多摄影测量技术融合在大坝地质调查中的应用

2024-03-14丁惠明吴永江陈绍荣

山东水利 2024年1期

丁惠明，吴永江，陈绍荣

（昭通市水利水电勘测设计研究院，云南昭通 657000）

地质勘查和调查是大坝水利工程建设的基础工作，对工程设计、建设进度、工程质量和安全等各个方面均有直接影响。然而，由于大坝工程的建造区域往往工作环境恶劣，尤其是建设在山区、峡谷等地形复杂的区域的工程，使用传统的人工调查方法和技术耗时、费力，难以满足地质调查的需要，调查数据精度低、成本高，难以满足后续工作的需要[1]。无人机倾斜摄影测量技术可获取多角度、高分辨率的影像，能生成直观的实景三维模型，具有高精度、高效率等特点，能为大坝水利工程的设计、建设、运营提供更为可靠的数据支持，是可靠、高效的地质调查工具。虽然常规倾斜摄影测量技术一般应用效果良好，但应用于坝区地质调查需要较高的影像分辨率，直接进行常规航摄，无法获取高质量实景三维模型[1]。

本文将无人机倾斜摄影测量技术和贴近摄影测量两种技术进行融合，来获取测区影像数据，通过内业数据处理生成实景三维模型，最后对实景三维模型进行地质解译，并与地质学专业知识相结合，对坝区地质结构和片区地质条件进行多角度、多层次的整体分析。这种勘探方法不仅可以提高勘探效率和质量，而且可以降低勘探成本以及减少环境破坏和安全风险等，能有效降低地质勘探的风险和成本，提升勘探效率[2]。

1 相关理论基础

1.1 倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影测量以搭载倾斜摄影设备的无人机为载体，借助惯性导航设备和全球定位系统对地面目标进行高精度的三维数据采集和处理。无人机按照设计航线绕飞目标区域，搭载的倾斜摄影设备会从多个角度对景物目标进行高频率、高密度的图像拍摄，同时利用惯性导航设备和全球定位系统精确测量无人机的三维位置和倾斜角度，进而实现像控测量、几何校正、影像融合以及三维重建等。通过这些处理，最终可以获得高精度、全方位的三维信息，包括点云数据、立体影像数据和三维建模数据等[2-3]。无人机倾斜摄影测量技术具有高效、便捷、精度高、灵活性强等特点，被广泛应用于城市规划、土地利用、资源调查、文物保护等领域，为相关研究和决策提供了重要的数据支持和决策支持。

1.2 贴近摄影测量技术

贴近摄影测量是利用无人机对建筑物立面、滑坡、大坝、高边坡等建筑物表面或非常规地面进行贴合飞行以获取高分辨率影像数据，实现厘米甚至毫米级别分辨率的自动化、高质量影像数据采集，是一种便于对目标对象进行精细化重建的摄影测量方法。贴近摄影的本质是对目标表面摄影，重点是摄影方向不同，当目标与水平面垂直时，则认为与无人机近景摄影测量类似。

如图1（a）和图1（b）所示，“平飞”航线作业方式相对航高变化大，导致影像分辨率差异大，而“贴近飞行”航线作业方式，相对航高基本一致，获取的影像分辨率相近。

图1 贴近摄影测量作业方式

1.3 实景三维模型解译

实景三维模型地质解译是一种基于虚拟现实技术的新型地质勘探方法，即将真实的地质数据、空间信息和三维模型结合起来，通过虚拟现实技术生成赋有空间感和沉浸感的三维地质模型，再结合地质专业人员的知识和经验，对地质结构、地层特征、砂层分布、裂缝发育等进行深入分析和解读。

2 影像数据采集及处理

2.1 作业区概况

测区位于河流峡谷段，主要用途是为农田提供灌溉和城镇供水。所测水库采用堆石混凝土重力坝，泄洪建筑物和放水建筑物均布置在坝体内，为小型水库。基于倾斜摄影测量技术建立测区实景三维模型，在三维模型基础上进行水文地质分析。整体技术流程如图2 所示，首先采集影像数据，然后进行实景三维模型重建，用于进行地质调查分析。

图2 倾斜摄影实景三维建模整体技术流程

2.2 低空倾斜摄影测量影像数据采集

由于测区地质环境较为复杂，因此选择混合翼无人机搭载5 镜头倾斜相机的方式获取倾斜影像。航拍作业飞行航高为80 m，航向重叠度为80%，旁向重叠度为75%。像控点布设采用呈矩形或正方形的区域网布设方案，大小依据航摄分区的划分、航摄影像情况、测区地形特点、空中三角测量精度要求等情况进行考虑，采用网络RTK方式测量平面坐标，使用似大地水准面模型进行高程精化处理[4]。

