無人機(jī)技術(shù)在超高陡邊坡危巖體半自動識別中的應(yīng)用

程雨柯，李亞虎，夏金梧，侯 贈，陳 娜

（1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430011；2.水利部長江勘測技術(shù)研究所，湖北 武漢 430011；3.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068）

0 引言

高陡邊坡上的危巖區(qū)域是水利水電工程建設(shè)中常見工程問題之一，其穩(wěn)定狀況事關(guān)水利樞紐工程建設(shè)和運(yùn)行安全[1-2]。對邊坡巖體進(jìn)行地質(zhì)勘察，獲取邊坡巖體的地質(zhì)參數(shù)，是危巖體研究的首要工作。傳統(tǒng)的地質(zhì)勘察主要采用的是人工接觸式方法，例如用皮尺和地質(zhì)羅盤測量[3-5]。隨著建設(shè)工程規(guī)模的不斷增大，高陡邊坡地質(zhì)環(huán)境變得更加險(xiǎn)峻和復(fù)雜，由于調(diào)查人員的可及范圍有限，地質(zhì)勘察工作的展開不僅效率低下，而且獲取的地質(zhì)參數(shù)不完整。傳統(tǒng)的接觸式調(diào)查已經(jīng)難以滿足實(shí)際工程的高效化和數(shù)字化要求。

在過去的20 年中，許多研究人員采用了非接觸式數(shù)據(jù)采集方法來解決這一問題[6]。Bitenc 等[7]將優(yōu)化后的激光雷達(dá)測量技術(shù)（light laser detection and ranging，LiDAR）應(yīng)用于邊坡地形測量數(shù)據(jù)采集，提高了邊坡數(shù)據(jù)采集的精度；Salvini 等[8]結(jié)合直升機(jī)攝影測量技術(shù)和地面激光掃描技術(shù)（terrestrial laser scanning，TLS）進(jìn)行了邊坡巖石塊體和節(jié)理系統(tǒng)的詳細(xì)地理信息繪制；Kumhálová等[9]，賈虎軍等[10]通過機(jī)載激光掃描和傾斜攝影技術(shù)，獲取精準(zhǔn)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)、精細(xì)的地形地貌勘測數(shù)據(jù)，解決了設(shè)備難以進(jìn)入的陡峭地形模型數(shù)據(jù)采集的問題。然而，激光掃描設(shè)備即便借助直升機(jī)等多地形工具，在進(jìn)行高差過大，時(shí)限較短的數(shù)據(jù)采集任務(wù)時(shí)仍然顯得笨重，難以滿足需求。

近年來，為了滿足快速獲取復(fù)雜邊坡表面特征的需求，成本更低、靈活方便、不受地形限制的無人機(jī)得到了一定的應(yīng)用，它可以解決復(fù)雜邊坡死角模型難以采集的問題。Niethammer 等[11]，Riquelme 等[12]，Zeybek 等[13]采用無線電控制小型四旋翼無人機(jī)拍攝完整邊坡滑坡的圖像，進(jìn)一步建立高分辨率的數(shù)字地形模型，實(shí)現(xiàn)了更快速獲取坡面點(diǎn)云數(shù)據(jù)；趙婷婷等[14]，梁京濤等[15]，黃發(fā)明等[16]通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)（unmanned aerial vehicle oblique photography technology，UAVOP）與多圖像重建技術(shù)（structure from motion，SfM）采集復(fù)雜邊坡表面點(diǎn)云模型，實(shí)現(xiàn)了對緊急，復(fù)雜的邊坡數(shù)據(jù)采集任務(wù)的快速反應(yīng)。基于無人機(jī)的數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)已經(jīng)足以表現(xiàn)復(fù)雜邊坡表面的詳細(xì)形態(tài)，但這些研究對精確模型的利用率仍然較低，尚未充分地通過精確點(diǎn)云對其所反映的邊坡隱蔽、細(xì)微的安全隱患（如危巖體）進(jìn)行有效的勘察。

采用無人機(jī)開展高陡邊坡的安全勘察研究時(shí)，由于數(shù)據(jù)采集方案單一，設(shè)備效率、模型精度較低或高精度模型的利用率較低[17-19]，尤其在高陡邊坡中，由于畸變問題，會使得模型結(jié)果與實(shí)際情況產(chǎn)生一些偏差。為解決這一問題，本研究提出了一種基于無人機(jī)點(diǎn)云的超500 m 高位邊坡孤立單平面滑移式危巖體半自動提取的新方法，實(shí)現(xiàn)了以下三項(xiàng)關(guān)鍵的目標(biāo):

