無人機技術(shù)在超高位危巖勘查中的應(yīng)用

王 棟, 鄒 楊, 張廣澤, 侯偉龍, 鄧 輝

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2．中鐵二院工程地質(zhì)創(chuàng)新工作室,成都 610031)

超高位危巖是大高差地區(qū)、高原地區(qū)鐵路、公路等帶狀工程的重要地質(zhì)災(zāi)害之一，這類區(qū)域地形高差達1 km。高差>100 m的危巖稱為超高位危巖，其受卸荷、寒凍風(fēng)化等地質(zhì)作用影響極大。鐵路沿線的危巖落石區(qū)大多具有山體陡峭、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、勘查工作難度大、危險性高[1]等特點。傳統(tǒng)的陡坡危巖中結(jié)構(gòu)面的信息獲取以羅盤、皮尺等工具勘測為主，且局限于人員可以到達處才能進行測量。受現(xiàn)場條件(如高陡邊坡)限制，獲取的信息不夠全面，使得表征現(xiàn)場巖體裂隙分布規(guī)律所依賴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不齊全而影響對巖體穩(wěn)定性分析評價工作[2]，并且存在野外工作量大、成本高、效率低、安全隱患大和精度低等問題。隨著高速鐵路工程精度要求越來越高以及擬建鐵路區(qū)域地形地質(zhì)條件愈加艱險復(fù)雜，如川藏鐵路、渝昆高鐵、貴南高鐵等復(fù)雜山區(qū)高速鐵路的修建，接觸式勘查的弊端更加凸顯無疑，因此非接觸式陡坡危巖勘查技術(shù)對于鐵路陡坡危巖勘查工作來說非常有必要。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，輕型無人機在遠程遙控、續(xù)航時間、飛行品質(zhì)上有了明顯的提高[2]。能同時搭載GPS傳感器和高像素相機的無人機能在許多地形陡峻的地區(qū)進行飛行及數(shù)據(jù)采集工作，通過對帶有GPS定位信息的高清像片進行空間三角測量解算，對鐵路安全有威脅的高陡邊坡的三維點云數(shù)據(jù)模型，最后地質(zhì)人員在后期處理軟件中可通過判識，對危巖體幾何參數(shù)進行測量、計算，得到巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，并通過結(jié)構(gòu)面間的空間組合關(guān)系計算得到危巖體體積，從而基本代替人力勘查，對大高差山區(qū)危巖勘查工作具有極大的價值。

1 無人機三維點云數(shù)據(jù)獲取

1.1 基本原理

無人機低空攝影測量是以無人機為飛行平臺搭載傳感器設(shè)備獲取地面信息的遙感方式[3]。無人機對陡坡危巖進行多航線多點拍攝，在保證重疊率和分辨率的情況下，獲取陡坡危巖不同角度且含有拍攝點坐標(biāo)信息的數(shù)碼相片，通過傾斜攝影測量建模方法可以快速地構(gòu)建出航測區(qū)的實景模型，360°全方位展現(xiàn)危巖體與周邊環(huán)境[4]。模型不僅具有色彩信息(RGB)，同時也含有坐標(biāo)信息，專業(yè)地質(zhì)人員可以在點云數(shù)據(jù)模型上對危巖體進行判識，對危巖體的大小、結(jié)構(gòu)面特征進行測量計算，得到危巖體的幾何、空間和地質(zhì)特征?？蓪ξr的失穩(wěn)率、崩塌后的運動軌跡及能量進行計算，為處理措施、支護設(shè)計提供參數(shù)[5]。

1.2 傾向格柵航線規(guī)劃

高山峽谷地區(qū)高差大、氣流異常紊亂，加大了無人機航攝線路設(shè)計的難度，致使無人機的姿態(tài)相較一般區(qū)域差很多[2]，影響數(shù)據(jù)精度。采用傳統(tǒng)正攝影像拍攝時，飛行高度大，定焦拍攝時由于高差大導(dǎo)致不同區(qū)域清晰度相差較大，臨空優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面信息損失大，后期相控點校正后也無法識別。通過大量山區(qū)現(xiàn)場試驗及數(shù)據(jù)整理，總結(jié)出一套“傾斜柵格航線”數(shù)據(jù)采集法，即保證每條規(guī)劃航線與地形間的相同高差，無人機與所拍攝的陡坡的距離大體相同，保證在不同航線上所拍攝的陡坡照片有基本相同的分辨率；但有時柵格航線也會根據(jù)具體問題進行變高度設(shè)計(圖1-B)。

