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

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 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 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 三三维维激激光光扫扫描描数数据据采采集集本研究三维激光扫描数据的采集使用 型三维激光扫描仪为尽量提高扫描数据的完整性一共设置了四个扫描站点在右侧坝肩与左侧坝肩各设置两个 三维激光扫描仪的具体参数见表 表 三维激光扫描仪参数设定项目设定扫描模式全景扫描垂直方向角分辨率 水平方向角分辨率 扫描完成后将各个站点的扫描结果导入 软件将各部分点云进行初步拼接得到叶巴滩边坡三维激光扫描点云结果见图 图 叶巴滩坝肩边坡三维激光扫描点云从三维激光扫描结果可以看出在靠近扫描站点的位置点云的密度较高 随着与扫描站点距离的增大点云密度开始逐渐降低且扫描结果中存在大量的缺失部分 三维激光扫描无人机航空摄影联合监测 联联合合监监测测基基本本原原理理 四 川 水 利在无人机航空摄影建模中布设控制点是一项十分重要的工作 控制点的作用主要可以分为两点:()校正图像几何畸变:由于无人机飞行时存在姿态变化、航线偏差等因素航拍图像可能存在几何畸变 控制点可以用来计算图像的几何变换参数从而对图像进行校正使其更符合实际情况()为三维建模提供基础数据:控制点可以提供已知坐标的地面点使得在无人机建模过程中可以更准确地测量地物高程、坐标等信息以得到更准确的三维模型控制点的布设范围、数量及精度会对无人机航空摄影建模的结果产生很大影响 因此在使用无人机航空摄影技术建模的过程中需要布设足够数量及高精度的控制点以保证无人机建模结果的有效性 然而在高山峡谷地区由于地形复杂、道路不通且存在很大的安全隐患大量的区域作业人员不能到达无法布设 控制点在缺乏足够 控制点的情况下仅使用小范围的 控制点进行无人机建模所得到的三维模型精度无法得到保证三维激光扫描技术具有很高的精度但在高山峡谷地区进行扫描建模时其数据完整性远远不如无人机航空摄影 这是由于三维激光扫描技术通过在固定点发射激光并接收反射信息以完成数据采集在地形复杂的高山峡谷地区存在大量的视野盲区激光无法到达最终得到的扫描结果会缺失这部分的数据基于以上特点本研究采用了一种三维激光扫描无人机航空摄影联合监测方式 在目标监测区域无人机航空摄影正常采集数据并在可以人为到达的地方使用 获取控制点同时使用三维激光扫描仪扫描地表点云数据并将各部分点云数据进行精确()配准根据布设的 控制点信息将坐标信息导入三维激光点云数据以得到点云数据中每个点的三维坐标基于三维激光扫描技术的毫米级精度所得到的点云数据坐标可以认为是足够精确的 选取点云数据中特征明显的标志点作为基于三维激光扫描获取的()控制点并将 控制点坐标加入无人机建模过程为无人机建模提供足够的控制点通过空中三角测量等过程生成高精度的地表三维模型技术流程见图 图 技术流程 联联合合监监测测参参数数设设定定在本次叶巴滩坝肩高边坡的数据采集中一共通过 获取了 个地面控制点由于地形限制、道路不同所布设的 控制点基本沿河道进行布置部分控制点布设在坝肩处 基于以上控制点信息使用传统方式进行无人机建模将得到的三维建模结果作为对比项以便于后续进行模型精度的比较分析根据获取的叶巴滩坝肩高边坡三维激光点云数据使用 算法将各部分点云进行精确配准并导入通过 获取的坐标以对点云进行校准从而获得点云中所有点的坐标 所得到的三维激光点云数据视为真实地形作为参考为后续无人机建模的精度评定提供依据 在三维激光点云上缺乏 控制点的区域提取了四个特征明显的点作为基于三维激光扫描获取的 控制点并导入无人机建模过程与通过 获取的控制点一起作为无人机建模的控制点控制点分布情况见图 再次进行无人机航空摄影建模所得到的建模结果为本次研究的实验组图 控制点分布米元桃罗箱陇丁 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 模模型型对对比比与与精精度度评评定定三维激光扫描所得到的点云具有毫米级精度因此在本研究的模型对比分析中使用三维激光扫描点云作为真实地形进行比较 将使用传统方法得到的无人机建模结果与使用联合监测方法得到的建模结果分别与三维激光点云进行对比分析为了直观地进行误差比较本研究在建模区域内选取一组具有代表性的剖面计算这些剖面上无人机建模与三维激光扫描点云之间的误差以得到剖面上的误差曲线图 