（1）基于免像控的無人機(jī)貼近攝影測量技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套高陡邊坡表面點(diǎn)云模型的測量方法，并構(gòu)建了三維坐標(biāo)精度為±10 cm、影像分辨率為1 cm 的試驗(yàn)區(qū)精細(xì)邊坡三維點(diǎn)云模型。

（2）基于高陡邊坡點(diǎn)云模型提取了異型滑移式塊體。利用異型滑移式塊體突出于邊坡表面的細(xì)微特征，手動分割確定了異型滑移式塊體的位置和其具體形態(tài)。

（3）根據(jù)異型滑移式塊體模型邊界點(diǎn)云的密度特征擬合了后壁平面。此外，自動計(jì)算了異型滑移式塊體模型的各類特征值，并進(jìn)一步得出穩(wěn)定性系數(shù)（K）以確定塊體中的危巖體。最后，結(jié)合危巖體的方量和最大高差，對危險(xiǎn)巖體進(jìn)行了危害性評價(jià)。

1 研究區(qū)概況

玉龍喀什水利樞紐工程（圖1）是新疆和田玉龍喀什河山區(qū)河段的控制性水利樞紐工程，水庫設(shè)計(jì)最大壩高230.5 m，總庫容5.36×108m3，工程主要有最大壩高233.5 m 的面板堆石壩、“表、中、深”泄洪隧洞以及引水發(fā)電系統(tǒng)等組成，屬大（2）型Ⅱ等工程。

圖1 試驗(yàn)區(qū)三維地形概覽Fig.1 Three-dimensional terrain overview of the test area

試驗(yàn)區(qū)為工程左岸壩址區(qū)的高位邊坡，最大高差超過500 m。邊坡地形陡峭，坡面植被不發(fā)育，山體的表面覆蓋有大量灰塵，邊坡表面并未出露明顯的結(jié)構(gòu)面。考慮施工場地狹窄、施工周期長，壩基邊坡開挖對上部高位邊坡擾動大，而壩址區(qū)兩側(cè)自然高位邊坡存在大量危巖體和不良地質(zhì)塊體，在施工期構(gòu)成重大安全隱患。亟須對壩址區(qū)超高位邊坡進(jìn)行危巖調(diào)查和穩(wěn)定性分析。

經(jīng)過人工初步調(diào)查，勘察到可能的危巖體多為平面滑移式危巖體（見圖2）。巖體突出于邊坡表面，且與邊坡斜面之間存在有明顯的連接邊緣。本研究對試驗(yàn)區(qū)表面此類孤立的單平面滑移式危巖體進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)查。

圖2 人工對左岸邊坡的典型危巖體的初步調(diào)查Fig.2 Preliminary investigation of typical dangerous rock masses on the left bank slope by manual methods

2 技術(shù)方法

針對試驗(yàn)區(qū)高邊坡廣泛分布平面滑移式危巖體的情況，本文設(shè)計(jì)了一套從邊坡點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)采集到危巖體半自動識別及評價(jià)的邊坡危巖體完整的地質(zhì)勘察方法（圖3）。程序主要由Python 語言編寫。該識別方法包括以下四個(gè)步驟：

圖3 研究技術(shù)方法Fig.3 Research technical scheme

（1）數(shù)據(jù)采集階段：采用無人機(jī)貼近攝影測量結(jié)合精細(xì)的仿地飛行航路設(shè)計(jì)、智能建模等多種技術(shù)手段，獲取高邊坡精細(xì)地表LAS 點(diǎn)云。

（2）孤立異型滑移式塊體點(diǎn)云模型提取階段：依據(jù)邊坡突出塊體邊界特征將孤立的異型滑移式塊體點(diǎn)云模型分別手動分割出來，并對模型進(jìn)行點(diǎn)云下采樣。

