基于無人機與Rockfall的危巖體結構特征識別與運動規(guī)律模擬

謝金，楊根蘭，覃乙根，劉榜余

(貴州大學 資源與環(huán)境工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

崩塌是指陡坡上的巖土體，被節(jié)理裂隙切割成巨大巖塊，在重力作用或其他外動力作用下突然脫離母巖向下傾倒、翻滾、墜落的現(xiàn)象[1-3]。危巖體崩塌是山區(qū)高陡邊坡的主要地質(zhì)災害之一[4-6]，崩塌災害對其影響范圍內(nèi)的居民、房屋建筑、公路橋梁等具有毀滅性的破壞作用，例如2013年貴州凱里龍場鎮(zhèn)崩塌造成5人失蹤；2017年貴州省納雍崩塌造成35人死亡，因此崩塌災害對人類生命財產(chǎn)安全影響巨大[7-8]，但發(fā)生崩塌災害的危巖體大多具有位置高、坡度陡、隱蔽性強、勘察難度大等特點，導致人工現(xiàn)場調(diào)查危險性高、效率低[9]。

近年來，三維激光掃描技術、雷達探測技術、無人機技術和數(shù)字化處理技術等被用于地質(zhì)災害調(diào)查中，特別是無人機技術在崩塌災害的調(diào)查中展現(xiàn)出高精度、高效率、危險性低等優(yōu)勢[10]。例如王棟等[11]利用無人機技術對成昆鐵路吉爾木隧道口高陡邊坡危巖體進行勘察并獲取了危巖體結構面、體積等，為后期危巖體治理提供了依據(jù)；胡才源等[12]利用無人機技術對仙宇屯高位崩塌體進行了調(diào)查，建立了三維模型，并對崩塌體信息進行了統(tǒng)計分析；陳宙翔等[13]利用無人機技術對某強震區(qū)公路高位危巖體進行了調(diào)查，并對研究區(qū)19處危巖體進行了穩(wěn)定性分析。故“無人機技術+地質(zhì)災害調(diào)查模式”近年來迅速被人們所接納，特別是在崩塌災害調(diào)查中，無人機傾斜攝影技術展現(xiàn)其獨特的優(yōu)勢，利用輕便靈活的小型無人機搭載攝影設備，可以對崩塌區(qū)危巖體進行細致拍攝，基于航拍影像建立高清數(shù)字地表三維模型，從而將辛苦而又危險的野外調(diào)查轉為舒適安全的室內(nèi)作業(yè)，大大提高了地質(zhì)工作者的工作效率和安全程度[12]。

在對危巖體崩塌影響范圍研究方面，國內(nèi)外學者一般采用現(xiàn)場調(diào)查、理論分析、數(shù)值模擬3種方法進行研究，而大部分研究方法都基于Hertz彈性碰撞理論和碰撞恢復系數(shù)。例如唐紅梅等[14]以重慶市萬州區(qū)天生城危巖落石為研究對象，運用Rocfall軟件模擬落石影響范圍，結果表明，落石對坡腳公路和學校影響概率為100%；覃乙根等[15]運用Rockfall軟件模擬貴州寨子危巖崩塌，得出各危巖體到達房屋的概率。國外學者B.Pichler等[16]運用Rockfall軟件模擬落石對砂礫土質(zhì)墊層的沖擊力,總結出一種沖擊力計算公式；C.K.A.Dorren等[17]通過對意大利那不勒斯市區(qū)的崩塌落石規(guī)律研究，為降低崩塌落石的防治成本提供了一種新方法。崩塌災害是赤水紅層地區(qū)主要的地質(zhì)災害，唐家屋基邊坡歷史上發(fā)生了多次崩塌，經(jīng)實地調(diào)查，最近一次崩塌發(fā)生于2015年雨季，在暴雨作用下危巖帶巖體發(fā)生崩塌，崩塌體滾落后停積在坡腳公路上，未造成人員傷亡。唐家屋基邊坡危巖帶受結構面切割，導致部分危巖體已脫離母巖，在地震、降雨等作用下可能發(fā)生大規(guī)模崩塌破壞，威脅坡腳居民以及過往車輛的生命財產(chǎn)安全，因此,對唐家屋基邊坡危巖帶崩塌地質(zhì)災害的成因機理、破壞模式、影響范圍的研究具有重要意義。

