无人机技术在水利工程高边坡危岩调查中的应用

程 琦

(塔城地区水利水电勘察设计院，新疆 塔城 834700)

1 无人机遥感技术

1.1 无人机遥感系统

无人机遥感系统是指以UAV为飞行平台，以高分辨率数码相机为主要载荷，飞行高度在几千米以内，能够对地面连续摄影获取影像数据的无人航空测量方式。无人机遥感系统可分为3个部分：空中部分、地面部分和数据后处理部分(图1)。空中部分主要功能是将规划航线上传到飞行平台的控制器上并对无人机的飞行状态进行实时监控，包括无人机平台、遥感传感器系统和无人机控制系统。地面部分主要是进行航线规划、参数设置、数据传输等工作，确保对飞行和航摄过程进行精确控制，包括航线规划系统，无人机地面控制系统和数据接收显示系统。数据后处理部分作用是对获得的原始影像数据进行处理，以此提取所需信息，包括影像数据预处理和数据成果处理。

图1 无人机遥感系统图

通过在飞行器上搭载一台或多台高分辨率相机，无人机具有垂直摄影和倾斜摄影两种功能，不仅能够竖直拍摄获取平面影像，还能获取超低空多角度影像，可以真实地反映出地物的侧面详细轮廓及纹理信息，以达到三维实景模型构建要求。无人机遥感系统具有机动性强、自动化程度高、超低空飞行的特点，是一个可多角度快速获取高分辨率遥感影像的航摄平台。

1.2 无人机摄影测量流程

无人机航拍摄影测量分为外业工作和内业工作两个部分，主要由影像数据获取、影像数据处理和成果分析3个阶段组成。其中，影像数据获取属于外业工作，包括前期资料收集、现场定点勘查、像控点布设、航线规划和无人机航拍等；影像数据处理和成果分析属于内业工作，影像数据处理包括影像畸变校正、匀色匀光、结合像控点坐标进行空中三角计算获得密集点云数据，生成数字正射模型(DSM)、数字高程模型(DEM)和三维实景模型等。成果分析主要为应用三维模型对地质灾害进行遥感解译，通过获取的灾害体地质数据，建立地质灾害空间属性数据库。无人机摄影测量流程如图2所示。

图2 无人机摄影测量流程图

2 结构面产状测量

危岩的变形破坏主要受结构面控制。传统的岩体结构面信息获取方式主要靠调查人员近距离接触岩体进行测量，工作效率低，且对于山区水利工程高边坡来说险恶的地形环境也带来了极大的困难。而无人机摄影测量能够获得调查区的密集点云数据，在这些点云数据中，地质体被抽象为数以千万记的三维坐标点，其空间几何特征信息赋存其中。岩体结构面作为具有一定起伏度的“面”，在一定区域内可以将其看作是一个平面。对于出露几何形状明显的岩体结构面，通过在三维点云数据模型中提取结构面特征点，可以拟合出这个平面，而这个平面又对应着明确且唯一的平面方程，利用计算转换即可快速获取岩体结构面产状参数。

设结构面拟合平面的方程如式(1)所示：

Z=AX+BY+C

(1)

通过选取平面上不共线的任意n(n≥3)个特征点，采用最小二乘算法进行解算，即可求得结构面拟合平面方程如式(2)所示：

(2)

通过结构面产状与平面方程参数的对应关系[5]，根据转换公式，对倾向α与倾角β进行量化计算如式(3)～式(5)所示：

(3)

(4)

式中：

当A>0时，α=α0+π

3 工程实例

以西北某水电站出线场边坡为例，该边坡属于典型的“V”型高山峡谷地貌，谷底狭窄，河流常水位高程约为1330 m，两岸边坡陡峭，形成了一系列陡壁，坡度可达50°～80°，边坡高程在 3000 m 以上，地层岩性为三叠系盐塘组(T2y4)灰绿色条带状云母大理岩。受河谷演化特征影响，边坡浅表层岩体风化强烈，节理裂隙发育。在持续强降雨作用下，该边坡上部曾发生过落石灾害，崩塌块石越过下方被动网，砸入到坡脚处的出线场内，造成了极大的安全风险，需要对该区域危岩进行地质调查，为水利工程防护提供依据。

