王 万 千, 吴 先 俊， 郭 成

(1.国能大渡河流域水电开发有限公司，四川 成都 610041；2.四川大渡河双江口水电开发有限公司，四川 马尔康 624099)

1 概 述

双江口水电站作为大渡河干流规划中的第5级水电站，位于四川省阿坝藏族羌族自治州马尔康市的金川县，大渡河上源河流足木足河与绰斯甲河汇口处以下约2 km河段，是大渡河流域水电梯级开发的上游控制性水库工程。电站装机容量200万kW，土心墙堆石坝最大坝高312 m，居当前世界高坝第一位[1]，坝址控制流域面积约39 330 km2，占全流域面积的51%左右，多年平均流量524 m3/s。

水电工程作为一项基础设施，带来的巨大社会效益和经济效益，对推动社会快速发展具有不可替代的作用，而工程问题的出现则是影响人民生活和社会经济的重大问题。除了施工中可能发生的事故危害之外，地质问题所带来的危害同样会对水电工程的建设和运营产生重大的影响。在工程建设的各个重要阶段中，正确地对地质隐患进行勘测和分析，具有非常重要的意义。双江口水电站作为一等大(I)型工程，对地质条件及地质灾害隐患处理要求极高。同时工程区域内地质条件复杂，传统的地面地质调查方法在解决相关复杂的工程与地质问题时，存在精度与效率等方面的不足，因此，远程勘测调查就显得非常必要。

近些年，国内无人机航摄技术发展迅猛，为传统的测量手段提供了有力的支持和补充。无人机拥有低成本、机动灵活、采集精度高、拍摄范围大、响应速度快等优点，能够快速高效地获取高精度低空影像，使成果更具有现势性[2,3]。在大型水电工程所处的高山峡谷地区，气象条件复杂、多云多雾，无人机可以进行云下飞行拍摄，从而最大可能地保证影像获取工作高效、准确地完成。

笔者以四川大渡河双江口水电站地质隐患分析应用为例，运用无人机航空摄影测量技术，完成航空影像拍摄及相关成果制作，并基于航摄成果进行地质隐患解译，通过与实地查勘成果进行对比分析，证明该方法在水电工程地质隐患分析方面具有很强的可行性和实用性。

2 地质隐患分析方案

基于无人机低空数字航摄技术，并采用POS辅助航摄，采集双江口水电站施工区及库区高清影像，同时开展基础控制测量，制作完成DEM及DOM、三维实景模型等成果。利用GIS空间分析技术，计算坡度、坡向等专题信息，并开展地质灾害遥感解译，对库区和施工区的地质灾害区进行定性分析和定量分析，同时对解译成果进行实地核查验证，并完成相应的图集制作，技术路线见图1。

图1 技术路线图

3 无人机航空摄影

3.1 外业数据采集

(1)像控点测量。在双江口水电站已有控制测量成果基础上，采用实时动态测量(RTK)的方法进行像控点联测。外业像控点测量时，采用数码像机拍摄反映像控点点位和仪器架设情形的照片，以及反映点位附近地形地物的照片，制作相应的点之记文件，便于后期像控点判读。

(2)航空影像采集。根据双江口水电站施工布置及库区范围划定航摄区域，范围见图2。航摄区整体最低点约2 300 m，最高点达3 900 m，测区附近山峰最高达4 200 m，大部分地区高差超过1 000 m。因此起降场地的选取较困难，航线的设计较为复杂，飞行条件极为苛刻，故而难以保证影像数据质量[4]。

为满足地质灾害解译基础空间数据的精度需求，针对双江口测区的实际情况，采用多台无人机联合作业，考虑到不同无人机平台的参数差异，航线设计要求更为精细，而针对一些困难区域则需要采用自动飞行与人工操控相结合的采集方式，最终获取到双江口水电站施工区及库区10 cm分辨率倾斜影像，部分重点区域5 cm分辨率倾斜影像。