本文在總結前人對危巖體崩塌災害研究的基礎上，運用無人機傾斜攝影技術、Agisoft PhotoScan軟件三維建模，結合現(xiàn)場調(diào)查、結構面統(tǒng)計、工程地質(zhì)分析、赤平投影等研究方法，對唐家屋基邊坡危巖體進行調(diào)查研究，實現(xiàn)傳統(tǒng)方法與無人機技術相結合，提取危巖體結構面信息，分析研究危巖體的結構特征,并運用Rockfall軟件對典型危巖體的運動特征和影響范圍進行數(shù)值模擬分析，以期為崩塌災害的防治工程設計提供依據(jù)，對崩塌災害的防治提供指導。

1 研究區(qū)概況

唐家屋基邊坡位于貴州省赤水市葫市鎮(zhèn)唐家屋基村，地理坐標為東經(jīng)105°57′27.59″，北緯28°28′07.76″，距離赤水市27 km。研究區(qū)屬于侵蝕低山河谷地貌，岸坡地形，坡度呈緩-陡-緩分布，上部自然斜坡坡度約30°～40°，中部危巖帶由于崩塌形成陡坎，坡度接近90°，陡坎下部軟弱夾層由于差異風化形成凹巖腔，下部坡度40°～50°，研究區(qū)邊坡長820 m，寬約430 m，危巖帶頂部距坡腳公路高差在370～390 m間。屬于中亞熱帶溫熱濕潤季風氣候區(qū)，其氣候具有雨熱同期的特點，多年平均降雨量為1 286.8 mm，主要集中在5—9月，占全年的68%。研究區(qū)巖性為白堊系嘉定群組(Kjd)磚紅、紫紅色巨厚層砂巖夾紫紅色薄層泥巖，危巖帶上部砂巖層厚2～10 m，下部紫紅色泥巖厚0.2～0.6 m。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of the study area

2 無人機高清數(shù)字地表三維模型建立

2.1 三維點云數(shù)據(jù)獲取

2.1.1 基本原理

無人機傾斜攝影測量技術是將輕型無人機作為飛行平臺，搭載航拍設備來獲取地面信息的遙感方式[12]。使用無人機對研究區(qū)邊坡危巖體進行多航線、多角度、全方位拍攝，使獲取照片具有高度重疊率的特點，基于含有拍攝點地理坐標的高清數(shù)碼照片，運用傾斜攝影測量建模的方法可以快速構建出研究區(qū)邊坡的實景三維模型，基于三維模型可以360°無死角展示研究區(qū)危巖帶與周圍的環(huán)境。地質(zhì)工作者可以從模型中對危巖體的形狀、大小、結構面特征進行識別與測量，并可進一步分析計算危巖體的穩(wěn)定性、研究危巖體崩塌后的運動特征。

2.1.2 無人機攝影航線規(guī)劃

研究區(qū)邊坡屬于侵蝕低山河谷地貌，河谷邊坡高差大，植被茂盛，加大了無人機航線設計的難度。故在航線規(guī)劃時應充分考慮邊坡高度、長度、傾角等因素。為了使獲取照片具有高重疊率，使建立的三維模型能最大程度還原邊坡特征，根據(jù)前人經(jīng)驗總結，應使無人機航向的重疊率不低于80%，旁向的重疊率不低于70%[8]?？紤]研究區(qū)范圍、高差及坡度等因素，本次無人機航拍共規(guī)劃5條航線，航線間距為80 m，3個拍攝角度，分別為-90°，-45°，0°，無人機飛行高度分別為航線A200 m、航線B和C250 m、航線D和E300 m，對研究區(qū)邊坡進行全面拍攝。最后對危巖帶進行重點拍攝，全面獲取危巖帶結構面影像數(shù)據(jù)，共獲取759張照片。無人機拍攝航線規(guī)劃示意圖如圖2所示。

