基于無人機攝像技術的水電工程庫區國土空間快速建模及數值分析

錢庭青，張 遷，徐洪鐘，畢 港*，朱 煥

1. 江蘇省地質工程勘察院，南京 211102；2. 南京工業大學 交通運輸工程學院，南京 211816

自建國以來，水電工程逐漸增加，迄今發電量已達國家總量的20%。水電作為一種清潔能源，符合當前減少碳排放、實現碳中和的可持續生態發展的長期目標。近些年來對水電工程庫區國土空間生態長期穩定的健康監測越發重視，國家能源局及國家電力監管委員會逐步推出各項規定和指導建議，強調定期核查水電工程庫區國土空間生態健康的必要性。

針對水電工程庫區國土空間生態健康的調查，傳統地質災害的技術手段，存在人力成本高、調查精度低、現場還原性差、調查范圍有欠缺等不足，比如低水位時壩體狀態，因距離壩頂太遠看不到細節。一種高效、便捷、及時、全局化、且短期能多次重復的調查技術手段的應用能極大地優化水電工程庫區國土空間生態健康監測。

近幾年遙感影像相關軟件及硬件的快速發展，實現了在小型無人機上掛載高清數碼相機拍攝地面影像，在保證一定重疊率的基礎上經過圖像識別算法分析，直接得到地面高分辨率數字正射影像（Digital Orthophoto Map, DOM），進一步匯總為數字高程模型（Digital Elevation Model, DEM），極大地方便了科研工作和工程設計的后續分析研究。相比與傳統地質災害調查手段，無人機適用于困難地區信息采集（黃海寧等，2019），且保持高精度；相比于衛星遙感數據，無人機攝像技術具有及時性（張歡等，2021）、便捷性（陳天博等，2017；張崇軍等，2021）、適用于復雜地形地貌（馬娟等，2019）、短期能多次重復性（孔嘉旭等，2021）等優點。

早在十年前，馬澤忠等（2011）將無人機應用于夏季暴雨引發山體滑坡導致的堰塞湖的災后重建工作。但近五年來無人機攝像技術才在國土空間生態健康監測中逐步普及，主要應用于高精度常規地質災害調查（付蕭等，2018；王帥永等，2016）、極端情況下地質災害應急響應（郭晨等，2020；黃海峰等，2017；彭大雷等，2017；楊燕等，2017；周小龍等，2022）、礦山生態修復（何原榮等，2017；聞彩煥和王文棟，2020；張愷等，2019）等方面。

但目前針對無人機攝像技術構建的DEM進一步的分析應用較少（Ma et al., 2020; Tang et al.,2021）。本文以某抽水蓄能水電工程為例，探索了基于無人機攝像技術生成的DEM的快速數值建模及強度、變形及穩定性分析的思路和方法。該方法有助于優化無人機攝像技術在水電工程庫區國土空間生態健康監測中的應用，為相關行業技術的推進和社會經濟的發展提供輔助及參考。

1 基于無人機攝像技術的快速數值建模思路

本研究采用的無人機型號為大疆M300Pro搭載D-RTK，分辨率8192*5460，地面拍攝精度可達cm級?；跓o人機攝像技術的快速數值建模的室內外工作原理（圖1）大致可概括為：（1）指令無人機按照規劃的航線飛行，拍攝地形地貌影像；（2）經過專業影像分析軟件如Photo Scan等對影像進行拼接、校正并最終重構DOM及DEM；（3）研究人員和工程人員利用有限元、有限差分等數值軟件結合DEM開展進一步數值分析，具體流程如下。

圖1 無人機攝像技術的快速數值建模流程Fig. 1 Work flow for the rapid numerical modeling based on the UAV

1.1 無人機飛行航線規劃設計

在獲取不同時期水電工程庫區國土空間生態的時空狀態信息時，布設無人機單水平、垂直航線，航線覆蓋研究區域及其周邊環境。為保證建模精確度以及在數據分析過程中有足夠多的參考點位，需調整數據采集參數，同一航線相鄰照片之間的重疊度應大于60%，相鄰兩條航線之間照片的重疊度應大于30%，重疊度越高，相應建模精度也越高。如果拍攝目標較大或較復雜，單條航線單個角度拍攝無法獲取所有細節，為使模型更加精細準確，可以采取設計多條航線以多個拍攝角度進行航攝，最后多條航線航攝照片進行結合處理。在執行完飛行任務后，及時檢查影像的完整性和精度，對于數據缺失或者圖像模糊的區域進行重新采集。最終采集的圖像包含POS數據，并具有高重疊率、精度高等特點。

1.2 三維實景模型建立

將無人機按設計航線獲取目標區域的高精度航空影像數據導入自動化建模軟件，完成三維模型的建立。整個建模的過程需要經過導入照片、對齊照片、建立密集點云、生成網格、生成紋理幾個流程。最終成型的空間三維模型可以按照需求輸出相應的成果，如DOM。

通過以上兩步的操作，基本實現地形勘測的任務。利用實景三維模型可以清晰地反應地形地貌，相對傳統的二維圖紙更加生動形象的展現現場實景，也降低了多方合作的技術門檻。利用DOM提供了比衛星遙感更高精度的影像效果。

1.3 三維數值模型

因為無人機獲取的是高精度的遙感影像，其數據量一般很大（可達十幾個G）,有限元軟件的計算速度受到了明顯地限制。比較而言，有限差分方法使用顯式近似迭代求解偏微分方程組，不存儲剛度矩陣，受數據量的影響較小。因此本研究采用某有限差分軟件。它支持導入網格，其直接使用三維坐標，格式如下例，通過五個空間點，按右手法則，定義生成一個四面體單元。

