无人机技术在超高位危岩勘查中的应用

王 栋, 邹 杨, 张广泽, 侯伟龙, 邓 辉

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2．中铁二院工程地质创新工作室,成都 610031)

超高位危岩是大高差地区、高原地区铁路、公路等带状工程的重要地质灾害之一，这类区域地形高差达1 km。高差>100 m的危岩称为超高位危岩，其受卸荷、寒冻风化等地质作用影响极大。铁路沿线的危岩落石区大多具有山体陡峭、地质环境复杂、勘查工作难度大、危险性高[1]等特点。传统的陡坡危岩中结构面的信息获取以罗盘、皮尺等工具勘测为主，且局限于人员可以到达处才能进行测量。受现场条件(如高陡边坡)限制，获取的信息不够全面，使得表征现场岩体裂隙分布规律所依赖的基础数据不齐全而影响对岩体稳定性分析评价工作[2]，并且存在野外工作量大、成本高、效率低、安全隐患大和精度低等问题。随着高速铁路工程精度要求越来越高以及拟建铁路区域地形地质条件愈加艰险复杂，如川藏铁路、渝昆高铁、贵南高铁等复杂山区高速铁路的修建，接触式勘查的弊端更加凸显无疑，因此非接触式陡坡危岩勘查技术对于铁路陡坡危岩勘查工作来说非常有必要。随着电子技术的飞速发展，轻型无人机在远程遥控、续航时间、飞行品质上有了明显的提高[2]。能同时搭载GPS传感器和高像素相机的无人机能在许多地形陡峻的地区进行飞行及数据采集工作，通过对带有GPS定位信息的高清像片进行空间三角测量解算，对铁路安全有威胁的高陡边坡的三维点云数据模型，最后地质人员在后期处理软件中可通过判识，对危岩体几何参数进行测量、计算，得到岩体结构面产状，并通过结构面间的空间组合关系计算得到危岩体体积，从而基本代替人力勘查，对大高差山区危岩勘查工作具有极大的价值。

1 无人机三维点云数据获取

1.1 基本原理

无人机低空摄影测量是以无人机为飞行平台搭载传感器设备获取地面信息的遥感方式[3]。无人机对陡坡危岩进行多航线多点拍摄，在保证重叠率和分辨率的情况下，获取陡坡危岩不同角度且含有拍摄点坐标信息的数码相片，通过倾斜摄影测量建模方法可以快速地构建出航测区的实景模型，360°全方位展现危岩体与周边环境[4]。模型不仅具有色彩信息(RGB)，同时也含有坐标信息，专业地质人员可以在点云数据模型上对危岩体进行判识，对危岩体的大小、结构面特征进行测量计算，得到危岩体的几何、空间和地质特征。可对危岩的失稳率、崩塌后的运动轨迹及能量进行计算，为处理措施、支护设计提供参数[5]。

1.2 倾向格栅航线规划

高山峡谷地区高差大、气流异常紊乱，加大了无人机航摄线路设计的难度，致使无人机的姿态相较一般区域差很多[2]，影响数据精度。采用传统正摄影像拍摄时，飞行高度大，定焦拍摄时由于高差大导致不同区域清晰度相差较大，临空优势结构面信息损失大，后期相控点校正后也无法识别。通过大量山区现场试验及数据整理，总结出一套“倾斜栅格航线”数据采集法，即保证每条规划航线与地形间的相同高差，无人机与所拍摄的陡坡的距离大体相同，保证在不同航线上所拍摄的陡坡照片有基本相同的分辨率；但有时栅格航线也会根据具体问题进行变高度设计(图1-B)。

图1 航线规划示意图Fig.1 Diagram showing route planning

2 高位危岩体空间信息提取

在所生成的陡坡三维点云数据中，每个点数据都具有计算得到的三维坐标，借助这些点云数据，利用ploywork点云数据处理软件，可以对危岩体的多种几何特征进行测量，例如几何参数、距离(水平、垂向、两点间、任意方向)、角度(水平、垂向、任意)、半径及方位角等等[2]。在特征点的选取过程中，应特别注意特征点所在面的粗糙度、间距等[6]。也可以将结构面进行组合，来确定危岩体边界，计算危岩体的体积。相对于传统测量来说，三维实景测量技术求解结构面方位和规模信息是更加先进的方法，可以创建快速的地质信息交流和反馈环境，提高地质纪录的效率，降低岩体结构面信息采集不完整及数据信息丢失的可能性，有效地帮助地质工作者鉴定地质特征；在已完成工作面节理图像的基础上，预测未完成工作面上弱面的位置和方向，并采集岩体空间位置数据。由于采用非接触性测量，可同时获取岩体大量标志点信息[7]。