图2 双江口水电站航摄范围

3.2 内业数据处理

(1)空中三角测量。利用正射航空影像与像控点，在全数字摄影测量工作站上进行数字空中三角测量，经过相对定向、绝对定向和区域网平差，获得加密点及检查点的三维坐标和像片的外方位元素。

(2)DEM制作。采用全数字摄影测量工作站，导入空中三角测量加密成果，编辑生成数字高程模型。按照纠正航空影像投影差和倾斜误差的需要，采集制作满足相应精度的数字高程模型。

(3)DOM制作。利用已有的数字高程模型对获取到的航空影像资料进行数字微分纠正，再对生成的单片影像进行匀光、镶嵌、裁切，得到完整的正射影像成果。

(4)三维实景模型生成。利用倾斜航空影像与控制点，在专业的倾斜摄影建模软件上，经过多视角影像的几何校正、区域网联合平差、倾斜影像匹配等处理流程，运算得到基于影像的超高密度点云，点云构成TIN模型，以此生成基于影像纹理的高分辨率倾斜影像三维实景模型[5]。

4 坡度图坡向图制作

坡度、坡向信息是地质隐患分析的重要地形因子，是评价地形的重要物理指标，其对于地表的物质流和能量的再分配起着重要作用，是分析水文的重要因素。基于GIS空间分析技术，从无人机航摄三维成果中提取坡度、坡向信息并制作专题图，可辅助建立三维地质灾害解译标志。

4.1 坡度图制作

坡度是指过地表任一点的切平面与水平面的夹角，描述地表面在该处的倾斜程度，不仅对斜坡内部的应力大小及分布状态产生影响，还对斜坡外部的松散物质的堆积和保持坡体结构的稳定发挥作用[6]。坡度的大小形态是影响泥石流灾害发生的因子之一，随着坡度的由小到大的变化，导致重力在内的剪切力增大，从而转换为较大的势能推动斜坡外部的松散堆积物发生变化，进而破坏坡体的稳定性,因此也大幅度提高了滑坡、泥石流等地质灾害发生的可能性。

笔者采用局部窗口法，利用无人机航摄成果DEM，在局部范围(3×3窗口)内，通过数值微分法进行坡度的计算。坡度指的是表面从中心像元开始在水平 (dz/dx) 方向和垂直 (dz/dy) 方向上的变化率(增量)[7]。其计算方法如下。

slopedegrees=

(1)

根据计算的坡度值大小将其分为0°～15°、15°～30°、30°～45°、45°～60°和60°～90°共5类，制作库区坡度因素状态分级见图3。

图3 库区坡度因素状态分级图

4.2 坡向图制作

坡向指地表任一点切平面的法线在水平面的投影与过该点的正北方向的夹角。坡向可简单地分为阳坡和阴坡，不同的坡向会因为光照强弱的不同导致植物长势不一，进而影响地质灾害的发生概率。根据已有调查和研究资料显示，坡向对坡体的滑坡发育状况有一定的影响，其主要体现在内外应力对坡体的作用，即区域构造控制了水热条件，使自然地理诸要素有规律性分异，从而控制滑坡的发育方向[8]。

利用无人机航摄成果DEM，在局部范围(3×3窗口)内进行坡向的计算。坡向计算方法如下。

(2)

式中p是x方向高程变化率；q是y方向高程变化率。根据坡向方位角差异可将坡向分等级:东、南、西、北、东北、东南、西北、西南及平面(无坡向)9个坡向，制作库区坡向因素状态分级见图4。

图4 库区坡向因素状态分级图

5 地质隐患解译

5.1 解译标志建立

地质灾害是指因为崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、水土流失等自然或人为因素作用下导致的地质活动及环境的异常变化引起的地质现象[9]。笔者主要通过调查滑坡及泥石流的地质特征、稳定状态及发展趋势，进行地质灾害的危险性评估，从而对地质灾害的有效防治提供参考。