（3）滑移破壞后壁平面提取階段：應(yīng)用點(diǎn)云的密度特征自動提取突出塊體與邊坡連接的邊界，此邊界可近似為該塊體的滑移破壞的平面的邊界。

（4）孤立危巖體定性與危害性評估階段：應(yīng)用最小二乘法將邊界點(diǎn)云擬合到后壁平面上，計(jì)算后壁傾角[20]。使用原塊體點(diǎn)云和對后壁投影點(diǎn)之間的歐式距離計(jì)算最大高度差。利用Stokes 公式和Alpha Shape 算法確定投影點(diǎn)的平面邊界，計(jì)算后壁平面的面積和塊體點(diǎn)云體積。以上特征參數(shù)將用于定性孤立的危巖體（依據(jù)穩(wěn)定性系數(shù)）。對于已經(jīng)定性的危巖體，依據(jù)其體積與最大高差依次對所有危巖體的危害性進(jìn)行進(jìn)一步的評價(jià)。

2.1 數(shù)據(jù)采集及異型滑移式塊體識別

本文使用的數(shù)據(jù)是新疆玉龍喀什水利工程左岸斜坡的有序點(diǎn)云數(shù)據(jù)，考慮到試驗(yàn)區(qū)山、谷、溝、梁交錯(cuò)的特殊地形，本文采用無人機(jī)貼近攝影測量[21-23]和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system,GNSS）實(shí)時(shí)動態(tài)差分定位技術(shù)[24]相結(jié)合的方法，綜合利用免像控的無人機(jī)攝影測量技術(shù)、精細(xì)化地面模擬航路設(shè)計(jì)、智能建模等多種技術(shù)手段，獲取500 m 以上邊坡的精細(xì)化地表信息。

本研究使用大疆M300 RTK 無人機(jī)設(shè)備搭載Zenmuse P1 全畫幅云臺相機(jī)（見圖4）。無人機(jī)集成了雙GNSS導(dǎo)航定位設(shè)備，通過集成的網(wǎng)絡(luò)RTK 模塊，獲取附近CORS 站提供的實(shí)時(shí)動態(tài)差分信息，可為無人機(jī)提供實(shí)時(shí)厘米級定位數(shù)據(jù)，滿足了免像控標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 無人機(jī)設(shè)備Fig.4 UAV equipment

在對試驗(yàn)區(qū)模型采集的應(yīng)用中，本研究設(shè)計(jì)的基于精細(xì)仿地飛行路線的貼近攝影測量技術(shù)方法主要采用三種綜合航攝方案。

（1）初始飛行和航線規(guī)劃（見圖5）：采用航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪（shuttle radar topography mission,SRTM）采集30 m 分辨率數(shù)字高程模型（digital elevation model,DEM），初始飛行航路較高。通過空中三角測量，可以獲得調(diào)查區(qū)域的圖像，并生成初始數(shù)字地表模型（digital surface model,DSM）[25]。

圖5 第一張正射影照片路線規(guī)劃（分辨率2.5 cm）Fig.5 Route planning of the first orthophoto photograph (resolution 2.5 cm)

（2）二次精細(xì)仿地飛行規(guī)劃與飛行（見圖6）：基于初始模型DSM 高程數(shù)據(jù)，規(guī)劃精細(xì)地面模擬飛行路線，并為該路線建立多組使用精細(xì)仿地飛行的鏡頭拍攝角度。為了獲得高坡度傾斜攝影測量圖像，對近似直立的坡面使用了貼近攝影測量技術(shù)。通過無人機(jī)三角測量和建模，生成測量區(qū)傾斜攝影測量OSGB 模型[26]?？紤]到試驗(yàn)區(qū)邊坡溝梁相間的地形，精細(xì)的仿地飛行路線沿地形梯度呈上下方向設(shè)置。

圖6 精細(xì)的仿地飛行路線規(guī)劃Fig.6 Detailed terrain-following flight path planning

（3）三次手控飛行：檢查OSGB 模型存在的空洞和紋理拉伸的區(qū)域。如果出現(xiàn)這種情況，必須對關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行額外的手動飛行拍攝。補(bǔ)拍完成后，再次進(jìn)行空中三角測量和建模，生成測量區(qū)域完整的真實(shí)場景，即為最終的三維模型。針對研究區(qū)倒懸?guī)r體等特殊場景，采用-10°等特殊視角和手控飛行的拍攝方案。

DJI Maps 被用于無人機(jī)三維模型建模，采用基于計(jì)算統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)（compute unified device architecture,CUDA）的智能重構(gòu)算法[27]，并將場景圖文件格式模型（open scene graph binary,OSGB）轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制LAS 點(diǎn)云模型（見圖7）。