具体的剖面选择如图 所示在各个模型剖面上依次进行取点使用最短距离法计算该点位上无人机建模与三维激光扫描点云之间的误差最终以点到左端和上端的距离为横坐标以计算所得误差为纵坐标作点并将各图 误差计算剖面选择点相连分别得到传统方法与联合监测方法建模结果在各剖面上的误差曲线结果见图 ()()()()()()四 川 水 利()()()()()()图 传统方法与联合监测方法各剖面误差曲线 通过误差曲线结果可以看出使用传统方法得到的无人机建模结果在模型中部范围内误差较小普遍在 以内而在左右两侧误差数值则明显上升左侧误差最高达到了 以上右侧误差也达到了 这表明在控制点范围附近传统方式得到的无人机模型与三维激光扫描结果吻合较好产生的误差较小但在两侧坝肩往上由于缺乏控制点无人机模型的误差迅速增加 使用联合监测方法得到的无人机建模结果由于加入了基于三维激光扫描获取的 控制点控制点的范围得到明显扩大误差曲线在整个范围内没有明显的波动误差普遍在 以内由此可以得出相较于传统无人机建模方法本研究所采用的三维激光扫描无人机航空摄影联合监测方法能够明显提升无人机三维建模整体的精度 结论本文介绍了无人机航空摄影与三维激光扫描两种常用的非接触监测手段并总结了其各自存在的缺陷 在此基础上本文采用了一种三维激光扫描与无人机摄影联合监测方法以叶巴滩水电站作为建模对象实现了叶巴滩水电站高边坡的高精度建模得出了以下结论:()三维激光扫描()点云数据具有毫米米元桃罗箱陇丁 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 级精度但受到高山峡谷地区视野限制大量的区域无法被扫描到扫描数据完整性有限()无人机()航空摄影数据完整性高但由于环境限制无法布置足够的地面控制点建模精度不高在距离控制点较远的地方误差会达到十米以上()使用三维激光扫描无人机航空摄影联合监测技术利用三维激光扫描的高精度选取其中的部分点作为无人机建模的控制点实现两者数据的互补利用该方法实现了叶巴滩水电站的高精度三维建模 根据误差分析得出使用联合监测方法得到的建模结果明显好于传统无人机建模结果 该建模结果可为叶巴滩风险防治等方面提供可靠依据参 考 文 献周 明李天述陈国锋等.叶巴滩水电站施工期安全监测自动化技术的应用/中国水力发电工程学会自动化专业委员会.中国水力发电工程学会自动化专委会 年年会暨全国水电厂智能化应用学术交流会会议论文集.出版者不详:.:./.王万千吴先俊郭 成.无人机倾斜摄影测量在双江口水电站地质隐患分析中的应用.四川水力发电():.张 钊尚海兴柯生学等.水电站高边坡实景三维建模工程应用.西北水电():.徐兹正张金良杨风学等.库址工程中卫星遥感数据和无人机倾斜摄影测量技术的应用/中国建筑学会工程勘察分会.年石油天然气勘查技术中心站第 次技术交流研讨会论文集.:.:./.孔海峡景小青.利用激光扫描数据的三维重建技术在水电工程中的应用研究.现代工业经济和信息化():.:././.():().().:.():.宋 倩申景贇秦振威.基于无人机倾斜摄影测量三维建模及精度评价.测绘与空间地理信息():.龙丽娟夏永华黄 德.一种基于三维激光扫描点云数据的变电站快速建模方法.激光与光电子学进展():.():.周靖鸿彭 云向 朝等.水电站枢纽区倾斜摄影测量建模及精度评定.测绘与空间地理信息():.曾 跃.基于无人机摄影测量的地质灾害监测.吉林大学.丛晓明.无人机遥感技术在黄河上游水电站滑坡调查中的应用.青海科技():.罗 杰白国荣.地面三维激光扫描技术在桑皮勒水电站地形测量中的应用.东华理工大学学报(自然科学版)():.保振永.三维激光扫描在土石坝表面及扁钢的高精度变形监测中的应用研究.测绘与空间地理信息():.覃事河.基于三维激光扫描技术的滑坡监测预警研究.四川水力发电():.王延寿.无人机航空摄影技术在三维边坡建模中的应用.遥感信息():.司梦元周 银郭杰明等.基于三维激光扫描技术的高边坡变形监测分析.科学技术与工程():.马立华郑永虎丛晓明等.无人机倾斜摄影测量三维仿真飞行在龙羊峡水电站高陡边坡数据获取中的应用.青海科技():.作者简介:米元桃()男重庆合川人工程师本科现任叶巴滩水电站项目工程技术部主任长期从事水利水电工程施工技术工作:罗箱陇()男四川泸州人在读硕士研究生:丁 钇()男陕西商洛人助理工程师本科长期从事水利水电工程施工技术工作:欧作飞()男云南昭通人助理工程师本科从事水利水电工程施工技术工作 :