倾斜摄影测量在红石岩堰塞湖高边坡治理工作中的应用

桂　林,陈昌黎,谢　飞,吴弦骏

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,昆明　650041)

摘　要：在云南省鲁甸红石岩堰塞湖永久性整治工程的开展过程中,由地震引发的高边坡对现场作业具有极大的威胁,为保障工程的顺利开展,必须对高边坡进行有效整治,而高边坡高差700m且存在滑塌,普通方法完全无法获取制定整治方案所需的基础数据。本文在对各种高新边坡观测技术特点分析的基础上,以倾斜摄影测量技术为主线,为红石岩堰塞湖高边坡的治理,提供高精度的三维地形基础,为高边坡整治方案提供了有力的技术支撑。

关键词：红石岩；高边坡；倾斜摄影测量

作者简介：桂林,男,1984年10月生,高级工程师,现从事3S集成应用研究,gulin8410@qq.com。

1　引言

在2014年8月3日鲁甸地震发生后,牛栏江上形成了红石岩堰塞湖,严重威胁着下游人民群众的生命财产安全。8月12日,红石岩堰塞湖排险处置指挥部总指挥、云南省人民政府副省长主持召开红石岩堰塞湖应急排险处置会议,会议指定中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司负责堰塞湖处置方案的编制工作。

8月15日,昆明院成立了红石岩堰塞湖整治工程设总班子,同时成立了设计代表处。随即开展后期整治阶段的勘察设计工作。

9月10日,昆明院提交《红石岩堰塞湖永久性整治工程实施方案报告》,11月完成《溢洪洞设计专题报告》并通过审查,12月完成《建设征地移民安置专题研究报告》《可行性研究报告(送审稿)》等方案,红石岩堰塞湖永久性整治工程正式拉开帷幕。

截至2017年9月,主体工程已部分完成,但“8·03”鲁甸地震后,鲁甸县余震频发,引起右岸高边坡局部危石或危岩体多次掉落,该边坡高度约620m、宽约1000m,崩塌后缘陡崖上部有很多裂缝,陡崖部位有很多危岩体,给治理带来极大的难度。2017年最大日降雨量为55mm。在雨水的作用下,右岸高边坡危石更易掉落,严重影响堰塞体区域各部位的施工,安全隐患极大,无法采用常规手段获取治理方案所需的基础数据,项目进度严重滞后(图1)。

2　红石岩堰塞湖右岸高边坡观测方案选型

在红石岩堰塞湖高边坡的基础信息采集过程中,受制于不断滑塌的现场条件,传统手段很难开展工作,采用非接触式、快速、有效的手段获取边坡区域内的基础地理信息,为边坡治理提供基础信息是当前红石岩堰塞体整治工作中的重点。

在各类非接触式的测绘手段中,低空无人机航空摄影测量技术具有突出的优点,并得到了广泛的应用,但右岸高边坡不仅高差大,而且关键坡面坡度接近90°,传统低空无人机航摄技术无法获取该部位的详细纹理影像,因此,必须考虑采用其他的方法开展工作。

2.1　地基InSAR技术

InSAR技术由来已久,和其原理类似的地基InSAR技术是近十年来逐步投入使用的一种新兴技术[1]。与星载SAR不同的是,其优点主要突出表现在以下几个方面：①摆脱了卫星时间分辨率难以调整的局限,根据需要,可以以极小的时间间隔(最短几分钟)获取图像；②观测姿态灵活,可随实际需要而在一定范围内调整；③可获取任意视线方向上的形变,真正实现零基线观测,最大限度消除基线误差影响。地基InSAR设备如图2所示。

2.2　三维激光扫描技术

三维激光扫描技术目前在越来越多的领域得到了应用,其原理在于：通过短时间,高密度的线阵激光脉冲,获取一定范围内被测物体的高精度彩色点云,通过后期点云处理,可反映被测区域的真实情况。三维激光扫描技术的出现,将传统测量方式当中的单点测量升级到了多点、多角度测量方式,广泛应用于城市建设、逆向工程、室内设计、交通设计、矿山测量等领域。三维激光扫描设备可利用飞机、汽车作为载体或架设于地面开展观测(图3)。

2.3　倾斜摄影测量技术

倾斜摄影技术近年来在测绘及遥感领域得到了广泛的应用。通过在同一飞行平台上搭载多台传感器,弥补了传统航空摄影测量只能从一个方向获取影像的不足,该技术同时从垂直、倾斜等多个角度采集具有空间信息的真实影像,获取更加真实的被测区域表面影像信息,通过后期处理,形成三维可视化模型,直观地反映真实世界,具有较好的目视效果。倾斜摄影测量原理如图4所示。

