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无人机在水电工程地质灾害调查的应用

 论文栏目:水电工程论文     更新时间:2017/7/10 10:09:50   

摘要:在官地电站大桥沟泥石流沟口区域地质灾害调查中,应用无人机进行初步调查试验,可以获取工程地质分析和地灾评估需要的平面、剖面图,可以利用成果进行地质三维模型的初步建立。根据航摄获取资料及后期处理资料等可以进行地质灾害的解译分析,将解译成果与实际调查进行对比,解译结果与实地调查结果吻合程度较高,验证了无人机在水电工程地质调查中的可行性和有效性。

关键词:无人机;地质灾害;泥石流;水电工程

前言

近年来,随着无人机技术的发展,无人机的应用领域不断拓展,已突破原来以军事为主的用途,越来越多地应用于各行各业。如韩文权[1]等对地质灾害监测、应急救援和灾情评估工作中无人机遥感可提供的应用进行了分析,介绍了无人机遥感在重庆市武隆县鸡尾山特大型滑坡救援中的应用。高娇娇[2]等用无人机遥感应用在西气东输管道地质中,阐述了应用无人机遥感进行地质灾害调查的关键技术与方法,论证了航空影像进行地质灾害调查的可行性。吴振宇[3]等通过无人机在地灾调查中的应用特点、意义和关键技术,证明了无人机在地灾灾害调查中的可行性和优越性。周文生[4]等应用无人机在矿山地质环境调查中,验证了无人机遥感技术在矿山地质环境调查中的可行性与有效性,为矿山地质环境调查于监管提供快速有效的技术。李定松[5]应用无人机在地质灾害监测中,研究了无人机技术发展历程与特点,对无人机在地质灾害监测中的应用进行阐述。尹鹏飞[6]等应用无人机在震后灾情调查中,完成了以四川省绵阳市安县等为重点的次生地质灾害调查和灾情评估。张启元[7]等应用无人机航测技术在青藏高原地质灾害调查中,建立了一套适合高原特殊地理环境下的地质灾害遥感调查、监测技术流程,提高了地质灾害遥感调查、监测的工作效率,表明无人机在青藏高原地区地质灾害遥感调查工作中具有明显优势。肖波[8]等应用研究无人机低空摄影系统在泥石流地质灾害应急中,介绍了无人机在地质灾害应急调查与监测中所发挥的重要作用。梁京涛[9]等利用无人机并结合野外调查,开展了汶川震区绵竹市走马岭泥石流的发展情况,并进行分析评价。

1无人机在水电中的应用

我国西南地区水电能源蕴藏量丰富,但西南地区多属高山峡谷地貌,地质条件复杂,地质灾害多发。工程地质人员工作区域通常山高路险、交通不便,同时植被发育、通视条件差。尤其是雅鲁藏布江下游河段、金沙江中上游河段、雅砻江中上游河段等未来水电开发的热门地区相应问题将更加突出。无人机在水电行业中也逐步开始使用,但主要用于地形测绘、遥感、环水保、库区巡视等用途。雅鲁藏布江下游河段、金沙江中上游河段、雅砻江中上游河段等地区,人迹罕至、地形条件极其复杂、自然环境极其恶劣,依靠人力开展重要地质现象调查极其困难,即便能开展调查的区域也通常难度巨大或存在安全隐患,地质调查工作存在诸多困难和制约因素。鉴于无人机具有快速机动、操作简单、使用成本低、危险性小、能获取高分辨率影像数据等优点,对于高山峡谷、植被发育地区、高寒地区等人力难以工作的地区适应性强,同时利用无人机加载的外部设备也可以获取地质专业所需资料。这对无法展开现场地质工作或开展地质工作难度巨大的地区如何有效获取地质资料具有十分重要的意义,以此解决人力无法开展地质调查的现状,弥补完善地质资料,满足工程需求。

2无人机航摄系统基本特征

本次应用试验时采用购买的大疆S1000无人机。

2.1安全稳定大疆

S1000无人机采用V型8旋翼设计,在提供充裕动力的同时做到了动力冗余,配合DJI飞控使用时,即使某一轴被意外停止工作也能最大幅度保证飞机处于稳定状态。机身板内部集成了含DJI专利同轴接头的电源分布设计,高效、可靠、安装方便,用户不需要做任何焊接工作;主电源线选用AS150防火花插头与XT150的组合。从中心板到机臂、起落架等多处均使用全碳纤维材料,系统在低自重的基础上做到了最高的结构强度。