圖1 航線規(guī)劃示意圖Fig.1 Diagram showing route planning

2 高位危巖體空間信息提取

在所生成的陡坡三維點云數(shù)據(jù)中，每個點數(shù)據(jù)都具有計算得到的三維坐標(biāo)，借助這些點云數(shù)據(jù)，利用ploywork點云數(shù)據(jù)處理軟件，可以對危巖體的多種幾何特征進行測量，例如幾何參數(shù)、距離(水平、垂向、兩點間、任意方向)、角度(水平、垂向、任意)、半徑及方位角等等[2]。在特征點的選取過程中，應(yīng)特別注意特征點所在面的粗糙度、間距等[6]。也可以將結(jié)構(gòu)面進行組合，來確定危巖體邊界，計算危巖體的體積。相對于傳統(tǒng)測量來說，三維實景測量技術(shù)求解結(jié)構(gòu)面方位和規(guī)模信息是更加先進的方法，可以創(chuàng)建快速的地質(zhì)信息交流和反饋環(huán)境，提高地質(zhì)紀(jì)錄的效率，降低巖體結(jié)構(gòu)面信息采集不完整及數(shù)據(jù)信息丟失的可能性，有效地幫助地質(zhì)工作者鑒定地質(zhì)特征；在已完成工作面節(jié)理圖像的基礎(chǔ)上，預(yù)測未完成工作面上弱面的位置和方向，并采集巖體空間位置數(shù)據(jù)。由于采用非接觸性測量，可同時獲取巖體大量標(biāo)志點信息[7]。

2.1 結(jié)構(gòu)面信息提取

巖體結(jié)構(gòu)面是沿空間展布具有一定起伏度的“面”，在一定空間范圍內(nèi)可以將其看作是一個平面[4]，通過獲取的點云數(shù)據(jù)來擬合出這個面，而這些平面都對應(yīng)著明確而唯一的平面方程，因此可獲取其巖體結(jié)構(gòu)面空間參數(shù)，即產(chǎn)狀。使用無人機攝影測量，精確、高分辨率地進行露頭的三維重建和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的提取[8]，然后在重建平面上選取不在同一條直線上的3個點來擬合預(yù)測結(jié)構(gòu)面，最后通過3個點的三維坐標(biāo)換算出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀[9]。特征點選取原則為:①點數(shù)≥3，點位的選取能最佳表征巖體結(jié)構(gòu)面;②采用三點法計算產(chǎn)狀時,逆時針方向采點且構(gòu)成三角形范圍越大越好,三角形內(nèi)角最好介于30°～150°,形狀越接近等邊三角形越好[7]。利用選取的特征點擬合平面來表述結(jié)構(gòu)面,獲得擬合平面的一般式方程

Ax+By+Cz+D=0

(1)

其中A、B、C、D分別為平面方程參數(shù)(A、B、C為該平面法向量坐標(biāo)n={A,B,C}，且三者不能同時為零)。

在明確了幾何意義后，根據(jù)平面的一般式方程，利用地質(zhì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的定義，可以推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀參數(shù)的計算公式。

當(dāng)3個參數(shù)都不為“0”時

(2)

10月份，上海市石化行業(yè)無論是產(chǎn)值還是利潤均呈下降走勢。臨近歲末，預(yù)計上海市石化行業(yè)經(jīng)濟運行仍處于收縮態(tài)勢，需求總體呈下降趨勢，化工市場難有好的表現(xiàn)，上海市石化行業(yè)完成全年預(yù)期目標(biāo)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。唯有直面下行壓力，采取措施積極應(yīng)對諸多不確定因素，加大調(diào)結(jié)構(gòu)、促增長、保穩(wěn)定的力度，促進經(jīng)濟平穩(wěn)運行，在今年最后兩個月，全力沖刺，方能確保全年任務(wù)完成。