通過無人機三維實景模型建立三維數值模型的常規方法是：借助多視圖三維重建技術獲取目標的密集點云，然后使用Cloud Compare濾波、平滑等處理，生成網格以*.stl文件格式導入軟件中生成曲面模型并延展成體，最后利用高級網格生成插件對三維實體網格模型進行再嚙合網格劃分，并保存成可以識別的網格文件，然后用import命令生成復雜三維地質體的數值計算模型。

但同樣的原因，因為無人機獲取的數據量非常龐大，這種建模方法依然低效，且無法保證精度。因為三維數值分析所需的模型其實相比無人機三維實景模型，相對粗糙，不需要龐大的數據節點。本研究采用如下方法快速構建三維數值模型：借助多視圖三維重建技術獲取目標的密集點云，然后生成地形等高線圖，最后軟件使用內置編程語言，依托地形等高線圖生成三維數值模型。如依托圖2的某地形等高線圖構建的三維數值模型圖3。其核心程序代碼見附錄一。

圖2 某地形等高線圖Fig. 2 Contour map of one area

圖3 依托地形等高線圖構建的三維數值模型Fig. 3 Three dimensional numerical model constructed based on the topographic map

2 工程應用實例

2.1 工程概況

研究對象坐落于歷史名山醉翁亭記的誕生地，下水庫利用已建的城西水庫，正常蓄水位29 m；上水庫是國內第一座修建于巖溶地區的日調節抽水蓄能電站水庫，正常蓄水位172 m，死水位150 m。上水庫建有主壩及副壩各一座，壩型為鋼筋混凝土面板堆石壩和混凝土重力壩，最大壩高為64.5 m和20 m。歷經近20年等各項地質勘察推進工作，并經5年工程建設，自2007年底投入使用，總裝機60萬千瓦。

抽水蓄能庫區位于江淮分水嶺南側，屬于長江流域。庫區的上水庫和下水庫（城西水庫）均位于清流河支流小沙河上，流域內小支流密布，河系呈葉脈狀。清流河貫穿滁州市區，向東南流入滁河，最后匯入長江。下水庫（城西水庫）位于小沙河支流下游，是滁州城區供水的唯一水源基地，建成于1960年，集水面積為168 km2；上水庫位于小沙河三條支流之一的東源上游，流域面積為1.97 km2。地下水主要接受大氣降水的補給，以泉水和地表徑流的形式排向河谷。庫區內主要巖土層為灰色巨厚層至塊狀致密灰巖，上覆棕灰色粉質粘土。區域地殼屬于穩定區。

2.2 三維實景模型

依據國家能源局及國家電力監管委員會等部門的相關規定，對于地質災害高易發區內的重要電力設施，原則上應每三年組織專業人員開展周邊地質災害風險辨識，全面排查崩塌、滑坡、泥石流、塌陷等地質災害隱患，同時做好抗滑樁、護坡、擋渣墻等防護措施的安全隱患排查，確保其正常發揮作業。2021年相比2018年在傳統地質災害調查手段的基礎上，針對抽水蓄電工程庫區的重點場所，如主壩、副壩、及三個渣場等大型工程，增加了無人機攝像技術手段。無人機飛行航線規劃圖如圖4。

圖4 無人機飛行航線Fig. 4 Flying routes of an UAV

通過無人機攝像技術采集影像，并經建構的主壩體模型如圖5。詳細核查主壩模型的各個細節，可見主壩伸縮縫形態良好，未見開裂。

圖5 主壩模型Fig. 5 Model of the main dam

2.3 數值分析

為了進一步核實主壩的應力應變及穩定性狀態，將無人機攝像技術建構的DEM，使用前述小節描述方法，建立主壩三維空間巖土體模型 （圖6）。壩體總長700 m，約中間處壩體向右偏轉15°。模型尺寸約為250 m*700 m*120 m。剖分網格78400個，節點86631個。邊界條件為底部鉸接及四周滑動接觸。壩體材料主要是堆積塊石，表面用混凝土防護，賦予摩爾庫倫彈塑性本構模型；基巖為未風化到微風化灰巖，賦予彈性本構模型，具體參數見表1。經分析計算，主壩的應力狀態如圖7（注：默認壓應力為負）。截取主壩壩高最高的截面，采用某通用極限平衡分析軟件分析其穩定性（圖8），得到低水位時地震工況（0.1g）下主壩的最低安全系數為2.16，極為穩定。

表1 本構模型及參數Table 1 Constitutive models and parameters

圖6 主壩數值模型Fig. 6 Numerical model of the main dam

圖7 主壩垂直應力狀態Fig. 7 Vertical stress of the main dam

圖8 主壩穩定性（地震工況）Fig. 8 Slope stability of the main dam (earthquake considered)

3 結 論

本文提出了一種新的思路和方法，實現了對國土空間生態快速有效地健康監測?；跓o人機攝像技術獲取地形數字模型的快捷性，對接入數值分析軟件快速建模并開展數值模擬，從而實現對國土空間生態健康的高效、及時地監測。以某抽水蓄能水電工程為例，詳細描述了無人機室外飛行，構建DEM，建立三維數值分析模型，并開展強度、變形及穩定性分析的流程。結果表明：無人機攝像技術能夠實現對水電工程庫區國土空間生態高效、便捷、及時、全面的健康監測。無人機攝像技術建構的三維數字高程模型高度還原現場，便于科研工作和工程設計的后續數值分析和研究；使用無人機定期飛行，實現了用低成本，獲取不同時期水電工程庫區國土空間生態的時空狀態，進而達到長期動態的健康監測的目標。