圖7 無人機(jī)三維模型建模并生成點(diǎn)云模型Fig.7 UAV three-dimensional modeling and point cloud model generation

異型滑移式塊體在邊坡表面表現(xiàn)為一塊完整的突出塊體。對于邊坡的點(diǎn)云模型，其與邊坡接觸處通常為一圈曲率較大的閉合點(diǎn)云。依據(jù)此特征在軟件Cloud-Compare 內(nèi)使用點(diǎn)云切分工具將孤立的異型滑移式塊體點(diǎn)云模型進(jìn)行提取。此外，為了減小后續(xù)的計(jì)算量，使用濾波工具進(jìn)一步進(jìn)行點(diǎn)云下采樣。

2.2 塊體失穩(wěn)平面自動提取

2.2.1 后壁平面邊界點(diǎn)云

本研究認(rèn)為，異型滑移式塊體點(diǎn)云的邊界近似處于滑移的后壁平面上，依據(jù)邊界點(diǎn)云的密度與密度變化率特征進(jìn)行后壁平面邊界的提取。對于表面均勻的點(diǎn)云模型來說，處于模型邊緣的點(diǎn)云一般密度（在某范圍內(nèi)的點(diǎn)云個(gè)數(shù)）相對較小[28-30]。此外，該處的點(diǎn)云在某個(gè)范圍內(nèi)密度會明顯的下降。

對于單獨(dú)的異型滑移式塊體點(diǎn)云，構(gòu)造點(diǎn)云的K鄰近（K-nearest neighbor,KNN）搜索結(jié)構(gòu)，對每個(gè)點(diǎn)查找其搜索范圍內(nèi)的點(diǎn)云密度。對于點(diǎn)P1，當(dāng)該點(diǎn)點(diǎn)云密度較小，在R1 范圍內(nèi)的點(diǎn)數(shù)為8（該點(diǎn)的密度）或者在一定的范圍R2 內(nèi)，存在密度遠(yuǎn)超于它的點(diǎn)P2（密度為19）時(shí)，本研究認(rèn)為其為一枚后壁平面的近似邊界點(diǎn)（見圖8）。

圖8 邊界點(diǎn)云密度與密度變化率Fig.8 Boundary point cloud density and density change rate

2.2.2 后壁平面擬合

異型滑移式塊體邊界點(diǎn)云可近似擬合于空間中的一塊平面?？紤]到試驗(yàn)區(qū)表面被大量的灰塵覆蓋，邊坡模型并未出露明顯的結(jié)構(gòu)面，則該平面被認(rèn)為是當(dāng)前異型滑移式塊體可能的滑動結(jié)構(gòu)面（后壁平面）。圖9（a）中藍(lán)色的點(diǎn)云為通過邊界密度分析得到的后壁平面邊界點(diǎn)，灰色點(diǎn)為該塊體的其他點(diǎn)云。利用最小二乘法將邊界點(diǎn)擬合為圖9（b）中的黑色網(wǎng)格平面，該平面將為異型滑移式塊體點(diǎn)云模型的各種特征計(jì)算提供依據(jù)。

圖9 異型滑移式塊體的后壁平面提取Fig.9 Extraction of the rear wall plane of profiled block

2.3 孤立危巖體定性分析

2.3.1 三維特征估算

將異型滑移式塊體點(diǎn)云整體向后壁平面進(jìn)行投影，并對其進(jìn)一步進(jìn)行Alpha Shape 邊界搜索[31]，得到平面的邊界點(diǎn)索引。該索引方向?qū)?yīng)的邊界點(diǎn)逆時(shí)針排列。對邊界點(diǎn)利用Stokes 的三維有向平面面積積分公式進(jìn)行積分[32]，得到后壁平面的面積。后壁平面多邊形A有N個(gè)頂點(diǎn)P1,P2,···,Pi,···,Pn呈逆時(shí)針方向排列，形成一個(gè)環(huán)L頂點(diǎn)坐標(biāo)表示為Pi=(Xi,Yi,Zi)，如圖10（a）所示?？汕蟮闷涿娣e為SA=。

圖10 異型滑移式塊體的后壁面積與塊體體積計(jì)算Fig.10 Calculation for the rear wall area and block volume of profiled block

