傾斜攝影在基巖水庫地質編錄中的應用

熊 奇

（河南省水利勘測設計研究有限公司，鄭州450016）

傾斜攝影測量技術是國際測繪領域近年來發展起來的一項新興、熱門技術，它融合了正射和傾斜影像，通過在同一飛行平臺搭載多臺傳感器（目前常用的是五鏡頭相機），同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息。傾斜攝影測量有別于傳統的垂直航空攝影， 它能從多個角度觀察地物，能反映地物真實情況［1］。 本文以河南省三門峽大石澗水庫施工地質編錄為例， 采用傾斜攝影測量技術對水庫壩址區施工開挖面進行三維實景建模，并以此模型，獲取場區地質體幾何更精細的尺寸、結構面特征等參數，為基巖水庫地質編錄提供一種安全高效的方法。

1 傾斜攝影測量系統組成簡介

傾斜攝影測量系統主要由飛行系統、 地面控制系統和后期數據處理三大部分組成。 其中飛行系統包括飛機平臺（包括小型飛機或無人機）、航拍傳感器系統（包括五鏡頭相機、GPS定位裝置和姿態定位系統）、 飛機控制系統和數據實時傳輸與解壓縮系統；地面控制系統包括航跡規劃系統、無人機地面控制系統及數據接收解壓縮與實時顯示系統； 后期數據處理系統包括圖像拼接、幾何校正、信息提取與分析等處理系統［2］。

2 工程應用實例

2.1 工程簡介

大石澗水庫壩址區位于河南省三門峽市回春河上，河谷由南北向轉呈近東西走向。主河槽兩岸均為雄厚的中低山山體，山頂高程600～710m，兩岸岸坡陡峭，局部近直立。 河底高程552～560m，河谷呈較寬的“U”型，底寬80～130m。揭露基巖為中元古界熊耳群許組安山玢巖，開挖面為578～595m坡面，放坡約1∶0.5。

2.2 傾斜攝影測量航拍建模

2.2.1 影像獲取

為了準確清晰地展現開挖面地質體的長度、面積、產狀等特征，在航拍過程中無要求無人機低空飛行，根據現場地形起伏和保證安全的前提下，相對航高應設定為20～50m、分辨率要求達0.5m以內。

該次飛行采用垂直起降多旋翼無人機， 輕便靈活； 針對壩址區壩基的開挖現狀， 飛行高度設定約50m的低空免像控點飛行方式，分辨率0.2m，本次航拍采用一個架次完成了壩址區的影像拍攝。 飛行參數如表1。

表1 本次航攝飛行參數

2.2.2 影像處理及建模

基于攝影測量處理系統軟件對外夜航片進行影像預處理、區域網聯合平差、空中三角形測量、傾斜影像密集匹配、DSM點云生成、TIN構建、紋理映射等操作，經精度評定后，生成滿足精度需求帶有場區坐標系統的三維坐標的實景模型， 如圖1和圖2。

圖1 水庫壩基開挖面網格圖

圖2 水庫壩基開挖三維實景模型

2.3 基于實景模型進行地質編錄

2.3.1 地質體坐標、長度、面積的獲取

生成的實景模型具有真實的三維坐標， 因此可通過三維分析軟件在實景模型上直接查詢各地質點的坐標、長度、面積。

2.3.2 地質體結構面產狀的提取與計算

傳統的地質編錄中是利用羅盤直接在地質體面上進行測定， 而在三維實景模型中獲取一個面的產狀需要獲取3個不共線點的坐標， 根據此3個點代表的平面來確定目標面的產狀。其數學模型如下：已知一個平面方程Ax+By+Cz+D=0， 式中：A，B，C，D為方程參數，A，B，C不同時為零。 如果能夠確定該平面上3個不在同一直線上的點的大地三維坐標，就能夠聯立方程求得A，B，C的值。 平面的A，B，C能夠確定結構面的產狀，根據以下公式分別確定走向、傾向、傾角。

