基于无人机融合建模的危岩运动模拟及影响区划分

摘要：

危岩坠落受多种因素影响，具有不确定性，研究危岩的潜在受灾区域并区分不同影响程度能够为灾害防治提供数据支撑。以广西南宁市内庄屯危岩为例，基于倾斜与贴近摄影融合建模技术构建三维模型，精准获取岩体结构信息及危岩体特征信息；并通过三维数值模拟对危岩的运动路径、运动过程、实时动能及弹跳高度进行研究，根据多次模拟结果提出了将潜在受灾区域进行影响区划分的方法。研究表明：融合建模有效提高了陡立山体细节特征的可视性，更利于危岩运动模拟参数的精确提取；基于多次模拟结果分析，可以确定潜在受灾区域；影响区划分方法能够进一步将潜在受灾区进行简易、快速的区域划分。研究结果对高陡危岩体的调查具有参考意义。

关" 键" 词：

高位危岩； 融合建模； 倾斜摄影； 贴近摄影； 数值模拟； 落石分区

中图法分类号： P231;P642.2

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.018

收稿日期：

2023-12-29

；接受日期：

2024-04-19

基金项目：

国家自然科学基金项目（42072306）

作者简介：

刘兵兵，男，硕士研究生，主要从事摄影测量与工程地质方面的研究。E-mail：1749910575@qq.com

通信作者：

吴" 福，男，正高级工程师，硕士，主要从事地质环境监测、地质灾害防治方面的研究。E-mail：1404630357@qq.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2024） 07-0138-07

引用本文：

刘兵兵，吴福，刘昶，等.

基于无人机融合建模的危岩运动模拟及影响区划分

［J］.人民长江，2024，55（7）：138-144，159.

0" 引 言

斜坡上已有变形迹象、具有失稳破坏征兆的岩块体，称为危岩［1］。近年来，中国发生了多起危岩失稳导致人员伤亡、公路河道堵塞、堤坝损毁等事件，如2018年7月，湖南省张家界大峡谷景区发生岩体滚落，使4名游客受伤，2名游客死亡；2021年3月，四川省乐山市峨边县发生巨石滚落事故，导致村民3人受伤，1人被埋；2022年7月27日，三峡库区奉节县瞿塘峡吊嘴危岩发生崩塌坠入长江，溅起水花高约25 m，所幸无过往船只被击中。高位危岩具有地面高差大、突发性强等特点［2］，通过人工难以接近进行精细化调查，如何查明危岩体特征信息并预测失稳后的受灾区域一直是危岩调查研究中的重点。

随着无人机技术的迅猛发展，国内外采用无人机摄影测量进行三维模型构建，基于模型对危岩开展调查的方式被众多学者所采用［3］，如Yan等［4］利用无人机摄影测量开发了一种新的半自动危险岩块的提取方法，能够自动获取识别块体的位置、几何参数和稳定性结果；郑红霞等［5］基于贴近摄影测量技术提出了一种自动识别岩层剖面特征点进行岩层面重构的方法；Vasuki等［6］利用无人机摄影测量技术采集地质结构体上的影像信息，通过采集的影像信息，基于图像处理技术，半自动化提取出岩体表面结构面的产状。以往多数研究者采用倾斜摄影测量技术进行数据获取，而贴近摄影测量技术提出之后，也有学者将贴近摄影测量技术应用到岩体特征信息的调查中来，如孙琦等［7］基于贴近摄影技术研究了采样尺寸、采样间距对结构面粗糙度评价结果的影响。经实践表明，无论是倾斜摄影或贴近摄影技术均存在一定的缺陷［8］，如倾斜摄影在陡立面山体容易出现拍摄盲区，导致模型出现空洞拉花等不良现象［9］；贴近摄影在植被发育区近距离飞行时易造成无人机坠机现象［10］。将两种技术结合能够弥补单一技术采集的不足，但利用倾斜与贴近技术进行融合建模的研究尚少。