面積由Stokes 公式求得：

式中：L——后壁平面多邊形邊界形成的環(huán)；

P、Q、R——代表空間中某一點(diǎn)依賴于x、y、z坐標(biāo)的向量場三個(gè)分量函數(shù)；

dx、dy、dz——表示線積分中的微分元素；

A——后壁平面多邊形；

(n,x)、(n,y)、(n,z)——多邊形的單位法向量n與坐標(biāo)軸x、y、z的夾角；

ds——平面上的微小面積元素。

對完整的異型滑移式塊體點(diǎn)云應(yīng)用Alpha Shape 算法得到異型滑移式塊體點(diǎn)云的體積，如圖10（b）所示。后壁平面與水平面之間的夾角為后壁傾角[33]，后壁傾角由公式（2）計(jì)算，可記為 θ，如圖11（a）所示。后壁面與孤立巖體所有點(diǎn)之間的最大垂直距離為最大高差，見圖11（b）。孤立巖體的最大高差可依據(jù)公式（3）進(jìn)行計(jì)算。

圖11 異型滑移式塊體的后壁傾角與最大高差計(jì)算Fig.11 Calculation of the rear wall inclination angle and maximum height difference of profiled blocks

式中：θ——后壁面傾角；

式中：?H——孤立巖體最大高差；

Ai——第i個(gè)對應(yīng)的投影點(diǎn)云；

Bi——孤立巖體的第i個(gè)原點(diǎn)云。

2.3.2 危巖體定性

得到了巖體點(diǎn)云模型的各種空間特征后，要判斷提取的異型滑移式塊體是否為危險(xiǎn)巖體[34-35]，則應(yīng)結(jié)合穩(wěn)定系數(shù)（K）進(jìn)行定性判斷。穩(wěn)定系數(shù)是定性判斷沿后壁平面滑移破壞的危巖體的常用依據(jù)[36]。其公式已廣泛應(yīng)用于單滑移面危巖體穩(wěn)定性試驗(yàn)領(lǐng)域。利用《中華人民共和國新能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中《水電工程危險(xiǎn)巖體工程地質(zhì)調(diào)查與治理規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）對K進(jìn)行計(jì)算和評價(jià)，如表1。

表1 單平面滑動巖體穩(wěn)定性評價(jià)Table 1 Stability evaluation of single-plane sliding rock mass

對于每一個(gè)可能的危險(xiǎn)巖體對象，自動依次計(jì)算其對應(yīng)的后壁面積、后壁傾角和塊體方量，并對結(jié)果進(jìn)行綜合的穩(wěn)定性分析。穩(wěn)定性系數(shù)可依據(jù)式（4）計(jì)算。

式中：Q——異型滑移式塊體的重量/N；

α——后壁的傾角/（°）；

φ——后壁滑動面的內(nèi)摩擦角/（°）；

c——黏聚力/MPa；

S——異型滑移式塊體的滑動面積/m2。

2.4 危巖體危害性評估

應(yīng)用安全系數(shù)判斷異型滑移式塊體是否為危巖體后，還需要綜合評價(jià)危巖體方量和最大高差的特征[37]，以確定這些危巖體的危險(xiǎn)等級和危害性，其中《規(guī)范》提供的危巖體規(guī)模分類依據(jù)如表2 所示。

表2 水電工程危險(xiǎn)巖體規(guī)模分級Table 2 Scale classification of dangerous rock mass in hydropower projects

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)據(jù)采集與異型滑移式塊體識別

通過精細(xì)化地面模擬航路設(shè)計(jì)、無人機(jī)貼近攝影測量、多圖像三維智能建模等步驟重建獲得玉龍喀什水利工程左岸500 m 以上邊坡的高精度三維點(diǎn)云模型信息（圖12）。考慮到玉龍喀什水利樞紐孤立巖體多為異型滑移式塊體，研究以左岸1 塊危巖體密集的區(qū)域進(jìn)行危巖體半自動提取試驗(yàn)。

圖12 左岸整體點(diǎn)云，左岸樣本區(qū)區(qū)域Fig.12 Overall point cloud on the left bank and sample area on the left bank

在軟件CloudCompare 內(nèi)依據(jù)異型滑移式塊體與邊坡面的接觸邊界特征將該樣本區(qū)可能的異型滑移式塊體點(diǎn)云模型切分出來，如圖13（a）。