(3)

(4)

(5)

式中E、S、W、N分別為地理方位東、南、西、北。以上公式討論的是結(jié)構(gòu)面3個參數(shù)均不為“0”的情況。而在平面參數(shù)A、B、C存在為“1”或者“0”的情況時，結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)產(chǎn)狀是水平或者垂直發(fā)育的。通過在危巖三維點云中進行結(jié)構(gòu)面擬合即可計算出優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀。

2.2 高位危巖體積計算

傳統(tǒng)的高位危巖體積測量中，僅僅測量某塊危巖的長、寬、高，從而計算體積，由于測量方法受限，往往忽略了結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系。崩塌體的規(guī)模是由主控結(jié)構(gòu)面空間組合、間距和延展特性綜合決定的[2]。傳統(tǒng)勘查手段很難準(zhǔn)確獲取高位危巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息，故無法準(zhǔn)確計算崩塌體的體積。無人機攝影測量技術(shù)可以準(zhǔn)確獲取危巖體空間結(jié)構(gòu)特征，其計算危巖體積方法可分為以下2種。

2.2.1 結(jié)構(gòu)面組合體積測量

危巖結(jié)構(gòu)面組合體積測量理論有如下幾個基本假定：①結(jié)構(gòu)面為貫穿巖體的平面，使結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀可由實景模型測量獲得；②切割形成的塊體為剛體，不考慮塊體本身破壞；③巖體失穩(wěn)是在荷載作用下沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切滑移[10]。圖2是無人機采集危巖三維空間模型。其受4組結(jié)構(gòu)面控制，對擬合出的結(jié)構(gòu)面進行分組得出主控結(jié)構(gòu)面，將主控結(jié)構(gòu)面進行延展，通過空間組合關(guān)系來計算危巖規(guī)模(圖3)。該塊狀巖體主要受到結(jié)構(gòu)面JA和結(jié)構(gòu)面JB的切割作用，在下方形成臨空面，通過將結(jié)構(gòu)面JB延伸至結(jié)構(gòu)面JD所在平面，就可組合切割出由JA、JB、JD圍成的危巖體；再通過ploywork點云處理軟件便可獲得擬合的不規(guī)則危巖的體積

圖2 危巖體三維點云模型Fig.2 UAV 3 dimensional model for the dangerous rock

圖3 切割危巖體結(jié)構(gòu)面組合Fig.3 Structural plane combination of cutting dangerous rock

。

2.2.2 假定后緣斷裂面計算體積

圖4 不規(guī)則危巖體積計算Fig.4 Volume calculation of irregular critical rock

3 工程應(yīng)用實例

3.1 工程概況

成昆鐵路吉爾木隧道所在位置屬于高山峽谷地貌，受尼日河深切，海拔高度 1 025～2 150 m，自然坡度5°～35°，局部較陡。隧道出口仰坡地形陡峻，基巖裸露，下伏基巖為上震旦統(tǒng)燈影組(Zbd)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等，陡傾節(jié)理、裂隙發(fā)育。隧道出口竹兒溝溝底海拔高度為 1 490 m，坡頂海拔高度為 2 580 m，相對高差超過1 km。斜坡上巖體因斷裂作用形成了大量的危巖落石，風(fēng)化作用產(chǎn)生的碎屑堆積體欠穩(wěn)定，部分高陡坡的勘查現(xiàn)場人無法到達(圖5)。

3.2 地形測量

應(yīng)用無人機危巖勘查技術(shù)對吉爾木隧道出口高邊坡進行勘查(圖5)，共飛行3架次，對危巖左右兩側(cè)及后緣分別進行傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集工作；并通過PIX4D軟件進行建模，得到該邊坡的三維地質(zhì)模型，在該模型上進行了必要的地質(zhì)信息的解譯和獲取。圖6為通過三維點云數(shù)據(jù)獲取的高精度DEM、DOM和DSM等數(shù)字成果，進而生成的等高線和地形剖面。相比傳統(tǒng)的地形測量，得到了更為精細的危巖落石區(qū)等高線圖，可以更好地對工程布置提供地形資料。