基于三维模型的落石运动特征模拟结果更加准确直观。对于落石运动特征的研究，国内学者常采用数值模拟的方法，其中二维模拟软件有Rockfall、二维离散元UDEC等，三维软件有Rockyfor3D、Unity3D等。王豪等［11］基于Unity3D平台研发了可以输出运动轨迹、速度、能量及弹跳高度的崩塌运动过程模拟软件；吕权儒等［12］利用Rockfall软件模拟崩落体失稳后的滚落运动特征，并划分出不同级别的崩塌影响区，为最终的防治提供依据。但以上多数研究止步于确定出危岩潜在受灾区域。为了能够给灾害治理提供更加详细的数据支持，对潜在受灾区域进行不同影响程度的区域划分方法还需进一步研究。

本文以南宁市马山县内庄屯房屋后陡立山体危岩为研究对象，通过倾斜与贴近摄影融合建模技术获取了该地的精细化三维模型，基于三维模型对岩体结构面特征及危岩体特征信息进行提取，利用崩塌模拟软件MSRA-3D对其动力学进行分析，并根据多次模拟结果将危岩失稳后可能造成的受灾范围进行不同影响程度的划分，以为后期危岩防治工程设计提供可靠的数据支撑。

1" 研究区概况

研究区位于南宁市马山县福兰村内庄屯房屋后山体（图1），该地属于峰丛洼地地貌区，峰丛基座相连，峰顶多呈锥状，相对高差约300 m，山体中下部坡度为40°～50°，中上部为80°～90°，危岩多分布于山体陡立面处，调查人员难以靠近。出露地层岩性为泥盆系中统东岗岭组（D2d）灰岩和第四系溶余堆积（Qedl）。泥盆系中统东岗岭组灰岩呈灰色，中—厚层状，雨量充沛，风化溶蚀作用明显，溶漕、溶隙、溶沟发育；第四系溶余堆积黏土分布于洼地及周边，棕黄、灰褐色，厚度0～5 m，研究区南侧200 m左右发育有一不明性质断层，长约25 km，走向北西。

2" 倾斜与贴近摄影技术融合建模

2.1" 原理概述

倾斜摄影测量技术是通过在同一摄影平台上搭载多台传感器，从5个不同的角度进行数据采集，快速、高效地获取丰富的数据信息［13-14］，但由于拍摄时飞行高度较高，在拍摄有岩体突出的陡崖数据时，在凹陷处容易出现拍摄盲区（图2），从而在模型生产时会出现空洞、拉花、粘连等现象。而贴近摄影测量技术是正对物体表面进行拍摄［15］，能够有效弥补倾斜摄影拍摄时的盲区空白，且其飞行时距离物体较近，能够获得更加清晰的影像数据。将贴近摄影对倾斜摄影进行拍摄补充，不仅在建立模型时能防止空洞等缺陷的出现，而且能提高重点区域的精细度（图3），后续基于模型的信息提取结果也会更加完整、准确。

2.2" 数据采集及模型建立

2.2.1" 影像数据采集

研究区数据采集选取大疆精灵4 RTK无人机，采集工作分为两步：

（1） 对研究区整体范围开展倾斜摄影，将倾斜摄影所获得的高清影像照片利用大疆智图软件进行快速处理，生成粗模。此时的模型在陡崖处由于拍摄盲区可能会出现一些拉花、空洞等缺陷。该步骤的意义在于完成非重点区域的航测工作，找到模型缺陷位置，以及为贴近摄影提供基础地形。

（2） 根据粗模确定基岩出露及有模型缺陷的重点区域，然后规划贴近摄影飞行航线并开展正对坡面的摄影工作，贴近摄影的方式分为自动飞行和手动飞行，自动飞行是根据粗模及航线规划软件进行航线绘制，该种方法的优点在于能够保证无人机飞行期间的重叠度要求，避免出现漏拍现象，缺点是需要避免直立面杂生的植被影响，注意无人机的飞行安全。手动飞行则是飞手全程控制无人机飞行并定点拍摄，十分考验飞手的专业能力，但能够根据现场条件对飞行轨迹及时做出调整。本次贴近摄影由于重点区域数量多、面积小，采用手动飞行方式，两次飞行共计获取高清影像2 633张。