圖2 無人機拍攝航線規(guī)劃示意

2.2 高清數(shù)字地表模型建立

運用Agisoft PhotoScan軟件對無人機野外拍攝的帶有空間坐標的照片建立三維數(shù)字地表模型，基于高精度三維模型在室內(nèi)便可以對研究區(qū)邊坡結構面發(fā)育情況、危巖體的分布情況、空間信息等進行詳細的統(tǒng)計分析，大大提高了工作效率，避免了實地調(diào)查的危險性，PhotoScan建模流程如圖3所示：

圖3 PhotoScan建模流程圖Fig.3 PhotoScan modeling flow chart

(1)照片導入：在Agisoft PhotoScan軟件中依次點擊工作流程、添加照片，找到無人機拍攝的照片所在文件夾，選中研究區(qū)所有航拍照片，點擊打開。

(2)對齊照片：添加照片完成后，依次點擊工作流程、對齊照片，精度選擇根據(jù)建模需求，可以選擇最低、低、中、高，本模型精度選擇為高精度，照片對齊后系統(tǒng)便自動提取稀疏點云。

(3)生成密集點云和空間白模：在對齊照片流程完成后，依次點擊工作流程、生成密集點云，點云質(zhì)量可根據(jù)模型需求選擇最低、低、中、高、超高，本模型選擇高質(zhì)量，生成密集點云后系統(tǒng)會自動生成空間白模。

(4)生成網(wǎng)格：在密集點云建立完成后，依次點擊工作流程、生成網(wǎng)格，本模型表面類型選擇任意，數(shù)據(jù)源選擇密集點云，面數(shù)選擇高，點擊確定。

(5)生成紋理：必須在生成網(wǎng)格后才能執(zhí)行生成紋理，本模型映射模式選擇通用，混合模式選擇馬賽克(默認)，點擊確定，建模完成，如圖4所示。

圖4 邊坡無人機三維實景模型的構建

3 結構面解譯及典型危巖統(tǒng)計分析

3.1 結構面解譯

3.1.1 基本原理

結構面是由走向、傾向和傾角三要素組成的具有一定方向、力學強度較低、兩向延展的地質(zhì)界面[18]。傳統(tǒng)的巖體結構面獲取方法是工作者使用地質(zhì)羅盤在現(xiàn)場測量得出，本文基于無人機傾斜攝影技術建立高分辨率三維模型，實現(xiàn)室內(nèi)全方位統(tǒng)計研究區(qū)結構面。結構面解譯原理是獲取三維模型中的結構面內(nèi)三個不共線特征點的三維坐標，由數(shù)學計算得出巖體結構面產(chǎn)狀，結構面產(chǎn)狀表示方法如圖5所示。

圖5 結構面產(chǎn)狀表示方法Fig.5 Appearance of structural plane

將結構面方程設為Z=AX+BY+C，則該結構面的一個法向量(以向上為準)為n=(-A，-B，1)。假設在同一個結構面內(nèi)提取n(n≥3)個不共線特征點的坐標，通過最小二乘法可求解出A，B，C，如式(1)所示。

(1)

由法向量n計算結構面傾向β和傾角α的數(shù)學模型[19]為

(1)當A=0時，

(2)

(2)當A≠0時，

(3)

3.1.2 結構面統(tǒng)計分析

在無人機三維模型中對危巖帶巖體結構面進行統(tǒng)計分析，選取結構面上不共線的3個點，導出其空間坐標，如圖6所示，通過數(shù)學計算得出結構面的產(chǎn)狀。本次共獲取125個結構面數(shù)據(jù)，繪制結構面極點等密度圖和傾向玫瑰花圖如圖7所示。