傾向：若A＞0，B＞0，C＞0或者A＜0，B＜0，C＜0，傾向NE。

若A＞0，B＜0，C＜0或者A＜0，B＞0，C＞0，傾向NW。

若A＜0，B＜0，C＞0或者A＜0，B＜0，C＜0，傾向SE。

若A＞0，B＞0，C＜0或者A＞0，B＜0，C＞0，傾向SW。

2.3.3 開挖面編錄

根據三維實景模型的內業判讀分析， 不僅能直接對開挖面的裂隙、層面、破裂面等進行直接辨識，且能夠相比傳統的實測更全面、更整體地把握裂隙的發育特征規律。 本次開挖面的地質編錄成果如圖3。

經判讀統計，該段開挖面上共揭露4組高傾角節理裂隙及3條長大緩傾角裂隙。

4組高傾角節理裂隙分述如下，①組節理為近南北向，節理延伸大多1.0～2.0m，發育間距40～50cm，發育密度2條/m。 ②組節理沿北東向，延伸0.5～2.0m，裂隙縫寬約2mm，部分閉合，面較平直，發育間距20～30cm，發育密度2條/m；③組節理發育近東西向，延伸2.0～5.0m，發育間距40～70cm，發育密度3～7條/m。 ④組節理走向大多沿北西方向， 延伸1.0～2.0m， 間距40～60cm，發育密度3條/m。

圖3 水庫595～605m開挖面地質編錄成果

長大緩傾角節理主要發育有3條，JH1位于603m高程處，走向15°，傾向SE，傾角10°， JH2位于601m高程處，走向315°，傾向NE，傾角15°，起伏差大， JH3位于593m高程處，走向0°，傾向E，傾角12°～15°。

2.3.4 成果對比

基于以上成果， 對采用傾斜攝影的編錄方法和傳統的編錄方法和進行各方面對比分析：

（1）采用傾斜攝影的編錄方法對編錄范圍內的地質體整體特征判讀的更準確。 傳統的編錄方法，現場編錄人員往往身處開挖面一個角落進行編錄，范圍較大時，無法看到開挖面整體的狀況。 采用傾斜攝影的編錄方法， 能夠充分對整體結構面發育狀況進行分析，有效避免結構面漏測，所獲取的結構面更詳細。

（2） 采用傾斜攝影的編錄方法精度和可靠性更高。 傳統的皮尺+羅盤編錄方法，測量精讀和可靠性是不可控的，也不可能評定，而采用傾斜攝影測量編錄方法，在航拍影像內業處理中，進行了數據平差和精度評定，從而使整個模型精度可控，為模型投影、局部展視圖等提供了精度保證。

（3）采用傾斜攝影的編錄方法，僅需航拍外業和少量外業復核工作，以內業工作為主，大大提高了效率，有效避免了外業攀爬過程中的安全風險。

（4） 編錄地質體的坐標、長度、面積測量結果對比，兩種方法測量結果一致， 但由于開挖面的形狀不規性， 面積的測量在局部區域會稍有偏差， 必要時需對局部區域進行現場實測校核。

（5）地質體的產狀測量，兩種方法測量結果基本一致， 但是對順直發育的高傾角結構面， 系統無法準確獲取結構面上不在同一直線上的三個點， 會導致產狀結果偏差較大，但差值整體均在10°以內，所測成果可以利用。

（6） 采用傾斜攝影編錄方法中，對巖體堅硬程度、結構面張開度、 充填物及起伏差等特征無法準確判別。 因此，在實際工作中，采用傾斜攝影編錄方法還需進行少量外業補充和復核工作， 方能達到良好效果。

3 結語

基于傾斜攝影測量地質編錄方法是可行的，它有別于傳統的編錄方法，能更全面、準確地獲取巖體結構面的特征，大大提高了安全性和效率，有極大的推廣前景。同時，該技術也可提供實時或開挖現場影像資料，有利于施工資料備份和管理。