自动高效的Context-Capture软件进行空三加密及三维模型生产。在具体地质施工作业过程中，首先对贴近摄影测量的航拍数据进行空三加密，加密完成后在已有的倾斜摄影测量三维模型成果上提取贴近摄影测量同名点坐标，将这些同名点坐标当做控制点，导入贴近摄影测量空三工程中并转刺[6]。内业数据生产的具体流程具体见图3。

图3 内业数据生产的具体流程

2.3 技术要点及难点

贴近摄影测量的技术要点和难点基本上是相伴而生，要点同时也是难点。下面是在该次测试中遇到的难点。

2.3.1 贴近摄影飞行姿态的确定

贴近摄影测量不同于常规摄影测量，它与传统正射摄影测量的区别是投影面并非为水平投影面，其对象是各种或竖立或倾斜的面，这就决定了飞机的飞行姿态可能不是平行于地面飞行。对于竖直平面需要垂直于地面爬升飞行，对于类似于塔的柱体对象，需要环绕加爬升的飞行方式。

2.3.2 贴近摄影测量航拍实施

贴近摄影测量距离被摄对象距离小，加大了航拍的难度和危险性。这就对无人机操作员有较高的要求，最好是由经验丰富的操作员参与前期的航线规划、起飞点的选择，从源头上排除风险。

2.3.3 贴近摄影测量数据与SLAM点云数据融合

贴近摄影测量的成果是一种分辨率极高的实景模型，但成果面积一般较小。相对于贴近摄影测量模型成果来说，大坝外部基于SLAM 点云生产的三维模型精度较低，但面积大，范围广。因此，贴近摄影测量的三维模型成果需要与基于SLAM点云生成的全景影像成果进行融合。通过两种模型成果的融合来提高模型的精细程度和整体展示效果。

2.4 结果分析

普定大坝裂缝分布在溢流面、坝面、坝顶等部位，数量较多，基于实景三维模型，可以测量裂缝的长度、缝宽，描述并记录裂缝的性状，与之前历次裂缝检查成果比对，编制裂缝检查对比表。该次裂缝检查情况汇总如下。

2.4.1 大坝顶部

根据第三次定检的裂缝检查情况，坝顶有裂缝38条，其中4#缝在2001年处理时，已被修补混凝土覆盖。坝顶裂缝均为表面裂缝，缝宽均较小，用塞尺无法测量宽、深度。2017 年，普定发电公司对大坝顶部及进水口顶部等部位，进行了处理，新铺了沥青材料，裂缝被遮盖。目前，坝顶未发现其他缺陷。

2.4.2 大坝上游面

大坝上游面只能检查到1 132.0 m 水面线以上部分，中部3#、4#溢洪孔下1998 年检查发现的2 条1.0 m长的竖向裂缝外，该次未发新增裂缝及现其他缺陷。

2.4.3 右坝面

右坝面原有裂缝14条，该次检查裂缝33条，有19条裂缝是该次登记并测量。在裂缝检查对比表中备注为新增，查看历次检查照片，新增的裂缝在照片中已经存在，具体见图4。

图4 下游右坝面照片

2.4.4 左坝面

原有裂缝14 条，该次检查裂缝18 条，其中4 条裂缝是该次登记并测量，在裂缝检查对比表中备注为新增，查看历次检查照片，新增的裂缝在照片中已经存在。1 102～1 109 m 高程面编号为21#的裂缝下端5 m处有3 段渗水点，该次加装5 个裂缝计，进行监测；原71#、75#裂缝之间新增2.69 m 长度裂缝，71#、75#裂缝联通，没渗水。

3 结语

无人机技术及三维建模手段的快速发展，为坝体检查提供了新的手段。该次大坝裂缝检查，我们根据无人机拍摄的影像，初步摸索出了一些方法，能减轻检查的工作量，进而减少安全隐患。

（1）贴近摄影测量技术是针对精细化测量需求提出的一种全新的技术，具有明显的高分辨率和“多角度”观测技术优势，可以“近距离”探测观测对象的微观信息，识别大坝亚厘米级裂缝，尤其适合于大坝裂缝早期识别工作，已取得显著成效。

（2）三维航线规划是贴近摄影测量技术数据获取阶段的关键步骤。布设航线之前，需要先获取工作区较高精度的初始地形。贴近摄影测量的影像投影面是与被摄面平行的任意面（并非水平面）。为了达到较好的贴近效果，观测区域需构成一个相对平整的“面”，在保证飞行安全的情况下，距离该平整“面”越近，拍摄效果越佳。

（3）贴近摄影时无人机和被摄队形的距离特别近，因此航摄时存在一定的安全隐患，但风险与机遇并存，高风险的航飞带来的是前所未有的高精度实景三维模型成果。该次大坝测量得到的高精细三维模型是其他技术无法比拟的。