2.2.2" 三维模型构建

导出无人机获取的高清影像数据，通过影像数据内置POS信息及高清影像信息，利用ContextCapture软件进行空三解算、融合拼接等关键步骤，得到研究区的融合三维模型。图4展示了该模型陡立面易出现拍摄盲区，未出现拉花、空洞等明显模型缺陷，符合危岩信息提取的要求。

3" 岩体特征调查及稳定性评价

3.1" 岩体结构面特征识别

3.1.1" 结构面产状计算原理

结构面特征包括结构面的组数、产状、迹长、间距及粗糙度等。结构面的分布、产状信息等参数能够体现出岩体的裂隙特征，分析结构面的分布及组合关系能够了解岩体的断裂模式、滑动模式等变形特征，从而评估岩体可能发生的破坏形式和规模。对于结构面产状信息提取，传统方法是现场使用罗盘等工具进行直接测量，但对于高陡危岩体结构面产状信息由于地质工作人员难以接近，无法精准测量［16］，在实景三维模型上直接进行结构面产状信息的测量及统计，能够有效解决人上不去的难题，为解决高陡地区对危岩稳定性研究的阻碍提供新的思路和方法。基于三维模型的结构面产状信息量测，是根据三维模型上的每一点都具有坐标信息，在平面上选取不在同一条直线上的3个特征点，来进行拟合平面，从而确定倾向倾角，简称为“三点法”，其原理如下：

首先设结构面拟合平面方程式为

Z=AX+BY+C

（1）

式中：A、B、C为拟合平面方程参数，且A、B不同时为0，该平面法向量为n=［A，B，1］

然后采用最小二乘法解算得出A、B、C的值：

ABC=X1Y11X2Y21X3Y31-1Z1Z2Z3

（2）

根据结构面产状与平面方程参数的对应关系可以求得倾角α和倾向β：

α=arctan（" A2+B2）

（3）

β0=arctanBA

（4）

当A＜0时，

B≤0，β=β0

B＞0，β=β0+π

（5）

当A＞0时，

β=β0+π

（6）

由此即可求出倾角α和倾向β［17］。

3.1.2" 岩体结构面参数及精度验证

研究区以灰岩出露为主，溶蚀风化强烈，岩层产状为95°∠10°，主要发育两组陡倾结构面，第一组结构面产状为28°～45°或180°～210°∠79°～88°，该组结构面走向与陡崖延伸方向近于平行，表面平直粗糙，贯通性好，发育较广泛；第二组结构面产状为90°～110°或270°～300°∠80°～89°，该组结构面表面平直光滑，贯通性较好。

为验证模型量测产状信息的准确性，笔者在数据采集期间从研究区易于到达处选取4个点位分别按照传统方法使用罗盘进行产状信息量测，将罗盘量测结果与模型量测结果进行比较，模型测量结果与罗盘测量结果倾向倾角测量误差均在3°以内（表1），满足工程精度要求。

3.2" 危岩识别及失稳模式分析

基于三维模型，可以从各个角度直观地对研究区域进行目视解译，优质的三维模型，使得岩体的细节能够更清晰地被观察和发现，有助于发现更小的裂缝、节理等特征，通过分析岩层的形态、结构、倾向、倾角等特征，并结合岩体临空面、裂隙发育等条件能够快速识别危岩，危岩编号及位置见图5。

危岩体的失稳模式即危岩的破坏模式，是其稳定性研究及治理措施研究的基础［18］。由于分类角度、调查区域不同，危岩体失稳模式存在多种分类方案。陈洪凯等［1］根据危岩失稳破坏的可能模式，将危岩分为坠落式、滑移式、倾倒式3种（图6），其中坠落式危岩通常具有良好的临空面，处于悬空或悬挑式的岩体由于发生拉断、切断而发生坠落；滑移式危岩通常在岩体与母岩之间发育有软弱结构面，危岩沿软弱面滑移，于陡崖（坡）处塌落；倾倒式危岩多发育在黄土、直立或陡倾坡内的岩层处，后缘发育裂隙逐渐扩张，危岩绕转动点转动发生倾倒塌落。