2.4　选型分析

各种测绘新技术的应用,都可以准确获取红石岩堰塞湖高边坡表面模型数据,但具体而言,通过选型分析可以确定最适合红石岩堰塞体右岸高边坡整治工作的方式,进而开展工作。

(1)表面纹理采集。本次工作的重中之重,就是采集滑坡体表面的精细纹理模型,以供设计专业对该区域进行相应的地质解译工作,并在解译成果的基础上,开展整治工作的设计和实施,在上述三种手段中,地基InSAR技术由于缺乏目视影像的获取手段,即使利用模型进行贴图,也很难保证贴图的准确性和精度,因此,无法提供高精度的表面纹理信息；三维激光扫描技术和倾斜摄影测量技术,均可提供高边坡坡面的表面纹理但受制于观测距离(≥800m)的限制,点云间距只能达到0.15m,通过加密观测后,也只能达到0.05m的密度,成果将会对地质解译工作的开展造成一定的影响。通过合理的航线规划设计,倾斜摄影测量可以达到0.02m的影像精度,在表面纹理采集过程中具有突出的优势。

(2)高边坡三维模型。三种方法均可以准确获取红石岩堰塞湖右岸高边坡精细三维模型,但从实践而言,地基InSAR技术获取的三维模型精度最高,可以达到5mm,三维激光扫描仪次之,该距离下,扫描形成的表面模型精度约为2cm,且无需现场控制点的测量。倾斜摄影测量技术形成的三维模型精度最低,且必须在现场进行高密度的控制点采集,才可保证模型的精度,这对于现场滑塌的高边坡而言,无疑是存在风险的。

(3)数据生产效率。三种高新技术手段,均可在较短时间内获取相应的成果,相对而言,地基InSAR、三维激光扫描技术的处理时间要短于倾斜摄影测量模型的生产时间。

(4)现场实施成本。地基InSAR技术在实施过程中,需要架设高精度的轨道基站。三维激光扫描及倾斜摄影测量技术只要设备到达现场,现场条件允许就可以实施。

综合考虑视影像精度、三维模型建模效率及成本,选择倾斜摄影测量技术作为红石岩堰塞湖整治工作中右岸高边坡表面精细模型的采集手段。

3　倾斜摄影测量方案实施

利用倾斜摄影测量技术,可准确获取红石岩右岸高边坡的精细地表模型,基于模型,可进行地质解译、方案设计等工作,为高边坡的治理提供准确的数据依据。

(1)本次倾斜摄影测量工作的开展和以往有很大不同,具体体现在以下几方面：

1)作业高差特别大。以往倾斜摄影测量项目的开展过程中,观测区域高差一般不超过200m,而红石岩边坡高差约600m,远远超出了一般水平。

2)旁向精度要求高。传统倾斜摄影测量作业中,往往要求平面精度较高,通过相应的航高控制,容易满足相应的精度要求,但在堰塞湖边坡的倾斜摄影测量过程中,要求旁向精度较高(2cm量测分辨率)。

3)现场危险程度高。正是由于现场滑坡体受地震影响不稳定,人工无法到达,才采用倾斜摄影的方式采集精细模型,在作业过程中,作业小组的安全也存在极大的隐患。

4)现场扬尘严重。红石岩堰塞湖永久性整治工程在施工时,由于各类边坡开挖、混凝土生产作业,随着大风吹过,边坡周围不时有扬尘飞起,会对数据质量造成影响。

(2)针对现场情况,项目组针对性地制定了各项措施：

1)根据高度变化,每150m高度设置一条航带,垂直方向布置4条航带以满足项目要求(图5)。

2)航带设计充分考虑与滑坡体距离,在保证安全的前提下,根据地形精确计算,将航线与滑坡体平面距离控制在200m内,在采集完成后,对局部区域进行补测以满足设计要求。

3)起飞点选择左岸相对稳定区域,作业过程中,小组成员与滑坡体底部的安全距离保持在300m以上。

4)和现场工作人员进行沟通,准确掌握现场施工时间,采用分段飞行的方式,在施工间隔期间开展飞行作业任务。

3.1　现场作业实施

小组于2017年9月中旬到达现场,在初步踏勘、选定位置后,开展了作业实施。针对整个施工区域及滑坡体,共开展了12个架次的作业,共采集影像约3000幅,通过检查后,局部区域精度未满足,随后进行了补测,外业工作时间3天。

本次作业过程中,对右岸高边坡进行了精细采集,针对整个施工场景,进行了大范围数据采集(图6)。

3.2　影像数据处理

在获取影像及POS数据后,通过照片整理命名、POS解算、参数设置等(图7),即可进行模型构建。

3.3　模型构建

对影像数据进行检查,POS数据解算完成后,开始模型的计算工作,由于区域比较大,在解算的过程中,利用多线程计算,可以极大地缩短模型计算的时间(图8～图11)。

基于高精度右岸高边坡山体模型,设计专业开展了相关的边坡治理方案设计工作,保障了堰塞体整治工程的顺利开展。

4　结语

应用倾斜摄影测量技术,为红石岩堰塞湖永久性整治工程的右岸高边坡治理工作的顺利实施提供了有力的数据支撑。除了传统的区域建模外,倾斜摄影测量技术特别适用于高危环境、人员无法到达条件下的工程勘察设计工作。通过高精度模型的建立,把工程各部位以精确比例的方式再现在一体化的虚拟环境中,以可量测、三维直观的方式展现在工程师面前,完成相关的勘察设计工作,具有巨大的应用价值。

随着勘测设计技术的不断发展,倾斜摄影测量建模技术将会得到更为广泛的应用。

参考文献

[1]何秀凤.变形监测新方法及其应用[M].北京：科学出版社,2009.