摘要:近年无人机技术的发展、计算机图像匹配技术的成熟应用及其成本的不断下降，促使倾斜摄影测量技术由城市三维建模快速应用扩展到各个相关行业。在电力铁塔滑坡治理中，由于目前常用的测绘方法难以宏观快速地为塔位滑坡治理带来最优的解决方案和快速响应时间。本文利用无人机倾斜摄影技术快速高效的优势，提出了一种安全、有效的解决塔位滑坡治理测绘作业方式，并检测实景三维模型成果的精度，为类似工程应用提供新的作业模式。
关键词:无人机;倾斜摄影测量技术;电力铁塔;滑坡治理
近年来，西部地区电力工程建设得到迅猛发展，而电力线路常常经过地质灾害频发区域，电力铁塔遭受着塌陷、滑坡、泥石流等自然灾害的威胁。电塔滑坡隐患一般存在于坡度大、地质构造复杂、岩土体工程性质较差等区域，一旦塔位遭受滑坡灾害影响，就必须快速找到最优解决方案，为后续处理赢得宝贵时间。随着无人机航测技术的发展和成本的降低，其应用领域不断拓展，逐渐深入到电力行业。航空航天遥感技术在抢险救灾、电力巡检、应急指挥中发挥了不可替代的作用。汶川地震时期，高分辨率航空航天遥感技术的应用是十分有效和及时的，传统遥感方式获取的影像在灾害响应，救灾过程中的不同阶段均起到了十分重要的作用［1］;在地震发生后采用无人机超低空平台搭载数码相机获取的影像，处理拼接后可以清楚看到山体滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害信息，其无人机平均飞行高度为1765m，获得百平方千米级别的影像数据［2］。文献［3］对甘肃省永靖县黑方台罗家坡的滑坡区域滑坡滑动前后地形地貌进行了对比分析，并结合野外现场调查，对滑坡源区、滑动通道区和滑坡堆积区进行了详细研究。文献［4］用无人机五拼倾斜相机，用倾斜摄影及自动三维建模技术对三明市妙元山某区域大约3.6km2有发生崩塌、滑坡及泥石流的区域进行了应用［4］。目前无人机在地质灾害调查分析领域应用广泛，从高空的航空航天遥感影像到低空无人机拍摄的高分辨率影像、从正摄影像到倾斜影像、从大区域面积到小区域范围，但对于电力铁塔附近发生的微观滑坡用无人机进行调查分析的应用却为数不多。本文在石棉—雅安500KV送电线路工程N10号塔位A腿堡坎外侧1m处出现的滑坡治理中，引入小型无人机应用倾斜摄影测量技术，对滑坡区域进行了实景建模，并立测成图，可实现又快又准的勘查设计目标［5］，为类似工程应用提供了新的成图作业模式。
1项目实施
1.1工程概况
石棉—雅安500KV送电线路工程于2005年11月完成勘测工作，2007年开始运行，已运行12年。N10号塔位A腿堡坎外侧1m处出现滑坡，该塔为转角塔，左转51°36'，塔腿基础均采用斜柱大板基础，A腿基础埋深4.2m，B腿基础埋深4.5m，C、D腿基础埋深6.6m。其中A、B腿为压腿。根据现场勘测调查，铁塔基础及A腿侧堡坎暂未见变形及沉降，上部结构未出现弯曲变形。塔位A腿堡坎外侧约1m外出现浅表层滑坡，滑坡长约35m，宽约35m，A腿的下坡向的左前侧局部出现了拉裂缝，裂缝长约5m，裂缝宽约2～5cm，滑坡体厚度约1～2m。若滑坡面继续发展扩大，将对整条输电线路安全运行构成威胁。
1.2滑坡初判
经现场无人机初步整体航拍勘察(如图1所示)，并现场初步量测勘探，N10号塔位A腿下坡侧滑坡是地形较陡、周边表层土体松散、开垦种植果树存在地表水管浇灌、近期降雨量丰富等水文气象活动影响等因素共同作用的结果。经勘测初步判断，在保证该滑坡面不继续发展扩大的前提下，目前A腿基础的承载力满足要求，但滑坡面尚存在继续发展扩大的可能。
1.3项目飞行平台
文献［6］通过对单相机倾斜摄影在滑坡监测中的应用研究，对拍摄照片比较发现单相机倾斜摄影在滑坡监测、展现立面信息方面比垂直摄影更有优势，并可更好地提取到滑坡面上的信息。文献［7］在单镜头多旋翼无人机与多镜头倾斜相机在作业方式上进行比较中，发现单镜头无人机航线设计更适合灾害点实际情况，在采集作业中有的放矢，数据体量较小，数据组织方式简单，为航测内业处理节省了宝贵时间，效率会更高。本项目选用入门级的无人机摄影系统:大疆Phantom4Advanced旋翼无人机，重量(含电池及桨):1368g;影像传感器:1英寸CMOS有效像素2000万，镜头FOV84°8.8mm/24mm(35mm格式等效)。
