無人機傾斜攝影測量技術(shù)在鐵路突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險中的應(yīng)用

伏 坤，王 珣，高柏松，劉 勇，徐 鑫，裴起帆

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

我國西南地區(qū)地處印度板塊與歐亞板塊沖撞接觸帶東側(cè)，新構(gòu)造運動強烈，地殼升降幅度大，山高谷深，活動斷裂發(fā)育，地震頻繁且震級大，山地生態(tài)環(huán)境脆弱、斜坡巖體破碎，加之降雨量充沛，導(dǎo)致滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對鐵路工程施工及運營危害極大[1]。如成昆線、寶成線、川黔線、湘黔線等都是地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的山區(qū)鐵路運營線路，其中尤以成昆線受地質(zhì)災(zāi)害影響最為嚴(yán)重[2]。

成昆鐵路是新中國成立后在我國西南山區(qū)修建的一條重要鐵路干線，全長1 096 km，1970年建成通車。沿線地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，新構(gòu)造運動非常強烈，部分區(qū)段位于8、9度地震區(qū)。沿線分布滑坡、泥石流、崩塌落石、巖堆等不良地質(zhì)達(dá)千余處，致使通車后的幾十年仍不斷地整治沿線地質(zhì)災(zāi)害[3]。

成昆鐵路K310+668～K311+232病害段地處四川省涼山彝族自治州甘洛縣埃岱鎮(zhèn)境內(nèi)，屬中高山河谷地貌，地形高陡，海拔一般為960～1 650 m，高差690 m，自然坡度35°～60°。2019年7月28日該地發(fā)生持續(xù)暴雨，降雨歷時30余小時，最大小時降雨達(dá)77.8 mm，總降雨164.2 mm，接近該地年降雨量的1/5。K310+857～K311+000兩條沖溝內(nèi)爆發(fā)坡面型泥石流病害、K311+140坡面發(fā)生高位淺表溜坍，泥石流堆積體上道淹沒線路，造成鐵路運輸中斷。經(jīng)過鐵路部門晝夜應(yīng)急搶修，于8月2日恢復(fù)通車。2019年8月14日12時44分，成昆線K310+857再次發(fā)生高位巖體崩塌，導(dǎo)致線路被毀，運輸再次中斷[4]。

成昆鐵路K310+668～K311+232病害段山高谷深、道路險峻、植被茂密，人工調(diào)查及傳統(tǒng)監(jiān)測方法無法滿足地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)后應(yīng)急指揮、搶險施工、鐵路臨時開通后行車安全等方面的使用需求[5-9]。為及時掌握病害點災(zāi)害情況，同時確保調(diào)查人員的安全。2019年8月15日，緊急抽調(diào)無人機對K310+857高位巖體崩塌災(zāi)害約1.5 km2區(qū)域開展傾斜攝影測量工作，形成真三維傾斜攝影模型成果，并采用自主研發(fā)的無人機傾斜攝影文件網(wǎng)絡(luò)發(fā)布平臺，實現(xiàn)成果快速網(wǎng)絡(luò)發(fā)布及異地多方成果共享，為地質(zhì)災(zāi)害關(guān)鍵形態(tài)參數(shù)提取、應(yīng)急搶險和整治方案制定提供技術(shù)支撐。

1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)

無人機傾斜攝影測量技術(shù)通過在同一飛行平臺上搭載影像拍攝設(shè)備，從1個垂直方向、4個相互垂直的傾斜方向等5個不同的角度采集待測區(qū)的影像，同時配合其他傳感器同步獲取拍攝點高度、經(jīng)緯度坐標(biāo)、鏡頭姿態(tài)、目標(biāo)區(qū)紋理等數(shù)據(jù)[9]，能夠更加真實地反應(yīng)地物情況和地理信息。

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)主要由多旋翼無人機飛行平臺系統(tǒng)、傾斜攝影系統(tǒng)、飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)及后期數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成[10]。

多旋翼無人機飛行平臺系統(tǒng)包括無人機機體、飛行控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)實時傳輸與解壓縮系統(tǒng)[11]。