2.1 结构面信息提取

岩体结构面是沿空间展布具有一定起伏度的“面”，在一定空间范围内可以将其看作是一个平面[4]，通过获取的点云数据来拟合出这个面，而这些平面都对应着明确而唯一的平面方程，因此可获取其岩体结构面空间参数，即产状。使用无人机摄影测量，精确、高分辨率地进行露头的三维重建和结构数据的提取[8]，然后在重建平面上选取不在同一条直线上的3个点来拟合预测结构面，最后通过3个点的三维坐标换算出结构面产状[9]。特征点选取原则为:①点数≥3，点位的选取能最佳表征岩体结构面;②采用三点法计算产状时,逆时针方向采点且构成三角形范围越大越好,三角形内角最好介于30°～150°,形状越接近等边三角形越好[7]。利用选取的特征点拟合平面来表述结构面,获得拟合平面的一般式方程

Ax+By+Cz+D=0

(1)

其中A、B、C、D分别为平面方程参数(A、B、C为该平面法向量坐标n={A,B,C}，且三者不能同时为零)。

在明确了几何意义后，根据平面的一般式方程，利用地质结构面产状的定义，可以推导出结构面产状参数的计算公式。

当3个参数都不为“0”时

(2)

10月份，上海市石化行业无论是产值还是利润均呈下降走势。临近岁末，预计上海市石化行业经济运行仍处于收缩态势，需求总体呈下降趋势，化工市场难有好的表现，上海市石化行业完成全年预期目标面临严峻挑战。唯有直面下行压力，采取措施积极应对诸多不确定因素，加大调结构、促增长、保稳定的力度，促进经济平稳运行，在今年最后两个月，全力冲刺，方能确保全年任务完成。

(3)

(4)

(5)

式中E、S、W、N分别为地理方位东、南、西、北。以上公式讨论的是结构面3个参数均不为“0”的情况。而在平面参数A、B、C存在为“1”或者“0”的情况时，结构面的地质产状是水平或者垂直发育的。通过在危岩三维点云中进行结构面拟合即可计算出优势结构面产状。

2.2 高位危岩体积计算

传统的高位危岩体积测量中，仅仅测量某块危岩的长、宽、高，从而计算体积，由于测量方法受限，往往忽略了结构面的组合关系。崩塌体的规模是由主控结构面空间组合、间距和延展特性综合决定的[2]。传统勘查手段很难准确获取高位危岩体结构面产状信息，故无法准确计算崩塌体的体积。无人机摄影测量技术可以准确获取危岩体空间结构特征，其计算危岩体积方法可分为以下2种。

2.2.1 结构面组合体积测量

危岩结构面组合体积测量理论有如下几个基本假定：①结构面为贯穿岩体的平面，使结构面产状可由实景模型测量获得；②切割形成的块体为刚体，不考虑块体本身破坏；③岩体失稳是在荷载作用下沿结构面产生剪切滑移[10]。图2是无人机采集危岩三维空间模型。其受4组结构面控制，对拟合出的结构面进行分组得出主控结构面，将主控结构面进行延展，通过空间组合关系来计算危岩规模(图3)。该块状岩体主要受到结构面JA和结构面JB的切割作用，在下方形成临空面，通过将结构面JB延伸至结构面JD所在平面，就可组合切割出由JA、JB、JD围成的危岩体；再通过ploywork点云处理软件便可获得拟合的不规则危岩的体积