本次飞行采用五镜头的大疆M600Pro多旋翼无人机对研究区域进行航拍工作，所采用的无人机和相机主要参数如表1所示。飞行区域面积约为0.53 km2。由于该边坡区域山高坡陡，地形高差非常大，为了确保影像后期能够顺利进行三维模型构建，按照航向85%和旁向80%进行重叠度布设。航迹图如图3所示。整个飞行任务共进行了2个架次，通过无人机航拍，共获得约2800幅影像，其影像地面分辨率达0.05 m。

表1 无人机及相机主要参数

图3 边坡航迹图

地质灾害作为一种不良地质现象，在遥感影像上会与周围环境在形态、色调等方面呈现出明显的差别[6]。因此，可对研究区内危岩进行遥感解译，查明其地质特征。根据建立的出线场边坡三维实景模型，分析可知，该危岩体所在高程约1930 m，坡度约36°，距离下方出线场高560 m。危岩体受外界环境影响失稳破坏沿坡表滚落，原位置处显露出白色岩层面，表面较平直光滑，与四周呈灰黑色的岩层表面形成明显的对比。以出露的新鲜岩面为边界，测量危岩体原始体积，计算求得体积为11.7 m3。根据出露岩层面分析，该危岩主要受陡倾坡内的后缘结构面和缓倾坡外的底部结构面两组近于正交的结构面控制。危岩体失稳演化过程为：在强降雨作用下，危岩体主控结构面裂隙被大量雨水渗入，结构面岩体软化，岩体抗拉强度降低。同时，降雨入渗又导致裂隙内形成静水压力，进一步加大了岩体拉应力，岩体裂隙被逐渐拉裂扩大。最终当拉应力超过岩体抗拉强度时，结构面裂隙贯通，岩体发生失稳破坏，沿基底开始滑落滚动。而在落石运动过程中，由于与坡表发生多次碰撞，不断有碎裂块石从落石身上脱落，在图上呈现出一条明显的运动轨迹。落石继续滚动至边坡下方时，与被动网发生剧烈撞击，由于落石动能较大，落石自身发生碎裂，被动网也被严重损坏，部分碎裂块石落在被动网内，也有部分落石借撞击时产生的反弹力越过被动网，继续向下运动，沿着陡壁自由坠落，最终砸入江边的出线场内，破碎成多块。

根据研究区的三维点云模型，通过选取危岩体主控结构面上的特征点，采用上述方法，对危岩体主控结构面产状进行测量。

得到结构面拟合平面方程如式(5)、式(6)所示：

J1：-0.02X+0.75Y+47.67=Z

(5)

J2：1.3X-3.31Y+75.96=Z

(6)

再根据转化公式，计算得到危岩两组主控结构面产状分别为J1：271°∠37°，J2：111°∠74°，与后期复核调查现场实测结果对比，结构面产状误差<5°，能够满足地质勘查要求。因此，可认为基于无人机摄影测量技术的结构面产状计算是可靠的。

4 结 论

(1)总结了无人机在水利工程高边坡危岩调查中的技术流程，主要分为外业工作和内业工作两个部分，由影像数据获取、影像数据处理和成果分析3个阶段组成。验证了无人机摄影测量技术应用于高边坡危岩调查中的可行性。

(2)通过对构建的研究区三维实景模型进行遥感解译，分析可知该落石点高程约1930 m，距离下方出线场高560 m，失稳破坏的危岩原始体积为11.7 m3。危岩主要受陡倾坡内的后缘结构面和缓倾坡外的底部结构面两组近于正交的结构面控制。

(3)基于研究区三维点云数据，通过提取结构面上的特征点，利用最小二乘法进行计算，得到危岩两组主控结构面产状分别为：271°∠37°、111°∠74°。与现场复核结果相比，结构面产状误差<5°，该方法具有可靠性和高效性。