傾斜攝影系統(tǒng)包括攝影機、攝影機控制系統(tǒng)和相關(guān)部件裝置[12]，多旋翼無人機飛行平臺及傾斜攝影系統(tǒng)見圖1。

圖1 無人機飛行平臺及傾斜攝影系統(tǒng)

飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)包括航線規(guī)劃系統(tǒng)、無人機地面控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收解壓縮與實時顯示系統(tǒng)[13]。

后期數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括圖像拼接、數(shù)據(jù)校正、紋理映射、信息提取與分析等。

無人機傾斜攝影測量工作流程分為3個步驟：室內(nèi)準(zhǔn)備→現(xiàn)場作業(yè)→數(shù)據(jù)處理[14]，具體工作流程見圖2。

圖2 無人機傾斜攝影工作流程

2 無人機傾斜攝影文件網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)布平臺

無人機傾斜攝影在實際應(yīng)用過程中，受限于無人機遙感影像的數(shù)據(jù)規(guī)模大小與其文件的特點，通常以單機應(yīng)用、本地化管理的模式為主，不具備網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)布及多方共享能力。因此，在大型應(yīng)急搶險項目時難以滿足各方對高清現(xiàn)場影像的異地、遠(yuǎn)程訪問使用需求，無人機傾斜攝影的優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮。

針對上述問題，對傾斜攝影瓦片數(shù)據(jù)特征開展深入研究，結(jié)合成昆鐵路K310+857高位巖體崩塌突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急搶險特點，搭建了無人機傾斜攝影文件網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)布平臺。

2.1 平臺構(gòu)成

無人機傾斜攝影文件網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)布平臺包括虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施集群平臺、傾斜攝影瓦片數(shù)據(jù)存儲及訪問應(yīng)用服務(wù)集群。

2.1.1 虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施集群平臺

虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施集群平臺基于VMvare[18]服務(wù)器虛擬化解決方案，采用共享存儲、實時遷移、資源動態(tài)分配、實時監(jiān)控及故障切換等技術(shù)搭建，有效整合服務(wù)器計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源，形成資源池，為傾斜攝影瓦片數(shù)據(jù)存儲及應(yīng)用服務(wù)集群搭建提供硬件基礎(chǔ)。虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施集群平臺拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施集群平臺拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1.2 瓦片數(shù)據(jù)存儲及訪問應(yīng)用服務(wù)集群

針對三維傾斜攝影瓦片數(shù)據(jù)單個文件小(<1 MB)、總計數(shù)量多(千萬級)、存儲發(fā)布困難等特點，采用開源分布式文件管理系統(tǒng)[19-20]搭建后端存儲平臺，綜合利用虛擬IP、負(fù)載均衡、高可用、緩存技術(shù)等搭建瓦片數(shù)據(jù)集群存儲平臺，實現(xiàn)傾斜攝影瓦片數(shù)據(jù)的高效存儲，解決TB級傾斜攝影瓦片數(shù)據(jù)存儲難題。

在搭建虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施集群平臺、傾斜攝影瓦片數(shù)據(jù)集群的基礎(chǔ)上，基于FastDFS API函數(shù)及通用HTTP協(xié)議，開發(fā)了瓦片數(shù)據(jù)上傳、下載等Web接口服務(wù)，搭建了訪問應(yīng)用服務(wù)集群，實現(xiàn)了瓦片數(shù)據(jù)多用戶高并發(fā)訪問，解決了鐵路突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險期對數(shù)據(jù)快速共享的需求。傾斜攝影瓦片數(shù)據(jù)存儲及訪問應(yīng)用服務(wù)集群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 存儲及訪問應(yīng)用服務(wù)集群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 平臺應(yīng)用

采用無人機傾斜攝影文件網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)布平臺進(jìn)行成昆鐵路K310+857高位巖體崩塌災(zāi)害傾斜攝影文件網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的具體步驟如下。

①收集整理K310+857高位巖體崩塌災(zāi)害2019年8月15日傾斜攝影成果數(shù)據(jù)，利用單機版三維傾斜攝影軟件查看成果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，若成果無誤，則進(jìn)行步驟②；若成果有誤，則重新收集整理、校核傾斜攝影數(shù)據(jù)。