圖6 結構面空間點數(shù)據(jù)獲取

圖7 危巖帶結構面極點等密度圖(左)及傾向玫瑰花圖(右)Fig.7 Extreme density map of the structural surface of the dangerous rock zone(left)and tendency rose chart(right)

解譯結果表明研究區(qū)危巖帶主要發(fā)育兩組優(yōu)勢結構面，將危巖帶巖體切割成長方體塊狀，對唐家屋基危巖帶的崩塌破壞起著控制作用，兩組結構面幾何參數(shù)如表1所示。

表1 結構面幾何參數(shù)

3.2 典型危巖體特征統(tǒng)計

基于無人機三維模型對危巖帶進行詳細分析，確定了4個被裂隙嚴重切割，且凹巖腔發(fā)育較深的典型危巖體，自左至右編號依次為W1，W2，W3，W4。將三維模型生成的DEM文件導入ArcGIS中，切出4個危巖體所在位置的縱剖面圖，由剖面圖可知，危巖體下方均有居民樓房和公路，具體分布位置如圖8所示。在三維模型中對4個危巖體的空間位置、幾何尺寸進行統(tǒng)計測量，并對危巖體的穩(wěn)定性進行定性評價。根據(jù)其所在剖面能直觀看出危巖體威脅下方建筑物情況，結果如表2所示。

圖8 危巖體位置及所在剖面示意Fig.8 Location and section diagram of the dangerous rock mass

表2 危巖體特征調(diào)查統(tǒng)計表

4 典型危巖體穩(wěn)定性評價及運動特 征分析

4.1 赤平投影分析

唐家屋基邊坡危巖帶基巖為砂泥巖不等厚互層，巖層產(chǎn)狀為92°∠5°。由結構面統(tǒng)計分析可知，危巖帶受J1：183°∠86°和J2：291°∠80°兩組結構面控制，危巖帶邊坡傾向為201°，坡角為87°。繪制赤平投影圖如圖9所示。

由赤平投影分析可知，J1與J2的交線位于邊坡外側，傾向與坡向大致相同，且傾角略小于邊坡坡腳，屬于欠穩(wěn)定結構，故危巖體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 危巖帶結構面赤平投影圖

4.2 典型危巖體運動特征分析

根據(jù)危巖體失穩(wěn)破壞模式將危巖體崩塌分為墜落式、滑塌式、傾倒式3種類型[20-21]。本文運用Rockfall軟件模擬危巖體發(fā)生崩塌后滾石運動軌跡。Rockfall軟件是通過輸入一些與斜坡和落石相關的基本參數(shù)，模擬滾石在斜坡上的運動路徑、能量分布和彈跳高度等參數(shù)變化，從而為崩塌災害的影響范圍研究和防護治理設計提供直觀有效的依據(jù)。

4.2.1 選擇危巖體及所在坡面參數(shù)

通過統(tǒng)計分析，4個危巖體結構特征及尺寸大小如表2所示。危巖體距離坡腳房屋和公路的高差在170～210 m間。危巖體受裂隙切割基本已經(jīng)脫離母巖，且下部發(fā)育有較深的凹巖腔，危險程度較高，一旦發(fā)生崩塌破壞，可能沿所在剖面向下滾落，對下方房屋建筑和公路將會造成嚴重破壞，其空間位置圖及所在剖面圖如圖8所示。

通過三維模型分析可知，研究區(qū)邊坡自上而下可分為7段，依次為植被土壤→基巖露頭→清潔基巖面→碎石角礫堆積→土壤與植被→瀝青公路路面→植被土壤。根據(jù)上述坡面特征選擇各段坡面的法向恢復系數(shù)(Rn)、切向恢復系數(shù)(Rt)，具體參數(shù)結合前人學者研究成果綜合確定，如表3所示。

表3 邊坡坡面基本參數(shù)