圖13 異型滑移式塊體點(diǎn)云模型提取Fig.13 Point cloud model extraction of profiled blocks

共提取出5 塊異型滑移式塊體（L1，L2，L3，L4，L5）見圖13（b），所有的塊體均具備明顯的邊界特征。此外，為了減少計(jì)算成本，對點(diǎn)云進(jìn)行下采樣。圖14（b）為塊體L1 下采樣后的點(diǎn)云（采樣前點(diǎn)云個(gè)數(shù):10 486 631，采樣后點(diǎn)云個(gè)數(shù)：1 171 753）。

圖14 異型滑移式塊體下采樣Fig.14 Downsampling of profiled block

3.2 精確特征提取與危巖體定性

以塊體L1 為例，對于切分出的異型滑移式塊體點(diǎn)云模型，使用點(diǎn)云密度與密度變化特征提取后壁平面邊緣點(diǎn)云見圖15（b），這類點(diǎn)可近似處地于后壁平面上。

圖15 依據(jù)點(diǎn)云密度提取的異型滑移式塊體后壁平面邊緣點(diǎn)云Fig.15 Edge point cloud of the rear wall plane of profiled blocks extracted based on point cloud density

圖15（b）中藍(lán)色點(diǎn)為通過點(diǎn)云密度分析所提取的后壁平面邊緣點(diǎn)云，其表現(xiàn)為一圈閉合的邊界。而灰色點(diǎn)為塊體點(diǎn)云的其他部分。五塊異型滑移式塊體點(diǎn)云邊界準(zhǔn)確模型見圖15（a）。利用最小二乘法將點(diǎn)云擬合為平面方程，此平面為巖體破壞時(shí)可能的滑動面（見圖16）。

圖16 最小二乘法的后壁平面擬合Fig.16 Rear wall plane fitting using the least square method

根據(jù)《規(guī)范》，應(yīng)確定異形滑塊的后壁傾斜度、后壁面積與方量三項(xiàng)特征，以判斷和評價(jià)危巖體。以異型滑移式塊體L1 為例，對L1 點(diǎn)云邊界應(yīng)用最小二乘法得到平面方程，由式（4）計(jì)算后壁面與水平面的法向量夾角，即后壁面傾角。將L1 點(diǎn)云垂直投影到后壁上，計(jì)算原始點(diǎn)與投影點(diǎn)之間的歐氏距離。最大距離對應(yīng)于L1 的最大高差（見圖17）。

圖17 異型滑移式塊體L1 的后壁平面和點(diǎn)云投影Fig.17 Rear wall plane and point cloud projection of profiled block L1

L1 的面積和體積可以使用Alpha Shape 算法和Stokes 積分計(jì)算。圖18（a）中的紅色點(diǎn)云表示通過Alpha Shape 算法提取的異形滑動塊的后壁有向的精細(xì)邊界。該邊界將用于計(jì)算后壁面積。此外，圖18（b）描繪了異形滑塊外表面的三角形包絡(luò)網(wǎng)絡(luò)，將用于計(jì)算塊體的體積。

圖18 Alpha Shape 算法分別計(jì)算異型滑移式塊體的后壁面積與體積Fig.18 Alpha Shape algorithm for separate calculation of the rear wall area and volume of profiled block

如表3 所示，采用提出的方法確定各異形滑塊的后壁傾角、后壁面積、巖石體積和最大高差。

表3 異形滑移式塊體特征數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical analysis of characteristic data for profiled blocks

通過工作人員的現(xiàn)場調(diào)查，可獲得現(xiàn)場大部分巖質(zhì)邊坡危巖體以及后壁平面的物理力學(xué)參數(shù)（如表4）。進(jìn)一步，對所有識別出的異形滑塊進(jìn)行穩(wěn)定性K計(jì)算，從而判斷其是否為危險(xiǎn)巖體（如表5），可以看出，除了L5 以外均為危巖體。

表4 異形滑移式塊體物理力學(xué)參數(shù)Table 4 Physical and mechanical parameters of profiled block

表5 危險(xiǎn)巖體穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算與定性Table 5 Calculation and qualitative characterization of stability coefficient of dangerous rock mass

3.3 危巖體綜合評價(jià)