随着三维模型在地质灾害调查方面的应用发展，利用EarthSurvey软件，对危岩高度、空间尺寸等参数进行快速量测，依据危岩体裂隙及受力状态，判断危岩破坏特征及失稳模式，提取参数及失稳类型见表2。

3.3" 岩体稳定性分析

3.3.1" 稳定性分析方法

赤平投影能够有效地表示空间结构面之间的关系［19-20］，因此可以方便地用于边坡结构体的分析。大圆分析法是将各结构面产状以大圆表示的分析方法。该方法根据每组结构面在赤平投影平面上的投影大圆或每两组结构面大圆组合形成的交线，与坡面在该投影平面上投影大圆和以及摩擦圆的相对位置来对其稳定性做出判断［21］。若代表结构面的大圆或两组结构面大圆的交线小于边坡面的倾角且都在摩擦圆中时，如图7中结构面1和结构面2的交线，则认为该结构是潜在不稳定的。

3.3.2" 危岩稳定性分析

本文通过三维模型拾取坐标，采用三点拟合平面法量测得WY1两组主要控制节理产状信息及坡面产状信息，其中节理产状为J1：189°∠81°，J2：283°∠83°，坡面产状为192°∠83°。并根据南宁市相关地质勘察资料，确定该处岩体内摩擦角φ取值为30°，在赤平投影图中进行结构面组合分析，结果如图8所示，J1、J2两组节理的交点倾角小于坡面倾角且在摩擦圆中，易发生滑动，处于潜在不稳定状态。

4" 危岩运动特征模拟及风险区域划分

为研究危岩失稳后的运动过程及影响，本文以WY1为例，采用崩塌运动全过程模拟软件MSRA-3D对其动力学进行分析研究，该软件能够三维展示岩体失稳后的运动路径，输出运动过程中岩体在不同位置上的速度、动能、弹跳高度等信息，能够为灾害防治工程设计提供支持［12］。

4.1" 模型建立及参数设置

模拟所采用的坡体数据为前文通过无人机技术融合建模所得到的三维模型，通过数据转换输出FBX格式的模型，可直接导入使用。坡体表面特征参数参考广西壮族自治区地方标准DB 45/T 1696-2018《危岩防治工程技术规范》，并通过已有落石情况进行反演测试，多次微调系数直至模拟结果与已有落石情况相符，有效保证后续模拟结果的准确性。最终动摩擦系数、静摩擦系数、恢复系数取值见表3。固定关节断裂力阈值参考以往工程相同岩性实验数据确定。危岩体数据则是根据前文所提取的岩体结构面特征、危岩体特征等信息来确定危岩体模型的形状、尺寸、空间位置、空间姿态。

4.2" 落石运动特征

在整个运动过程中，受结构面切割的危岩脱离母岩后，首先在重力作用下发生坠落运动，再与坡面发生多次碰撞弹跳，最后进行滚落运动，运动轨迹及速度如图9所示（此处仅展示WY1的模拟结果）。输出运动过程中的运动路径、实时动能、弹跳高度等计算结果，如图10所示（此处仅展示WY1的计算结果）。根据模拟结果分析可知，该危岩在极端天气下一旦发生坠落，若不加以防护，有击中房屋的危险，对居民安全造成严重威胁。