3.3 巖體結(jié)構(gòu)面識別

通過無人機三維建模后的數(shù)據(jù)分析，獲得邊坡結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、跡長和間距如表1所示。解譯結(jié)果表明該邊坡內(nèi)主要結(jié)構(gòu)面有3組，各組結(jié)構(gòu)面的幾何參數(shù)如表1所示。

圖5 工程區(qū)三維模型Fig.5 Three dimensional model of engineering area

圖6 三維等高線圖Fig.6 Three dimensional contour map

3.4 危巖體結(jié)構(gòu)面組合體積測量

通過對吉爾木隧道進行無人機測量數(shù)據(jù)三維建模，在三維模型中對隧道出口邊坡上部和頂部的巖體結(jié)構(gòu)進行識別，通過判識及結(jié)構(gòu)面組合分析，共獲取了39個危巖體的體積。對邊坡區(qū)危巖體體積進行統(tǒng)計，結(jié)果表明：危石共有7個，體積為0.1～0.5 m3；小型危巖體14個，體積為1～10m3；中型危巖體14個，體積為10～56 m3；大型危巖體4個，體積為127～424 m3：危巖體體積均值為35 m3，集中分布在隧道左側(cè)上方的拉張裂縫區(qū)(表2)。

表1 危巖體結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)解譯成果Table 1 Interpretation of geometric parameters of structural plane by UAV

通過工程實例分析可知，無人機開展高位危巖體勘查的總體流程為：無人機航線規(guī)劃→獲取危巖體高清影像數(shù)據(jù)→軟件解算生成三維點云數(shù)據(jù)→軟件地質(zhì)信息解譯→危巖體穩(wěn)定性分析。借助于無人機危巖勘查技術(shù)，可以較好地測量高陡危巖區(qū)的地形，能在地形圖中反映較多的微地貌，有利于危巖落石的判別。三維點云數(shù)據(jù)的獲取可以高效準(zhǔn)確地獲取高陡危巖的真實結(jié)構(gòu)面信息，從而通過結(jié)構(gòu)面組合分析可以較好地判別危巖失穩(wěn)后的體積，為防治方案提供依據(jù)。

表2 危巖體積解譯結(jié)果Table 2 Interpretation result of dangerous rock volume

4 結(jié) 論

無人機危巖勘查技術(shù)相比傳統(tǒng)的危巖落石勘查技術(shù)具有多方面的優(yōu)勢。

a.精度高。無人機危巖勘查技術(shù)可提取落石空間信息，如空間坐標(biāo)、體積、結(jié)構(gòu)面信息，對危巖落石穩(wěn)定性由傳統(tǒng)的定性評估提升到定量評估，可以更好地對危巖落石處置設(shè)計提供指導(dǎo)。該方法可對任何部位的危巖進行結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分析，無需進行類比或者借鑒。

b.危巖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更全面?？蓪ξr上下左右任何角度進行分析，也可發(fā)現(xiàn)高陡危巖后緣的卸荷裂隙，為判斷危巖的穩(wěn)定性提供全面的數(shù)據(jù)。

c.可回溯性強。一次性獲取危巖落石工點的三維點云數(shù)據(jù)后，地質(zhì)人員可反復(fù)通過模型進行工作，無需再到現(xiàn)場進行重復(fù)勘查。

d.效率高。無人機危巖勘查技術(shù)相較于傳統(tǒng)接觸式勘查法，大幅度降低了野外勘查工作強度，將更多的工作轉(zhuǎn)化為室內(nèi)解譯，提高了危巖落石勘查的工作效率。

e.安全性好。在大高差險峻山區(qū)，采用無人機危巖勘查，無需地質(zhì)勘查人員去攀爬陡峭、險峻的山崖，保證了勘查人員的人身安全。