基于三维激光扫描和无人机航空摄影的水电站高边坡建模技术研究——以叶巴滩水电站为例.pdf
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1、四 川 水 利 基于三维激光扫描和无人机航空摄影的水电站高边坡建模技术研究 以叶巴滩水电站为例米元桃罗箱陇丁 钇欧作飞(中国水利水电第七工程局有限公司第一分局四川 彭山 四川大学水利水电学院成都)【摘 要】无人机航空摄影与三维激光扫描是目前广泛使用的两种三维建模技术 在高山峡谷地区这两种技术在使用上都有其各自的缺陷 无人机航空摄影在地形复杂的山区难以布设足够的控制点导致建模精度不高三维激光扫描在高山峡谷地区存在大量视野盲区导致扫描结果完整性有限 文章提出了一种基于无人机航空摄影与三维激光扫描的联合监测技术以四川省叶巴滩电站坝肩高边坡为例进行研究并将联合监测结果与传统无人机建模结果进行了比较分析
2、 结果表明使用联合监测技术得到的叶巴滩坝肩边坡模型具有更高的精度能够为地形勘探、变形监测、滑坡分析提供高精度三维模型【关键词】无人机 三维激光扫描 叶巴滩 三维建模 中图分类号:文献标志码:文章编号:()引言水电站作为一项重要的民生工程对能源供应及经济发展都有重要的作用 为保障水电站的顺利建设需要在建设过程采取必要的监测手段及时发现施工过程中存在的问题避免施工中出现偏差确保工程质量 同时在水电站建设过程中涉及到水文、地质、地形等复杂因素通过有效的监测手段可以及时发现和处理存在的危险因素保障工程安全不同于一般的工程水电站大多数建立在偏远的高山峡谷地区在这样的条件下传统的人工监测手段具有很大的缺陷
3、 监测范围小周期长需要投入大量的人力、物力及财力监测精度不高处理数据繁琐、困难且高山峡谷地区地势高陡、植被茂密通视条件极差人工作业具有很大的安全隐患近年来以无人机航空摄影技术和三维激光扫描 技 术 为 代 表 的 非 接 触 监 测 技 术 迅 速 发展 相较于传统的监测方式非接触监测技术具有很大的优势 无人机能够在短时间内飞到目标区域上空快速获取大范围的高清晰度图像并通过软件处理生成地表三维模型 三维激光扫描技术可以快速、精确地获取地表点云数据得到高精度的三维几何空间信息 这两种技术在效率、精确性、安全性及作业成本方面比传统手段均有很大提升在工程中得到了广泛的应用周靖鸿、曾跃等采用无人机倾斜
4、摄影测量建立了大坝的实景三维模型提高了效率降低了建模成本丛晓明使用无人机航摄系统对黄河上游水电站进行了滑坡调查为后期滑坡动态监测提供了重要资料罗杰等在桑皮勒水电站地区通过三维激光扫描进行了地形测量显著提高了绘制地形图的精度与效率保振永使用三维激光扫描技术对土石坝进行建模并通过对比分析得到了土石坝整体的变形结果然而在实际应用中无人机航空摄影技术和三维激光扫描技术也存在其各自的缺陷无人机技术的建模精度依赖于控制点的布设在高山峡谷地区大量的区域难以到达无法人为布置控制点没有足够的控制点无人机建模的精度就不高 同时三维激光扫描技术依靠对目标发射激光获取信息而高山峡谷地区存在大量视野 四 川 水 利盲区
5、扫描仪无法获取这些区域的数据最终所得到的点云完整性有限基于以上背景本研究使用了一种基于三维激光扫描和无人机航空摄影的联合监测技术 利用三维激光扫描的高精度从三维激光点云中提取一部分点作为无人机建模的控制点以此得到高精度的三维模型并使用此方法建立了叶巴滩水电站高边坡的高精度三维模型 研究成果旨在为叶巴滩水电站的监测分析提供理论依据和有效参考 工程背景叶巴滩水电站位于金沙江上游是十三级开发方案中的第七级 该水电站位于四川白玉县和西藏贡觉县的交界处金沙江干流降曲河口下游大约 的河段上 根据无人机对右岸进行的现场调查结果右岸浅表层潜在不稳定体分布高程范围约在 之间其稳定性极差危险性大下方是水垫塘、右岸