②準(zhǔn)備數(shù)據(jù)上傳軟件，并確保網(wǎng)絡(luò)暢通。軟件登錄成功后，采用選擇或拖動文件夾/文件的方法上傳數(shù)據(jù)。當(dāng)軟件顯示文件夾個數(shù)與本地文件夾個數(shù)一致時，表示所有文件全部上傳成功(圖5)。

圖5 數(shù)據(jù)上傳軟件界面

③采用網(wǎng)絡(luò)版三維傾斜攝影軟件測試是否可以遠(yuǎn)程在線加載三維傾斜攝影數(shù)據(jù)，若成功加載，則表示三維傾斜攝影數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布成功；如失敗，則需查看軟件錯誤日志，分析并檢查存儲及訪問應(yīng)用服務(wù)集群是否正常。

3 成昆鐵路K310+857高位巖體崩塌災(zāi)害應(yīng)用實例

采用無人機傾斜攝影+網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)布融合技術(shù)，對成昆鐵路K310+857高位巖體崩塌災(zāi)害進(jìn)行了災(zāi)后調(diào)查及長期監(jiān)測，其應(yīng)用情況如下。

3.1 無人機數(shù)據(jù)獲取、處理與發(fā)布

在充分調(diào)研收集崩塌區(qū)域地形、天氣等資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合GoogleEarth衛(wèi)星地圖，利用航線規(guī)劃系統(tǒng)，進(jìn)行了航線的規(guī)劃設(shè)計，并經(jīng)實地考察后確認(rèn)執(zhí)飛。無人機及傾斜攝影系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

表1 無人機及傾斜攝影系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集作業(yè)累計飛行5架次，飛行里程約3 km，獲得航拍照片400余張，有效覆蓋面積1.5 km2，航向重疊度和旁向重疊度分別達(dá)到85%和65%。

無人機傾斜攝影作業(yè)后，利用軟件對所拍攝的圖像進(jìn)行畸變差改正、勻光勻色、影像增強、空三加密、多視影像密集匹配、紋理映射等操作，輸出高質(zhì)量三維傾斜攝影模型，并通過FastDFS資料文檔管理終端上傳至FastDFS分布式文件系統(tǒng)，并通過Web進(jìn)行發(fā)布。

三維傾斜攝影模型數(shù)據(jù)獲取、處理與發(fā)布見圖6。

圖6 病害點傾斜攝影模型數(shù)據(jù)獲取、處理與發(fā)布

3.2 災(zāi)后信息提取與分析

通過無人機傾斜攝影文件可以獲得病害點整體及局部的災(zāi)害特征，并可提取災(zāi)害關(guān)鍵形態(tài)參數(shù)(圖7)。

圖7 病害點整體及局部災(zāi)害特征(單位：m)

從圖7可以得出如下結(jié)論。

(1)K310+857高位巖體崩塌災(zāi)害發(fā)生位置與線路坡面距離330 m，影響寬度為30～105 m。

(2)原坡體發(fā)生明顯下坐，已出現(xiàn)明顯的下錯陡壁。

(3)崩塌體運動過程中，未完全解體，后緣陡壁右側(cè)仍存在36 m×36 m的不穩(wěn)定塊體，如遭遇強降雨，極易順坡面運動，再次發(fā)生災(zāi)害。

(4)后緣右側(cè)高壓電塔基礎(chǔ)基巖已被崩塌體鏟刮掏空，高壓電塔處于不穩(wěn)定狀態(tài)，如再次發(fā)生崩塌災(zāi)害，高壓電塔極易倒塌受損。