2.2便携、易用

所有机臂均可向下折叠、配合1552折叠桨,可使整机运输体积最小化,方便运输携带。用户只需抬起机臂、锁紧机臂卡扣、给系统上电,就使S1000进入了飞行就绪状态,大大缩短每次飞行的准备时间。中心架在提供3组XT60供电插座的同时,还预留了8处设备安装位,系统安装变得更简单整洁。

2.3操控性

所有机臂采用8°内倾和3°侧倾设计,可使飞行器在横滚和俯仰方向更加平稳、在旋转方向更加灵活。力臂内置40A高速电调、使4114pro电机在配合1552高效折叠桨工作在6S电源时,获得单轴最大近2.5kg的强劲推力输出,充足的动力会让用户更加随心所欲。2.4其他云台安装架下移设计,集合系统标配收放起落架,给镜头以更广阔的拍摄视角。整机自重约4kg,最大起飞重量约11kg,可轻松搭载5D级别全套拍摄设备,在配合6S15000mAh的电池时,可获得长达15min的续航时间,有效作业时间约12min。

3大桥沟泥石流基本地质条件

大桥沟位于雅砻江左岸,为雅砻江一级支流,沟口位于拟建官地水电站大坝下游约3.5km处,沟口堆积扇扇缘长约400m,扇轴长450m左右。流域总体近南北向展布,南宽北窄,略呈矩形,南北长21km,东西宽14.5km,流域面积约170km2,其中汇水面积147.889km2,占流域面积的86.96%;主沟纵长为26.12km,纵坡坡降为97.06‰。流域四面均为由近3000m及3000m以上中高山所形成的分水岭,其中东侧以北西向牦牛山为分水岭,与安宁河流域相隔。南、北、西侧为与雅砻江主流或其次级支流的分水岭。源区最高海拔约3720m左右,沟口高程约1200m,高差约2500m。主沟两侧支沟众多,呈明显的“树丫”状结构。大桥沟流域内地层呈近SN~NNW向展布,从东至西出露地层主要有印支期斜长花岗岩及花岗闪长岩(r051)、三叠系上统白果湾群(T3bg);上震旦系观音崖组(Zbg);上震旦系灯影组上段地层(Zbdn1);松林杠群玄武岩组(SLG);志留系下统龙马溪组(S1l);志留系中统石门坎组(S2S);泥盆系中统(D1-3)及石炭系中统威宁组(C2w)等。大桥沟沟流域内植被总体茂盛,且以针叶阔叶混交林及高山灌木丛为特点,覆盖率达90%。

4无人机航摄成果

4.1地质要素获取

利用无人机和地面辅助测量手段,获取相关照片影像和定位信息流。同时,以图像处理技术、空中三角测量技术、摄影测量技术和图像识别技术手段为依托,利用无人机影像后期处理软件(如PIX-4Dmaper、Photoscan等)初步获得全景地形地貌景象图、三维地形等地形地貌和地质信息。本次以官地电站大桥沟泥石流沟口泥石流为依托,应用无人机技术,开展大桥沟沟口泥石流的应用试验,利用后处理软件(Photoscanpro、GOCAD等),利用官地大桥河沟泥石流进行三维立体空间真彩色模型进行地质边界的获取,生成生产需要的工程地质平面图、工程地质剖面图、三维地质可视图和解译分析。