图2 危岩体三维点云模型Fig.2 UAV 3 dimensional model for the dangerous rock

图3 切割危岩体结构面组合Fig.3 Structural plane combination of cutting dangerous rock

。

2.2.2 假定后缘断裂面计算体积

图4 不规则危岩体积计算Fig.4 Volume calculation of irregular critical rock

3 工程应用实例

3.1 工程概况

成昆铁路吉尔木隧道所在位置属于高山峡谷地貌，受尼日河深切，海拔高度 1 025～2 150 m，自然坡度5°～35°，局部较陡。隧道出口仰坡地形陡峻，基岩裸露，下伏基岩为上震旦统灯影组(Zbd)白云岩、白云质灰岩等，陡倾节理、裂隙发育。隧道出口竹儿沟沟底海拔高度为 1 490 m，坡顶海拔高度为 2 580 m，相对高差超过1 km。斜坡上岩体因断裂作用形成了大量的危岩落石，风化作用产生的碎屑堆积体欠稳定，部分高陡坡的勘查现场人无法到达(图5)。

3.2 地形测量

应用无人机危岩勘查技术对吉尔木隧道出口高边坡进行勘查(图5)，共飞行3架次，对危岩左右两侧及后缘分别进行倾斜摄影测量数据采集工作；并通过PIX4D软件进行建模，得到该边坡的三维地质模型，在该模型上进行了必要的地质信息的解译和获取。图6为通过三维点云数据获取的高精度DEM、DOM和DSM等数字成果，进而生成的等高线和地形剖面。相比传统的地形测量，得到了更为精细的危岩落石区等高线图，可以更好地对工程布置提供地形资料。

3.3 岩体结构面识别

通过无人机三维建模后的数据分析，获得边坡结构面的产状、迹长和间距如表1所示。解译结果表明该边坡内主要结构面有3组，各组结构面的几何参数如表1所示。

图5 工程区三维模型Fig.5 Three dimensional model of engineering area

图6 三维等高线图Fig.6 Three dimensional contour map

3.4 危岩体结构面组合体积测量

通过对吉尔木隧道进行无人机测量数据三维建模，在三维模型中对隧道出口边坡上部和顶部的岩体结构进行识别，通过判识及结构面组合分析，共获取了39个危岩体的体积。对边坡区危岩体体积进行统计，结果表明：危石共有7个，体积为0.1～0.5 m3；小型危岩体14个，体积为1～10m3；中型危岩体14个，体积为10～56 m3；大型危岩体4个，体积为127～424 m3：危岩体体积均值为35 m3，集中分布在隧道左侧上方的拉张裂缝区(表2)。

表1 危岩体结构面几何参数解译成果Table 1 Interpretation of geometric parameters of structural plane by UAV

通过工程实例分析可知，无人机开展高位危岩体勘查的总体流程为：无人机航线规划→获取危岩体高清影像数据→软件解算生成三维点云数据→软件地质信息解译→危岩体稳定性分析。借助于无人机危岩勘查技术，可以较好地测量高陡危岩区的地形，能在地形图中反映较多的微地貌，有利于危岩落石的判别。三维点云数据的获取可以高效准确地获取高陡危岩的真实结构面信息，从而通过结构面组合分析可以较好地判别危岩失稳后的体积，为防治方案提供依据。

表2 危岩体积解译结果Table 2 Interpretation result of dangerous rock volume

4 结 论

无人机危岩勘查技术相比传统的危岩落石勘查技术具有多方面的优势。

a.精度高。无人机危岩勘查技术可提取落石空间信息，如空间坐标、体积、结构面信息，对危岩落石稳定性由传统的定性评估提升到定量评估，可以更好地对危岩落石处置设计提供指导。该方法可对任何部位的危岩进行结构面产状分析，无需进行类比或者借鉴。

b.危岩基础数据更全面。可对危岩上下左右任何角度进行分析，也可发现高陡危岩后缘的卸荷裂隙，为判断危岩的稳定性提供全面的数据。

c.可回溯性强。一次性获取危岩落石工点的三维点云数据后，地质人员可反复通过模型进行工作，无需再到现场进行重复勘查。

d.效率高。无人机危岩勘查技术相较于传统接触式勘查法，大幅度降低了野外勘查工作强度，将更多的工作转化为室内解译，提高了危岩落石勘查的工作效率。

e.安全性好。在大高差险峻山区，采用无人机危岩勘查，无需地质勘查人员去攀爬陡峭、险峻的山崖，保证了勘查人员的人身安全。