無人機(jī)技術(shù)在水電工程施工地質(zhì)中的應(yīng)用研究

呂超　張鵬　何俊瀾　周鵬

【摘 要】文章以廣西在建的水電工程為背景，介紹使用“大疆精靈”Phantom 4 RTK多旋翼單鏡頭無人機(jī)，通過運(yùn)用航拍及傾斜攝影技術(shù)，結(jié)合ContextCapture等軟件對施工現(xiàn)場進(jìn)行三維實(shí)景建模，提取巖層產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙、空間幾何參數(shù)等，并對比傳統(tǒng)施工地質(zhì)編錄成果，對無人機(jī)在水利水電工程施工地質(zhì)中的運(yùn)用進(jìn)行分析和展望。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī);施工地質(zhì);三維實(shí)景建模;正射影像;地質(zhì)數(shù)據(jù)提取

【中圖分類號】P631;V279 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）08-0068-02

0 前言

無人機(jī)起源于1917年，經(jīng)過多年發(fā)展，輕型無人機(jī)在遠(yuǎn)程遙控、續(xù)航時(shí)間、飛行品質(zhì)上有了明顯的提高。無人機(jī)在水利水電工程中的應(yīng)用，符合工程信息化、工業(yè)化和智能化的發(fā)展趨勢。RTK與無人機(jī)攝影技術(shù)的結(jié)合可以通過對飛行參數(shù)的修正等獲得精度更高的測量數(shù)據(jù)，具有可視化功能，在水利水電施工現(xiàn)場進(jìn)行飛行及數(shù)據(jù)采集工作，通過對帶有定位信息的高清相片進(jìn)行空間三角測量解算，對開挖的基坑進(jìn)行三維實(shí)景建模，地質(zhì)人員在后期處理軟件中可通過判識，對基坑和邊坡的巖體幾何參數(shù)進(jìn)行測量、計(jì)算，得到巖層和節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀。

1 無人機(jī)攝影系統(tǒng)

“大疆精靈”Phantom 4 RTK多旋翼單鏡頭無人機(jī)主要由空中飛行和地面控制兩個(gè)部分組成?？罩酗w行部分包括無人飛行器、云臺和攝影設(shè)備;地面控制部分包括地面控制器、數(shù)字圖像顯和飛行控制系統(tǒng)（如圖1所示）。

無人機(jī)攝影過程中，飛行的相關(guān)參數(shù)會影響到結(jié)果的準(zhǔn)確性，這就要求在無人機(jī)攝影過程中，科學(xué)設(shè)計(jì)無人機(jī)飛行的相關(guān)參數(shù)，以保證數(shù)據(jù)采集的精確性與有效性;而無人機(jī)攝影技術(shù)與RTK技術(shù)的結(jié)合，可以保證無人機(jī)獲取更為準(zhǔn)確的位置信息，使無人機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的航線飛行。無人機(jī)攝影與 RTK技術(shù)的結(jié)合使GPS與相機(jī)曝光同時(shí)進(jìn)行，獲得的相應(yīng)數(shù)據(jù)經(jīng)過必要的處理以后，能直接得到像片的6個(gè)外方位元素，建立各個(gè)相片之間的位置關(guān)系，為空中三角測量提供了便利。

2 數(shù)據(jù)采集

2019年11月采用無人機(jī)為“大疆精靈”Phantom 4 RTK多旋翼單鏡頭無人機(jī)，利用攝影測量3D（五向飛行）規(guī)劃航線（如圖2所示），對一期圍堰內(nèi)的工程區(qū)開展了無人機(jī)航拍工作。航向重疊度為85%、旁向重疊度為65%，控制點(diǎn)盡量均勻分布于整個(gè)航測區(qū)。通過無人機(jī)搭載的高分辨率數(shù)碼相機(jī)，獲得了超低空遙感影像共922張，并通過RTK同步采集野外布設(shè)的控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3 三維實(shí)景建模

數(shù)據(jù)處理主要包括畸變差改正、空中三角測量、3D實(shí)景視圖、正射影像等內(nèi)容。本次采用ContextCapture軟件對無人機(jī)航拍獲得的數(shù)字影像進(jìn)行畸變差改正，并利用RTK 采集的控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測量，在完成空中三角測量之后，可生成3D實(shí)景視圖（如圖3所示）和正射影像。

4 地質(zhì)數(shù)據(jù)提取

獲取地質(zhì)數(shù)據(jù)有多種方法，具體如下。

（1）在所生成的施工地質(zhì)三維實(shí)景模型中，每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都具有計(jì)算得到的三維坐標(biāo)，可以借助三維模型數(shù)據(jù)，利用ployworks3D模型測量軟件對巖體的多種幾何特征進(jìn)行測量，例如距離（水平、垂向、兩點(diǎn)間、任意方向）、角度（水平、垂向、任意）、半徑及方位角等。