4.3" 落石风险区划

通过多次模拟结果可以确定落石可能造成的灾害范围，本文提出了一种将灾害范围进行不同影响区域划分的方法，分区结果在后期灾害防治等多个方面具有参考价值。

4.3.1" 影响区域划分方法

不同影响区域划分需要有明确的划分规则，用来确定其比例或范围，但如果根据某一坡形进行实验分析，则缺乏了划分规则的普适性。为此，本文提出用理

想化模型去研究落石停靠位置的分布规律，以求能从中获取启发。所谓理想化模型，即指岩体坠落区域是一片平地，无高大树木或群集房屋等障碍物，不影响落石的运动轨迹，由于岩体的倾向、大小、高程等信息在多次实验中不发生变化，且受上述条件控制，岩体坠落后一定有一个最佳理论位置，如图11（a）中蓝色的点。当实验的次数达到一定数量时，根据随机试验的原则，其分布则会呈现出距离理论位置越近越密集，越远越稀疏的规律。将该分布以垂直岩体主要滚落方向为横坐标，密集程度为纵坐标进行统计，如图11（b）所示。发现其分布近似于正态分布曲线，而正态分布可以根据标准差将其整体划分为不同区域，标准差在正态分布中表征数据的离散程度，将此分类标准应用于密集程度统计中，该点即表示为密集程度变化较大的分界位置，也正是分区较为符合的一个标准。因此将正态分布划分比例应用于样本点划分中，如图11（c）所示，一个标准差之内的区域占比约68％，两个标准差之内的区域占比约96％，两个标准差之外的占比约4％，按照该区域比例与样本点数目相结合，确定分区界限控制点，如图11（a）所示，按此方法将影响区域划分为重、中、轻度3个等级。

4.3.2" 影响区域划分结果

危岩崩塌受多种因素影响，为了更加符合真实情况，MSRA-3D软件在计算时引入了一定的随机参数来减小确定参数数值模拟所造成的局限性，实验过程中会随机小幅度改变随机参数，用来代替实际中遇到的降雨、地震等其他不确定因素影响。本文以WY1为例，通过多次模拟，得到100处危岩最终停靠位置数据，选取处于最外围4个位置作为可能造成的灾害范围边界，在垂直岩体主要滚落方向上，以最边界的点为原点，距原点距离为左纵轴进行数据统计，且按此距离进行排序编号，并计算相邻点位的差值为右纵轴。为方便制图观察，右纵轴设置向下为正方向，差值越小，则表明点位越密集，统计结果如图12所示。相邻点差值曲线呈现整体上先减小再增大的趋势，说明点位分布特征为先稀疏再密集又稀疏，该特征证明采用正态分布规律划分区域的方法是可行的。

将统计结果按照分布比例确定为不同影响区域，不同危岩体之间影响区的相互重叠区域采用风险分级矩阵（图13）确定影响等级；如图14所示，研究区危岩落石共造成3处影响区域，其中WY1～4坠落位置形成区域一，WY5和WY6坠落位置分别形成区域二和区域三。本次分区结果能够为危岩的治理与防范提供重要参考依据。

5" 结 论

（1）" 采用倾斜与贴近摄影技术融合构建三维模型的方法，能够有效避免倾斜摄影由拍摄盲区导致的模型空洞、拉花等现象，提高了模型的完整性，使信息提取结果更加准确、真实。

（2）" 基于危岩运动模拟结果分析，房屋有被击中的风险，需要采取措施进行防护。

（3）" 首次提出采用正态分布规律将可能造成的灾害范围进行不同影响程度的区域划分方法，并在该示范区进行应用，将落石范围分为了重、中、轻3种不同程度的区域。

参考文献：

［1］" 陈洪凯，唐红梅，王蓉.三峡库区危岩稳定性计算方法及应用［J］.岩石力学与工程学报，2004（4）：614-619.

［2］" 杨绪波，程强，袁进科，等.基于无人机倾斜摄影的危岩识别及数值模拟分析［J］.人民长江，2023，54（6）：112-119.

［3］" UYSAL M，TOPRAK A S，POLAT N.DEM generation with UAV photogrammetry and analysis in Sahitler hill［J］.Measurement，2015，73（1）：539-543.

［4］" YAN J H，CHEN J P，ZHANG Y S，et al.Semi-automatic extraction of dangerous rock blocks from jointed rock exposures based on a discontinuity trace map［J］.Computers and Geotechnics，2023，156：105265.

［5］" 郑红霞，李凌昊，盛辉，等.基于无人机贴近摄影测量的剖面数字露头系统研发及岩层面重构方法［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2023，47（2）：53-63.

［6］" VASUKI Y，HOLDEN E J，KOVESI P，et al.Semi-automatic mapping of geological structures using UAV-based photogra mmetricdata：an image analysis approach［J］.Computers amp; Geosciences，2014，69：22-32.