4.2航摄成果根据无人机航摄,取得官地大桥沟泥石流航摄图(见图1)、利用官地大桥河沟泥石流航测照片生成工程地质地形(见图2)、工程地质剖面(见图

3)、GOCAD三维模型(见图4)。

4.3航摄解译成果分析

地质灾害作为一种特殊的不良地质现象,无论是滑坡、崩塌、泥石流等灾害个体,还是由它们组合形成的灾害群体,在图像上呈现的形态、色调、影纹结构等均与周围背景存在一定的区别。地质灾害解译基于灾害类型的地学原理及形态特征进行识别,需对地质灾害有基本认识。泥石流判读主要通过沟道内松散固体物质的辨识获得;崩塌表现为陡直的后壁及下部的堆积物;滑坡多呈花斑色调特征较为明显。识别地灾类型后,在图像上按照灾害体各要素的形态特征圈出边界。最后可获得更加准确的灾害体位置、边界及面积等基础资料,以指导地灾防治工作。(1)通过解译,试验区地质灾害主要有泥石流、崩塌、斜坡变形破坏等类型;(2)泥石流沟口有新冲出物,厚度不大,方量不大。两侧山体总体稳定,植被覆盖较好,渣场稳定,渣场坡脚未见明显淘刷,但沟壑仍见下切迹象。冲出物来源以物理类型居多,受风化卸荷影响,坡面发育有松散的崩坡积物,汛期易随地表水冲出,坡脚和两侧山坡坡面都可明显易见。另外物质来源主要为人类活动(修筑道路弃渣)所致;(3)右岸发育的一崩坡积体,受前缘切脚影响,边界有变形迹象,尤以上游侧边界变形较为明显(见图5)。初估该部位方量不大,物质组成以崩积的块碎石为主。可以利用三维模型进行方量估算;(4)根据大桥沟沟口泥石流发育情况推测沟内泥石流总体不活跃,若有效采取多种工程措施和生物措施,在流域内对山水林田统一规划,综合治理,将极大地减少泥石流的危害。

5地灾灾害复核

大桥沟流域物理地质现象类型多,除正常风化卸荷外,崩塌、滑坡及泥石流均有分布,不过以崩塌为主,其中以大桥沟沟口~小河沟沟口交界处河段最为普遍,段内崩塌落石发育,再加之修筑公路后,进一步导致开挖路堑边坡崩塌范围扩大,目前尤其在大桥沟右岸山坡崩塌落石较普遍。调查区基岩内的地下水总体不发育,沟内水流主要靠大气降水补给。大气降水部分顺坡面流入沟中,大部分渗入崩坡积物中形成孔隙水。斜坡坡面崩坡积中的孔隙水是保证冲沟常年流水的主要源泉。大桥沟内人类活动较频繁,主要表现为修筑山区公路。地质灾害复核成果与无人机航摄解译成果基本一致,验证了无人机在水电工程地质调查中是可行和有效的,无人机可以开展地质灾害调查等。

6结论

(1)试验应用证明,无人机具有成像分辨率高、数据获取灵活等优点,无人机在水电工程地质调查方面亦有较大的发展空间;(2)应用试验解译结果与实地调查结果较吻合,验证了无人机在水电工程地质灾害中的可行性与有效性;(3)根据大桥沟沟口泥石流发育情况推测沟内泥石流总体不活跃;(4)今后可以利用间期飞行成果,对泥石流沟口堆积情况进行对比分析,分析和评估泥石流发展趋势。

参考文献:

[1]韩文权,任幼蓉,赵少华.无人机遥感在应对地质灾害中的主要应用[J].地理空间技术,2011,9(5).

[2]高娇娇,闫宇森,盛新蒲,等.无人机遥感在西气东输管道地质灾害调查中的应用[J].水文地质工程地质,2010,37(6).

[3]吴振宇,马彦山.无人机遥感技术在地质灾害调查中的应用[J].宁夏工程技术,2012,11(2).

[4]周文生,吴振宇,刘海燕.无人机遥感在矿山地质环境调查中的应用[J].地下水,2014,36(2).

[5]李定松.无人机在地质灾害监测中的应用[J].北京测绘,2015(4).

[6]尹鹏飞,尹球,陈兴峰,等.无人机航空遥感技术在震后灾情调查中的应用[J].激光与光电学进展,2010.

[7]张启元.无人机航测技术在青藏高原地质灾害调查中的应用[J].青海大学学报(网上澳门金沙娱乐版),2015,33(2).

[8]肖波,朱兰燕,黎剑,等.无人机低空摄影测量系统在地质灾害应急中的应用研究[J].价值工程,2013.

[9]梁京涛,王军,宋云,马晓波.汶川震区典型泥石流动态演变特征研究———以绵竹市走马岭泥石流为例[J].工程地质学报,2012,20(3)

作者:李扬 马行东 周鹏 赵明 单位:中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司

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