为保证三维数据生产的成果质量，首先根据飞行区域的面积、地形起伏、基站布设以及测区跨带等对航线进行设计，摄区航向方向边界向外延长不少于5 条基线，摄区旁向方向边界区域各向外侧延伸不少于2 条航线，然后按照要求进行影像数据采集，飞行完毕后将倾斜影像数据和飞行数据进行下载和备份。

2.3 贴近摄影测量影像数据采集

贴近摄影测量应用的是Mavic 2 专业版无人机，外业应用大疆智图和航迹大师软件。影像数据采集主要针对大坝岩石面，配合实时图传系统，采用手控飞行模式，通过目视完成贴近摄影测量航摄参数计算后进行手控航摄。影像数据采集主要注意两点：一是垂直兴趣面进行影像数据采集；二是保证足够的影像重叠度。此外，为确保飞行安全，必须避开大坝上的附属建筑物和树木等障碍物，飞手需在观察员的安全指引下沿崖面谨慎飞行补拍[4]。

2.4 实景三维模型重建

低空倾斜摄影测量使用的是Context Capture软件，首先添加要建模的倾斜摄影测量和贴近摄影测量采集的照片和控制点信息文件，并进行POS 解算，根据外业像控点实测数据，找到影像中像控点位置，进行刺点，输入外业实测的像控点坐标。然后进行空三加密，经过提取特征点、提取同名像对、相对定向、匹配连接点、区域网平差等步骤的运算处理，得到测区空中三角测量成果。最后进行模型重建，根据测区大小和影像分辨率，采用规则平面网格对模型进行瓦片划分，瓦片分割完成后，根据空三加密成果利用影像匹配技术进行同名点匹配生产DSM，分别对模型的各个面调取相对应视角中最清晰的影像进行纹理贴图，生成的坝区实景三维模型效果如图3所示[5]：

图3 坝区实景三维模型

3 地质条件分析

3.1 地形地貌及物理地质特征

根据模型实测和解译判读，该地区的地形地貌主要由中低洼山地和河床冲积两种类型组成，呈现“V”形，整体高程不超过1 500 m，河床坡度较大，容易产生滑坡、滚石等。坝址区没有明显的阶地，以河漫滩为主，另根据钻孔数据显示，坝轴线处的谷底基岩高度约700 m；砂砾层厚度在1.5～3 m 之间。此外测区内存在两个较小的冲刷沟槽，其下切深度较小，基岩裸露。

3.2 地层岩性

在对实景三维模型勘察中发现，该大坝所在岩层是一组单斜地层，次生构造面发育较差。这表明该区的岩性简单，整体相对稳定。另外，工程区出露的地层是一套以泥盆系和石炭系为代表的上古生界地沟层，部分地区的表层被第四系松散堆积层所覆盖，从新至旧依次是第四系，石炭系，泥盆系，其中第四系包含了不同厚度的冲洪积、崩坡积和坡洪积等不同类型的松散堆积层。三维建模为进一步研究该地区的地质结构、认识其对该地区的地质作用提供了参考。

3.3 水文地质条件

经实景三维模型判读及结合当地水文资料分析后发现，工程区域地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水和基岩裂隙水两种。第四系松散层孔隙潜水含水层为冲积砂卵（砾）石层、砂砾（碎）石层、坡洪积的砂壤土、碎块石等。河床及漫滩水位埋深0.18～3.5 m，地下水以大气降水及地表水补给为主，输出主要以蒸发排泄为主。基岩裂隙水含水层主要为古生界泥盆系上统岩层，地下水主要以大气降水补给为主，多以泉或渗流形式排泄于沟谷或河流中。因受构造切割和断裂，裂隙发育不均等影响，水资源贫乏，呈季节性变化规律。

3.4 地震及地震动参数

通过分析测区所在地地震局提供资料及当前地质信息，测区内的较大断裂对区域构造稳定起到关键作用。该断裂历经晚更新世以来未见活动迹象，地质构造比较稳定。历史地震活动性较弱，频度较低，地震基本烈度为Ⅵ度，属于相对稳定的地区。大坝工程设计时需要充分考虑这一特点，采取相应的技术措施和设计方案，以确保工程建设的安全可靠。