［7］" 孙琦，张文，赵云鹏，等.高陡岩质斜坡结构面的无人机贴近采集与粗糙度分析［J］.工程地质学报，2021，29（5）：1460-1468.

［8］" 张钊，吴锋，尚海兴，等.贴近摄影与倾斜摄影测量技术融合在水电站高坝精细建模中的应用［J］.西北水电，2021（5）：47-50，55.

［9］" 张林杰，冯刚，龙超，等.无人机倾斜摄影与贴近摄影融合建模在高位危岩体调查中的应用［J］.水电与抽水蓄能，2023，9（增1）：85-90.

［10］买小争，冯学胜，颜振能，等.贴近摄影影像与倾斜影像融合精细化建模方法［J］.北京测绘，2022，36（9）：1188-1192.

［11］王豪，黄健，黄祥，等.一种利用Unity3D模拟崩塌三维运动全过程的方法［J］.武汉大学学报（信息科学版），2023，48（12）：1990-1998.

［12］吕权儒，曾斌，孟小军，等.基于无人机倾斜摄影技术的崩塌隐患早期识别及影响区划分方法［J］.地质科技通报，2021，40（6）：313-325，334.

［13］郑史芳，黎治坤.结合倾斜摄影技术的地质灾害监测［J］.测绘通报，2018（8）：88-92.

［14］吴明堂，姚富潭，杨建元，等.基于倾斜摄影测量与InSAR技术的库区滑坡识别［J］.人民长江，2023，54（3）：130-137.

［15］何佳男.贴近摄影测量及其关键技术研究［D］.武汉：武汉大学，2022.

［16］叶震，许强，刘谦，等.无人机倾斜摄影测量在边坡岩体结构面调查中的应用［J］.武汉大学学报（信息科学版），2020，45（11）：1739-1746.

［17］杨力龙.基于轻小型无人机的航空摄影测量技术在高陡边坡几何信息勘察中的应用研究［D］.成都：西南交通大学，2017.

［18］徐刚，张志斌，范泽英.危岩失稳模式分类研究［C］∥中国地质学会，中国地质学会工程地质专业委员会.2017年全国工程地质学术年会论文集.北京：科学出版社，2017.

［19］张倬元，王士天.工程地质分析原理［M］.4版.北京：地质出版社，2016.

［20］赵中强，王有林，王文革.金川水电站路基边坡稳定性分析与评价［J］.水利水电快报，2022，43（5）：58-62.

［21］陈祖煜.岩质边坡稳定分析原理·方法·程序［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.

（编辑：刘 媛）

Simulation of dangerous rock mass movement and delineation of impacted zone based on UAV fusion modeling

LIU Binging1，WU Fu2，LIU Chang2，HE Na2，HUANG Hai2

（1.State Key Laboratory of Geological Disaster Prevention and Environmental Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；" 2.Geological Environment Monitoring Station of Guangxi Zhuang Autonomous Region，Nanning 530201，China）

Abstract：

Rock falls are influenced by a variety of factors and inherent uncertainties.Investigating potential disaster zones and distinguishing varying degrees of impact can provide critical data for disaster prevention and control.This study focused on the dangerous rock masses in Neizhuangtun，Nanning City，Guangxi.A 3-dimensional model was constructed using a fusion of oblique photography and nap-of-the-object photogrammetry modeling technology to accurately capture the structural and characteristic information of the rock mass.Through 3D numerical simulation，the movement path，process，real-time kinetic energy，and bouncing height of the dangerous rock masses were analyzed.Based on the simulation results，a method of dividing the potentially impacted areas was proposed.The findings indicated that the fusion modeling technique significantly enhanced the visibility of detailed features in steep mountainous regions，facilitating the accurate extraction of simulation parameters for rock movement.By analyzing multiple simulation results，the potential disaster risk zones were identified.The proposed method for dividing the affected areas enables a quick and easy division of potential disaster zones.The outcomes of this study provide insights for the investigation of high and steep dangerous rock masses.

Key words：

high dangerous rocks； fusion modeling； oblique photography； nap-of-the-object photogrammetry； numerical simulation； rockfall area zoning