6、坝肩、开关站和缆机平台 由此产生的落石风险对施工期安全和长期运行安全影响较大对叶巴滩坝肩边坡进行精确的三维建模对于后续落石的处理具有重要意义叶巴滩水电站位于三江深切割强隆区和川西面状强隆区交界处坝区两岸山体雄厚地形陡峭山顶高程大于 相对高差大于 属于高山地貌 河谷狭窄谷坡陡峻为基本对称的深切“”形峡谷 传统的人工测量方法在这样的地形条件下难以开展且耗时长危险性极大因此需要借助非接触式监测方法 本研究分别使用无人机与三维激光扫描仪对叶巴滩坝肩边坡进行数据采集采用传统无人机建模方法与联合监测方法分别得到叶巴滩坝肩边坡三维模型并对两种模型的精度进行定量比较分析 叶巴滩坝肩边坡情况见图 图 叶巴滩坝肩
7、边坡 主要设备及原理 三三维维激激光光扫扫描描原原理理三维激光扫描是一种高精度的获取地面三维点云数据的技术它能够快速获取被测物体表面大量密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息生成高精度的点云数据 相较于传统单点测量方式三维激光扫描技术具有诸多优势 它能够在短时间内获取大量的点云数据测量精度能够达到毫米级别且数据处理自动化程度高被广泛应用于地质勘查、建筑、文物保护、工业设计等领域三维激光扫描技术通过发射激光束使用反射镜或激光头将激光束扫描到目标物体表面激光束反射回来后通过接收器接收并计算反射光束的时间延迟和光程差从而确定目标物体表面到激光扫描仪的距离 同时通过记录扫描的水平方向角、垂直方向角 计算
8、示意如图 可以计算出每一个扫描点与测站之间的三维空间相对坐标差 通过不断改变扫描仪的扫描角度和位置可以采集到物体表面的大量点云数据进而生成三维模型图 三维激光扫描坐标计算示意三维激光扫描点云坐标计算公式如下:式中 为点云相对坐标 为目标物体表面到激光扫描仪的距离 为水平方向角 为垂直方向角 无无人人机机倾倾斜斜摄摄影影测测量量原原理理无人机倾斜摄影测量是一种利用无人机搭载倾斜摄影设备对地表进行高精度三维建模的技术 在无人机的飞行过程中倾斜摄影镜头通过不同的角度拍摄地面图像将这些图像经过一米元桃罗箱陇丁 钇等:基于三维激光扫描和无人机航空摄影的水电站高边坡建模技术研究 定的算法处理之后即可得到地
9、表三维模型使用无人机倾斜摄影测量技术建立地表三维模型的过程大致可以分为以下几个步骤:()飞行任务规划:确定拍摄区域、飞行高度、重叠度等参数制定航线规划确保拍摄到完整的区域()数据采集:通过无人机搭载的倾斜摄影头对地面进行航拍获取大量的航空影像数据同时使用()系统记录拍摄时的姿态信息(例如飞行高度、飞行速度、拍摄角度、相机内参等)()影像预处理:对采集到的影像数据进行预处理包括图像校正、去畸变、色彩均衡、影像拼接等 影像拼接的基本原理是在不同影像中找到对应的同名点从而获得影像间的关联关系并拼接为完整的地面图像()空中三角测量:通过软件相关算法对影像进行匹配利用 信息和地面控制点信息并提取地物特征
10、点进行空中三角测量确定地面上每个点的三维坐标()三维模型生成:将空中三角测量得到的坐标数据进行处理生成地表的三维模型 现场数据采集 无无人人机机航航空空摄摄影影数数据据采采集集本研究无人机航空摄影数据的采集使用飞马 型无人机飞行具体参数设定如表 所示飞行航线设定如图 表 无人机参数设定项目设定相机 飞行高度飞行模式固定高度平均分辨率 重叠度图 无人机航线设定无人机完成飞行任务后共获取照片 张并记录了无人机 信息所采集照片亮度、清晰度和重叠度均满足要求用于后续无人机模型的建立同时为提高无人机建模精度需要布设()控制点 本研究沿河道及坝肩一共布设了 个 控制点得到了其精确地理坐标 三三维维激激光光
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