（2）直接在三維模型中測量任意點(diǎn)的坐標(biāo)（如圖4所示）和兩點(diǎn)間距離、高差（如圖5所示）等，通過簡單計(jì)算獲得傾角。把生成的正射影像直接插入CAD軟件，在其中量取巖層及裂隙走向和傾向（如圖6所示），從而獲得其產(chǎn)狀、巖層厚度、節(jié)理裂隙間距、裂隙延伸長度等地質(zhì)數(shù)據(jù)。

可以在三維實(shí)景模型上量取巖層傾向上的兩點(diǎn)間距（L）和高差（H），通過公式A=asin（H/L），計(jì)算獲得傾角A。

如圖5所示，傾角A=asin（H/L）=asin（0.75/1.57）=25.4°。

將生成的正射影像直接插入CAD軟件，按照巖層畫出走向，垂直走向畫出傾向，然后就可以標(biāo)注出其夾角，從而提出巖層的走向和傾向。圖6巖層走向?yàn)镹42°E，傾向?yàn)镾42°E。

其他地質(zhì)要素也都可以相應(yīng)地在三維實(shí)景模型和正射影像中提取出數(shù)據(jù)。

（3）利用結(jié)構(gòu)面內(nèi)不在同一條直線上的3點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀。使用無人機(jī)拍攝高分辨率的結(jié)構(gòu)面露頭，進(jìn)行三維重建后，提取結(jié)構(gòu)面的精確數(shù)據(jù)，然后在平面上選取不在同一條直線上的3個(gè)特征點(diǎn)，通過3個(gè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)換算出結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。

結(jié)構(gòu)面上提取不共線的3個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)P1（x1，y1，z1）、P2（x2，y2，z2）、P3（x3，y3，z3），則結(jié)構(gòu)面的法向量■計(jì)算如下：

■=p1p2×p1p3= i? ? ? j? ? ?kx2-x1 y2-y1 z2-z1x3-x1 y3-y1 z3-z1=ai+bj+ck=（a，b，c）

a=（y2-y1）×（z3-z1）-（y3-y1）×（z2-z1）

b=（z2-z1）×（x3-x1）-（z3-z1）×（x2-x1）

c=（x2-x1）×（y3-y1）-（x3-x1）×（y2-y1）

結(jié)構(gòu)面的單位法向量■（nx，ny，nz）計(jì)算如下：

nx=■ny=■n2=■

單位法向量■（nx，ny，nz）與Z軸的夾角即為結(jié)構(gòu)面的傾角A計(jì)算如下：

A=arccos■，因?yàn)椤?1，所以A=arccos[n2 ]

計(jì)算結(jié)構(gòu)面的傾向需要確定結(jié)構(gòu)面單位法向量■在XY平面的投影n'所在的象限，具體計(jì)算如下：

（1）當(dāng)n2>0時(shí)，

α=arccos■（nx>0，n'在？譹？訛、？譺？訛象限）2π-arccos■（nx<0，n'在？譻？訛、？譼？訛象限）

（2）當(dāng)n2<0時(shí)，

α=arccos■（nx<0，n'在？譻？訛、？譼？訛象限）2π-arccos■（nx>0，n'在？譹？訛、？譺？訛象限）

（3）當(dāng)nz>0時(shí)，表示結(jié)構(gòu)面直立，傾角為90°，傾向不存在，產(chǎn)狀用走向表示。

5 結(jié)語

相對于水電工程傳統(tǒng)施工地質(zhì)編錄來說，無人機(jī)攝影和三維實(shí)景模型技術(shù)是更加先進(jìn)的方法，可以快速創(chuàng)建地質(zhì)信息交流環(huán)境，提高地質(zhì)編錄的效率，降低地質(zhì)信息采集不完整及數(shù)據(jù)信息丟失的可能性，可以有效地幫助地質(zhì)工作者分析地質(zhì)特征。在已知結(jié)構(gòu)面的基礎(chǔ)上，預(yù)測未知結(jié)構(gòu)面的位置和方向，并采集地質(zhì)空間位置數(shù)據(jù)，為研究大型地質(zhì)體提供三維參數(shù)，同時(shí)對問題部位的處理、基礎(chǔ)資料的保存都具有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]羅繼勇，呂超，魏宇，等.廣西桂平航運(yùn)樞紐水電站擴(kuò)機(jī)工程勘測設(shè)計(jì)報(bào)告[R].南寧：廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，2018：78-112.

[2]同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.工程數(shù)學(xué)線性代數(shù)[M].北京：高等教育出版社，2014：67-83.

[3]彭土標(biāo)，袁新建，王惠明，等.水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2011：373-392.