(5)斜坡中部殘留大量巨石于松散堆積層上，巨石相距線路位置較高，勢能較大，發(fā)生滑動、滾動及跳躍等可能性較大。

(6)沖溝內(nèi)堆積大量松散崩塌堆積物，強降雨天氣極易發(fā)生坡面泥石流次生災(zāi)害。

上述三維傾斜攝影分析結(jié)果，對K310+857突發(fā)高位巖體崩塌災(zāi)害采用以坡面清方、噴錨網(wǎng)、錨桿(索)框架梁、被動防護(hù)網(wǎng)、截排水溝等多種措施相結(jié)合的坡面整治方案設(shè)計、搶險施工組織安排提供了重要的技術(shù)支撐。

3.3 無人機長期監(jiān)測結(jié)果分析

為確保搶險施工期、臨時開通期行車安全，采用無人機傾斜攝影對坡體約1.5 km2區(qū)域范圍進(jìn)行航拍，施工期1次/1個月，運營期1次/2個月。通過人工對比分析多期三維影像，及時發(fā)現(xiàn)是否存在新增高位隱蔽災(zāi)害點。

目前已完成2019.9.9，2019.10.25，2019.11.19，2020.1.10共計4期無人機三維傾斜攝影，結(jié)果見圖8。

圖8 多期無人機傾斜攝影模型

從圖8可以得出如下結(jié)論。

(1)2019.9.9期在崩塌體后緣發(fā)現(xiàn)1處裂縫，尚未貫通。在施工搶險期人工擾動、強降雨等因素影響下，有繼續(xù)擴(kuò)展的可能性，應(yīng)加強該裂縫的變形觀測。

(2)2019.10.25期在既有裂縫的下方發(fā)現(xiàn)1處清晰可見的拉裂縫，與2019.9.9期發(fā)現(xiàn)的裂縫夾角約45°，2條裂縫未貫通。初步判定為坡面清方人工擾動造成，后期應(yīng)加強2條裂縫的變形觀測；同時，從模型可以看出崩塌體周圍較2019.9.9期無明顯變形。

(3)從2019.11.19與2020.1.20兩期三維傾斜攝影模型可以看出，2條裂縫的長度及寬度均無明顯變化，崩塌體周圍也無明顯變形發(fā)生，說明其變形已趨于穩(wěn)定。分析其原因為，2019.11.1日前已完成坡面清方及錨桿加固等工程措施，坡面已穩(wěn)定，故變形未繼續(xù)發(fā)生。

4 結(jié)論

本文全面介紹了無人機傾斜攝影測量技術(shù)的原理、系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程，針對實際應(yīng)用過程傾斜攝影數(shù)據(jù)，研發(fā)了傾斜攝影數(shù)據(jù)及時共享的網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)布平臺，并將全套技術(shù)應(yīng)用于2019年8月14日成昆鐵路K310+857高位巖體崩塌災(zāi)害調(diào)查及長期監(jiān)測，得出如下結(jié)論。

(1)無人機傾斜攝影文件網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)布平臺突破傳統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用以單機、本地化管理的模式，通過構(gòu)建虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施集群平臺、瓦片數(shù)據(jù)存儲及訪問應(yīng)用服務(wù)集群，實現(xiàn)TB級傾斜攝影成果文件高速存儲及快速網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，可滿足應(yīng)急搶險時各方對現(xiàn)場高清影像異地、遠(yuǎn)程訪問使用需求。

(2)將該套融合技術(shù)應(yīng)用于成昆鐵路K310+857高位巖體崩塌災(zāi)害調(diào)查，結(jié)果表明，三維傾斜模型精度、分辨率完全滿足使用要求，且可根據(jù)三維傾斜攝影模型提取地質(zhì)災(zāi)害關(guān)鍵形態(tài)參數(shù)，明確災(zāi)害特征，可為災(zāi)害防治方案設(shè)計、搶險施工組織安排提供可靠依據(jù)。

(3)將無人機傾斜攝影測量技術(shù)與文件網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)布技術(shù)用于成昆鐵路K310+857高位巖體崩塌災(zāi)害長期監(jiān)測，結(jié)果表明，該套技術(shù)可及時發(fā)現(xiàn)高位隱蔽隱患災(zāi)害點，并可通過多期對比觀測，掌握裂縫變形發(fā)展規(guī)律，為評估施工影響以及臨時開通期行車安全提供科學(xué)支撐。