(1)滑坡隐患解译标志。滑坡是由于水、重力和人为等因素使斜坡上土体和岩体失去平衡而发生的不良地质现象,具有明显的地貌特征，可通过三维实景建模技术有效识别其地形地貌、活动构造、滑坡壁、滑坡台阶、坡度及剖面形态。在三维实景模型上，滑坡较背景环境具有便于识别的形态、色调及纹理特征，其结构松散，呈相对浅色调。坡顶上部多呈环状坡形，纹理细腻，地形陡峭；坡面中部地形平缓，几乎无植被覆盖[10]；坡面下部纹理粗糙，地势陡峭，且绝大多数情况没有设置挡护设备。参考现有地质相关资料表明，易产生滑坡的地形通常具有固体物的堆放坡度大于10°，小于45°，并且部分地段下垫地层的产状有向下方倾斜的特点，当遇到强降雨、地震等情况时发生滑坡可能性较大[11]，见图5。

图5 滑坡隐患区

(2)泥石流隐患解译标志。泥石流大多形成于斜坡上或沟谷中等地形险峻的地区，由于强降雨降雪等自然灾害造成了的山体滑坡形成含有大量泥沙以及石块的固液相特殊流体。通过无人机航空影像反映的地貌特点，通常能大致区分出泥石流沟的形成区、流通区和堆积区。但诱发泥石流沟形成的因素很复杂，不仅要满足固体物源、地形和水源条件，人类工程经济活动也会造成泥石流的发生。因此调查清楚泥石流发育的成因能更有效地辅助识别泥石流[12]。根据已有影像及研究资料得知，泥石流初始启动段沟谷坡度一般大于25°，有利于泥石流形成和倾泻，沟底坡度则较为平缓，一般在10°以上，利于被携带的泥沙、石块等固体的堆积，表现为泥石流扇形突起。泥石流形成区一般位于流域上游，多呈漏斗状、勺状、椭圆状，环山谷分布，通常具有岩体结构松散，纹理较为细腻，植被覆盖度较低的特点。因此通过影像若能明显辨别出形成区、流通区、堆积区，流域呈扇形且面积较大的沟谷，则较大概率发生泥石流(图6)。

图6 泥石流隐患区

5.2 地质隐患解译

基于坡度图、坡向图及三维实景模型，通过目视解译提取地质隐患区域，部分隐患区域的模型俯视及正视图见图7-12，针对以上地质隐患区域解译成果，进行现场抽查验证。

(a)俯视图 (b)立视图

针对以上解译成果，进行相应区域的地质隐患分析，结果见表1。

表1 地质隐患区域分析

(a)俯视图 (b)立视图图8 地质隐患区域二

(a)俯视图 (b)立视图图10 地质隐患区域六

(a)俯视图 (b)立视图图11 地质隐患区域八

(a)俯视图

根据地质隐患解译成果制作库区地质隐患区专题图见图13。

图13 库区地质隐患区专题图

6 结 语

四川大渡河双江口水电站施工区与库区地形地貌数字航摄测量服务项目为背景，利用无人机航空摄影技术获取高分辨率影像，制作DEM、DOM及三维实景模型，并计算制作出施工区坡度图、坡向图。同时结合基于三维的地质灾害解译方法，提取出地质隐患区域。经实地勘测，地质隐患分析提取成果与实际情况符合，验证了该方法的有效性。通过研究，证明三维空间数据在滑坡地质灾害应用分析中发挥重要作用，利用DEM数据可以帮助计算关键点位的高程、距离、坡度、坡向等信息，分析灾害发生的潜在区域和成因。利用三维实景模型可建立三维地质隐患解译标志，并通过交互式目视解译的方式，更为精确地解译地质隐患成果。

针对双江口地质灾害隐患进行研究，采用三维目视解译的技术方法，研究范围相对狭窄，针对性更强，在通用性的地质灾害自动提取信息方面比较薄弱，未来应深入研究。同时应充分利用无人机航空摄影测量技术，搭载除可见光相机外的多种传感器，如激光雷达、多光谱相机等，能够采集更为精确和丰富的地表高程信息和光谱信息，并结合大数据分析结果，为水利工程地质隐患分析与监测带来更广阔的可能性。