1.4项目作业流程
经初步勘察分析，先用全站仪测定塔位附近影响无人机飞行的铁塔高度，导线线高等重要影响飞行安全的数据，在滑坡区域均匀布设像控点，根据滑坡区域位置及周围环境制定能很好地反映滑坡面信息的飞行计划。
1.5无人机航拍实施及建模
选择合适起降点位，项目飞行计划将采用3个架次获取铁塔及附近200m×200m范围的地形影像。一个架次正射，两个架次的倾斜影像，设计航高100m，航向重叠率80%以上，旁向重叠率70%以上，采集到真彩色正射影像56张，倾斜影像108张，见表1。使用实景三维建模软件进行建模及正射影像图的制作，模型及正射影像如图3所示。本项目采用2000国家大地坐标系、1985国家高程基准，将实景三维模型和点云导入裸眼三维立体测图软件中，进行立体测图作业，按照《国家基本比例尺地图图式第1部分:1∶500、1∶1000、1∶2000地形图图式》(GB/T20257．1—2017)规范中对1∶500地形图的要求，完成全要素矢量化采集作业。
2精度检查
2.1检查点位选择
在利用无人机进行大比例尺地图测绘的应用案例中，大多集中于平坦丘陵地区，对山区成图的精度分析较少。文献［8］成功地用倾斜摄影测量技术对岢岚县大比例尺地形图测图进行了应用，但用已有地图中均匀分布的20个检查点来评定地形图精度较简单。文献［9］在复杂地形应用的关键技术试验中，对大比例尺成图精度分析时得到了较好的结果，但试验区检测点分布较集中。电力铁塔所在的典型山区，主要地物为植被，对地物的平面精度评定选取合适点位较为困难，本项目滑坡范围内存在较明显的坎角地物点，地表有较明显的水管浇灌喷头且分布较均匀;地形点的高程精度评定则尽量选择未被植被覆盖、容易判读实测的点位。本次项目滑坡飞行范围为微观小范围区域，在实景三维模型中选取易于辨别分布较均匀的22个地物点和26个地形点，用GNSS方法进行地形图的外业精度检查，点位选取样式如图4、图5所示。利用徕卡GS16仪器进行RTK测定检核，检测三维模型立体测图的平面和高程精度要素。
2.2检查点的精度统计与计算
立体测图完成后对地形图精度进行检查，检查点的实测坐标与检查点坐标较差见表3、表4。分别对地物平面及高程精度进行检查，对地形点的高程精度进行检查。
2.3检查点的精度分析
进一步对检查点平面和高程误差进行统计分析，如图6所示。由图6(a)可知，箭头区域1—7号点位对坎角地物点的平面和高程误差变化波动较小，说明三维模型上立测的清晰人工构筑物精度较好。由8—22号点位的误差可以得知，坡面地物点的平面和高程误差变化波动较大，较无规律。由图6(b)可知，地形点的平面误差变化及波动较小，说明RTK实地校测检查点坐标平面精度较好，能很好地反映同一点位的实地高程与模型高程的较差。进一步观察两个误差统计图的高程误差可以得出一个直观的规律:除去坎角地物点的高程误差，其余检查点的高程误差几乎都为负。该规律反映出模型的立测值比实测值整体要高。从滑坡塔位现场情况看:区域内有稀少矮树、地表覆盖有杂草，以及滑坡土质较松散、测量时流动站GPS对中杆易插入土体，这些因素会对实测值与模型值的差值有所影响。
3结论
(1)在电力工程滑坡治理勘查设计中引入小型无人机倾斜摄影测量技术，能大大缩短野外恶劣环境的工作时间，减轻劳动强度，降低安全风险，显著提升工作效率，为电力线路的安全运行提供保障。(2)使用入门级无人机进行微观的滑坡倾斜摄影时，航线设计需注意影像的高重叠度(保证航向/旁向重叠率不低于80%/70%)、少量飞行架次(正射/倾斜为1/2)、较低的飞行速度(3m/s)及较低的航高(100m以下)。(3)应用无人机倾斜三维建模技术为铁塔滑坡现场制作倾斜三维模型，该模型可以清晰地展现滑坡体、滑坡范围、植被覆盖、大面积裸露基岩等铁塔与周围环境的关系，结合现场地质勘查可以更准确判断场地整体稳定性、是否会出现较大的滑坡导致整体失稳、滑坡主要破坏形式是否为浅表层滑坡的情形，为滑坡成因分析和滑坡灾害应急处理能够迅速作出可行的治理方案提供有力的技术支持。
作者:乐志豪 杜全维 龚秋全 吴列 单位:四川电力设计咨询有限责任公司
