水电工程中数字影像技术应用与精度分析

引言

水电工程作为国家基础设施建设的重要组成部分，对于能源供应、防洪灌溉、水资源综合利用等方面具有至关重要的作用。水电工程建设通常涉及复杂的地形地貌、地质条件以及大规模的施工活动，需要精确的信息获取和监测手段来保障工程的顺利进行。数字影像技术凭借其快速、准确、直观等特点，为水电工程提供了高效的数据采集和分析方法，在水电工程的各个阶段发挥着越来越重要的作用。深入研究数字影像技术在水电工程中的应用与精度，对于提升水电工程建设和管理水平具有重要的现实意义。

1 数字影像技术原理

数字影像技术是利用数字成像设备，如数码相机、摄像机、无人机搭载的成像设备以及卫星遥感影像设备等，将物体或场景的光学影像转化为数字信号并进行记录、存储和处理的技术。其核心原理基于光的传播与光电转换。以数码相机为例，光线通过镜头汇聚到图像传感器（如 CCD 或CMOS 芯片）上，传感器中的光敏元件将光信号转换为电信号，再经过模拟数字转换器（ADC）将电信号转换为数字信号，最终以数字图像文件的形式存储在存储介质中。在这个过程中，影像的分辨率、色彩深度等参数决定了图像的质量和信息量。高分辨率意味着图像能够呈现更多的细节，而丰富的色彩深度则能更真实地还原物体的颜色。例如，常见的民用数码相机分辨率可达数千万像素，能够清晰捕捉到物体的细微特征，为后续的分析和处理提供了良好的基础。

2 数字影像技术在水电工程运行监测阶段的应用

2.1 大坝安全监测

（1）大坝表面变形监测。

数字影像技术在大坝表面变形监测中具有重要应用。通过在大坝表面设置特征点，并利用定期拍摄的数字影像，采用数字图像相关（DIC）技术对影像进行分析，可精确测量特征点的位移变化，从而监测大坝表面的变形情况。例如，在某混凝土重力坝的运行监测中，在大坝坝顶和坝坡设置了多个特征点，使用高精度数码相机定期对大坝进行拍摄。利用 DIC 技术对不同时期的影像进行处理，能够准确计算出特征点在水平和垂直方向的位移量。经过长期监测数据分析，发现大坝在某些工况下坝顶出现了微小的水平位移变化，及时对大坝的运行状态进行了评估和预警，为大坝的安全运行提供了有力保障。（2）裂缝监测。大坝表面裂缝是影响大坝安全的重要隐患之一。数字影像技术可用于大坝裂缝的监测与分析。通过对大坝表面影像进行高精度处理和分析，利用裂缝识别算法，能够自动检测出裂缝的位置、宽度、长度等参数，并对裂缝的发展趋势进行跟踪。例如，采用无人机搭载高分辨率热成像相机对大坝进行巡检，热成像影像能够清晰显示出大坝表面温度分布情况，由于裂缝处的热传导特性与正常坝体不同，在热成像影像上会呈现出明显的温度异常区域，从而快速定位裂缝位置。再结合可见光影像，利用图像处理软件对裂缝宽度和长度进行精确测量。在某土石坝的运行监测中，通过数字影像技术成功监测到了一条新出现的裂缝，并对其发展过程进行了持续跟踪，为及时采取裂缝修复措施提供了准确的数据支持，确保了大坝的结构安全。

2.2 目标影像信息获取

（1）硐室影像获取。获取硐室影像时，为确保地质编录的准确性，应采用像方控制方式，使用特制数码摄影经纬仪。此经纬仪可由数码相机与普通或专门设计的简易经纬仪结合，关键在于确保相机定位定向精度及操作便捷性。通过对不同角度和位置的影像进行自动改正，可获取精确的影像外方位元素。由于相机与经纬仪的轴心不重合，需进行 6 个外方位元素的改正。研究提出了一种精确测定改正值的方法，满足硐室影像地质编录的技术要求。硐室影像的获取是通过规则拍摄覆盖硐室全景的影像。拍摄时需注意相机状态与检校时一致，以及相邻影像的上下和左右衔接。同时，记录影像外方位元素，并指定轴方位角。（2）边坡影像获取。获取边坡影像，需遵循一定规则拍摄，以覆盖整个桩段坡面，通常形成立体影像对。（3）基坑影像获取。与边坡摄影相比，基坑摄影的显著差异在于其摄影方向是垂直向下的，而边坡摄影则通常面向前方。在拍摄过程中，还需要确保相邻影像之间有一定的重叠区域，以便于后续的影像拼接和立体匹配工作。

2.3 水位变化监测

利用卫星遥感影像和地面数字影像监测相结合的方式，可实现对水电工程库区水位变化的实时监测。卫星遥感影像能够提供大范围库区水位的宏观变化信息，通过对不同时期卫星影像的对比分析，利用水体的光谱特征差异，可提取库区水位的变化范围和趋势。例如，利用高分二号卫星影像，通过水体指数法对某大型水电工程库区水位进行监测，能够准确获取库区水位在不同季节的变化情况。同时，在库区周边设置多个地面监测站，利用数字相机和水位传感器，实时拍摄库区岸边影像并测量水位高度，将地面监测数据与卫星遥感数据进行融合分析，可更精确地掌握库区水位的动态变化，为水电工程的防洪调度、水资源管理等提供可靠的数据依据。

2.4 植被覆盖与水土流失监测

通过对不同时期的卫星遥感影像或航空影像进行植被指数计算（如归一化植被指数 NDVI），可分析植被覆盖度的变化趋势。例如，在某水电工程建成后的运行过程中，通过对比工程建设前后多年的卫星影像植被指数，发现库区周边部分区域植被覆盖度有所下降，可能存在水土流失风险。进一步利用高分辨率影像对疑似水土流失区域进行详细分析，结合地形数据，评估水土流失的程度和范围。同时，利用地面近景数字影像对局部重点区域的植被生长状况、土壤侵蚀痕迹等进行实地监测，为制定水土保持措施提供准确的信息，有助于保护库区生态环境，保障水电工程的可持续运行。

2.5 数字影响量测相对定向精度分析

选择具有明显特征点的基坑或边坡工程区域作为拍摄对象，确保拍摄区域光照均匀，避免阴影和反光，对数字单反照相机进行镜头畸变校正和像素尺寸标定，设置相机的拍摄参数，如分辨率、焦距、曝光等参数。使用三脚架固定相机，确保相机稳定。将拍摄的数字影像导入计算机，使用专用测量软件进行预处理，在每张照片上提取明显的特征点，如角点、边缘等，根据匹配的特征点，掌握每张照片之间的相对位置和姿态，对计算得到的相对定向结果进行验证和分析，使用控制点或已知点，评估定向的精度和误差。

结语

相比传统的人工测量方法，数字影像技术不仅提高了工作效率，还降低了人力成本和安全风险。此外，该技术还可以与 GIS、BIM 等先进技术相结合，实现工程信息的数字化、可视化和智能化管理，为水电工程的可持续发展注入新的活力。因此，可以预见，数字影像技术将在未来的水电工程中发挥越来越重要的作用。

参考文献

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