在本研究中，在提取了試驗(yàn)區(qū)的危巖體后，還需要對危險(xiǎn)巖體的危險(xiǎn)性等級進(jìn)行確定和評價(jià)。孤立巖體的穩(wěn)定性和危險(xiǎn)等級應(yīng)結(jié)合穩(wěn)定性系數(shù)、巖體體積和最大高差來確定。為了定量評價(jià)危險(xiǎn)巖體的危險(xiǎn)性，結(jié)合危險(xiǎn)巖體的體積和高差特征對《規(guī)范》進(jìn)行了評價(jià)。

如表6 所示，本研究在試驗(yàn)區(qū)發(fā)現(xiàn)了一系列小山梁狀危巖體，體積均在2 000 m3左右，屬大型的單平面滑動危巖體，危巖體最大高差在7～15 m，其中L4 高差為14.53 m。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，這些危險(xiǎn)巖體已被爆破拆除。

表6 危險(xiǎn)巖體與巖體體積評價(jià)Table 6 dangerous rock mass and rock mass volume evaluation

3.4 適用性討論

（1）方案沒有考慮詳細(xì)的地質(zhì)參數(shù)。由于本研究的重點(diǎn)是快速識別危險(xiǎn)巖體并提供初步評價(jià)，因此沒有將巖體的具體地質(zhì)特征作為依據(jù)。在未來的研究中，將自動識別過程與詳細(xì)的地質(zhì)參數(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)巖體更精細(xì)的評價(jià)。

（2）本研究只考慮了危巖體的單平面滑動的破壞模式，沒有對其他滑動模型進(jìn)行研究。這主要是由于研究區(qū)內(nèi)普遍存在沿單一平面滑動的巖體。目前提出的半自動識別模型僅能提取沿后壁平面滑動的巖體。在未來的研究中，該模型將進(jìn)一步擴(kuò)展，以包含識別具有各種失穩(wěn)和破壞模式的危巖體。

4 結(jié)論

本研究基于無人機(jī)貼近攝影測量技術(shù)與點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)處理算法，對玉龍喀什水利樞紐工程左岸邊坡一塊巖體密集區(qū)進(jìn)行了初步的快速地質(zhì)勘察，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)區(qū)邊坡點(diǎn)云模型重建、異型滑移式塊體提取、穩(wěn)定性分析等目標(biāo)。該方法在快速獲取高精度邊坡數(shù)據(jù)、智能提取三維異型滑移式塊體、準(zhǔn)確計(jì)算三維特征、評估危險(xiǎn)巖體等方面相對于傳統(tǒng)方法具有一定的優(yōu)勢。本文提供了從數(shù)字邊坡模型獲取到危險(xiǎn)巖體識別和初步評價(jià)的解決方法。為邊坡工程數(shù)字化奠定一定的研究基礎(chǔ)。研究得出了如下的主要結(jié)論:

（1）結(jié)合無人機(jī)貼近攝影測量、GNSS 實(shí)時(shí)動態(tài)差分定位技術(shù)，以及自主設(shè)計(jì)的三次精細(xì)綜合無人機(jī)飛行路線規(guī)劃和手控校驗(yàn)，可為航空三角測量和建模提供分辨率優(yōu)于1 cm 的圖像，解決了由于高差較大而產(chǎn)生模型畸變的問題。

（2）利用最小二乘法和Alpha Shape 計(jì)算異形滑塊的后壁傾角、后壁面積、方量等特征數(shù)據(jù)，確定異形滑塊的穩(wěn)定系數(shù)。從計(jì)算結(jié)果可以看出，試驗(yàn)區(qū)大部分塊體為危險(xiǎn)巖體（K<1.05），只有1 個(gè)塊體為穩(wěn)定的異型滑移式塊體（L4:K=1.42），解決了人工調(diào)查危巖精度較低的問題，與現(xiàn)場穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果一致。

（3）對識別出的異形滑塊進(jìn)行特征計(jì)算，可快速初步確定危險(xiǎn)巖體的危險(xiǎn)等級。采用高差和體積相結(jié)合的方法對危險(xiǎn)巖體進(jìn)行評價(jià)。其中危害性最大的是一塊大型危巖體（L2），高差為10.60 m，體積為2 398.60 m3，對危巖體的提取與準(zhǔn)確的評價(jià)為邊坡工程的數(shù)字化奠定了一定的基礎(chǔ)。