4.2.2 模擬結果分析

運用Rockfall軟件模擬危巖體崩塌破壞后滾石的運動軌跡，本次共模擬滾石數(shù)量設置為100個，崩塌體初始運動速度、轉動速度均設為0，模擬后，滾石在坡面上的運動如圖10所示。

由危巖體總動能、彈跳高度和運動速度分布曲線可知，W1,W2,W3,W4分別在125,220,200,220 m處運動速度和動能達到峰值。這是因為邊坡中部修建了一條農(nóng)村公路，在路面位置形成一個平臺，W1,W2,W3,W4危巖體發(fā)生崩塌后落石分別在125,220,200,220 m處與路面平臺發(fā)生強烈碰撞彈跳，在碰撞前運動速度和動能達到最大值，碰撞時能量發(fā)生損耗，運動速度和動能開始降低；據(jù)彈跳高度曲線顯示，落石彈跳高度達到峰值時，其運動速度和動能減至谷值，這是由于落石與邊坡發(fā)生碰撞后落石彈起，其動能轉化為重力勢能，導致動能降低，達到最高點時落石由上升運動逐漸轉為下降運動，故速度明顯下降；在崩塌落石到達房屋建筑時，即W1危巖體崩塌落石滾動至225 m處的總動能為493 012 kJ，速度為17.9 m/s，W2危巖體崩塌落石滾至252 m處的總動能為53 686.3 kJ，速度為6 m/s，W3危巖體崩塌落石滾至287 m處的總動能為153 187.5 kJ，速度為9.7 m/s，W4危巖體崩塌落石滾至320 m處的總動能為222 785.8 kJ，速度為14.8 m/s；W1,W2,W3,W4分別在距崩塌點305,275,315,370 m處運動速度、彈跳高度和動能均減小至0，此時落石運動到最遠距離。

根據(jù)Rockfall模擬結果，對危巖體停積位置進行統(tǒng)計，結果如表4所示。

表4 危巖體停積位置統(tǒng)計

由表4可知，危巖1(W1)發(fā)生崩塌破壞后，2%的滾石會滾到公路上；危巖2(W2)發(fā)生崩塌破壞后，3%的滾石滾到公路上；危巖3(W3)發(fā)生崩塌破壞后，2%的滾石滾到公路上；危巖4(W4)發(fā)生崩塌破壞后，10%的滾石滾過公路，并停留在下方邊坡上。

研究結果表明,4個危巖體發(fā)生崩塌破壞后均有一定概率到達房屋建筑和公路，且4個危巖體到達房屋建筑和公路時仍具有巨大的動能和運動速度，會對坡腳房屋建筑和公路造成嚴重破壞，威脅居民生命財產(chǎn)安全，影響車輛通行。故建議在房屋建筑后方緩坡處設置欄石壩，并在危巖帶下方種植樹木，對滾石起到阻擋攔截作用；還應該減少或杜絕在危巖帶附近開山放炮，避免震動使危巖體發(fā)生崩塌。

5 結 論

(1)本文運用無人機傾斜攝影技術、Agissoft PhotoScan軟件對研究區(qū)建立了三維模型，對危巖體的巖體結構進行提取，并基于三維模型，結合現(xiàn)場調(diào)查，確定了4個危巖體的空間位置和幾何尺寸。

圖10 危巖體運動軌跡及特征Fig.10 Movement tracks and characteristics of dangerous rock mass

(2)采用赤平投影方法對典型危巖體進行定性分析可知，危巖體受處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在地震、強降雨等作用下易發(fā)生崩塌破壞。

(3)利用Rocfall軟件對典型危巖體崩落運動特征模擬分析，結果表明,危巖帶危巖體發(fā)生崩塌破壞后，有可能對坡腳居民房屋建筑及公路造成破壞。

(4)“無人機技術+高陡邊坡危巖體調(diào)查模式”切實可行，在危巖體結構面提取與巖體尺寸測量方面具有精度高、效率高、安全性高等特點。研究成果對高陡邊坡危巖體的調(diào)查有重大指導作用。