基于無人機傾斜攝影技術(shù)的鐵路邊坡危巖落石運動特性分析

賀 鵬，劉 奇，王 通，黃 為，劉先峰，5

(1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043； 3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031； 4.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031； 5.新疆工程學(xué)院土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830091)

引言

落石為較陡邊坡上的單個或局部巖體，在地質(zhì)作用以及外界作用的綜合影響下，失穩(wěn)脫離邊坡，以墜落、跳躍、滾動或滑動等運動方式中的一種或幾種的組合快速向下運動[1]。隨著我國高速鐵路事業(yè)的發(fā)展，逐漸由東部平原地區(qū)向中西部地形復(fù)雜的高邊坡山區(qū)修建，山區(qū)存在的崩塌落石現(xiàn)象隨時威脅著鐵路安全。危巖落石已成為威脅我國鐵路安全的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。因此，研究落石在邊坡坡面上的運動軌跡、彈跳高度及沖擊能量，為防護(hù)措施的設(shè)計提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)，對落石災(zāi)害的防治具有重要意義。

針對危巖落石災(zāi)害問題，國內(nèi)外諸多學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究。楊少軍等[2]結(jié)合危巖落石的運動規(guī)律，對橋梁工程防治危巖落石設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)制定的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了探討；吳紅剛等[3]基于模型試驗，對不同結(jié)構(gòu)面及不同形態(tài)的危巖體進(jìn)行了碰撞試驗，研究了落石結(jié)構(gòu)面對坡面沖擊的不同作用影響；何思明等[4-7]針對崩塌滾石災(zāi)害的力學(xué)機理及落石在坡面上的運動特性進(jìn)行研究，揭示了落石在坡面上的回彈規(guī)律，并提出了崩塌滾石災(zāi)害防治的關(guān)鍵技術(shù)；SPADARI等[8]對澳大利亞新南威爾士的滾石開展了原位坡面試驗，研究了滾石在坡面上的運動特性；BUZZI[9]等基于室內(nèi)試驗對落石在邊坡上的回彈恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行了研究；ASTERIOU[10]等研究了地質(zhì)條件和運動參數(shù)對落石恢復(fù)系數(shù)的影響；蔣敦榮等[11]利用數(shù)值模擬研究了不同工況下落石沖擊拱形明洞結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特征；王東坡等[12]對彝良地震誘發(fā)的崩塌、落石等災(zāi)害特征進(jìn)行了調(diào)查，為災(zāi)后重建提供了支持。

危巖落石前期勘察能夠為危巖落石的分析與治理提供準(zhǔn)確的影像信息，其中，無人機攝影測量技術(shù)能夠準(zhǔn)確、迅速、高效地獲取正射影像信息，并進(jìn)行地形圖繪制，相對于傳統(tǒng)測量方法，具有工期短，成本低，能適應(yīng)復(fù)雜地形環(huán)境的優(yōu)勢[13]。隨著計算電子技術(shù)的快速發(fā)展，無人機傾斜攝影在露天煤礦、復(fù)雜山區(qū)、農(nóng)村拆遷、城市建設(shè)等[14-21]諸多領(lǐng)域受到越來越多的應(yīng)用，為工程技術(shù)人員的勘察提供了便利。雖然國內(nèi)外眾多學(xué)者對危巖落石災(zāi)害進(jìn)行了大量研究，但較少與先進(jìn)的工程勘察技術(shù)(無人機傾斜航空攝影、激光三維掃描技術(shù)等)相結(jié)合。

以黔張常鐵路為依托，通過無人機傾斜航空攝影及實景三維建模技術(shù)獲取邊坡坡型，研究位于張家界禾家村車站工點邊坡的落石運動特性，為危巖落石防治措施的修建及改造提供數(shù)據(jù)支持，為類似工程中危巖落石的勘察研究提供借鑒。

1 工程概況

新建黔江至張家界至常德鐵路位于湘西北、鄂西南和渝東南交界地帶，線路自渝懷鐵路黔江站引出東行，沿途經(jīng)重慶市、湖北省、湖南省，鐵路正線長336.3 km。沿線地形起伏較大，巖壁陡峻，基巖出露，地層為第四系全新統(tǒng)坡積粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土，全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、細(xì)(粗)圓礫土，下伏基巖為志留系下統(tǒng)龍馬溪組頁巖夾砂巖。地質(zhì)災(zāi)害突出，其中，以危巖落石不良地質(zhì)對線路的危害較為嚴(yán)重。工點位于張家界禾家村車站內(nèi)，地貌屬低山山麓及澧水寬谷區(qū)，山坡坡度較陡，一旦發(fā)生落石，會給鐵路安全帶來嚴(yán)重威脅。

2 無人機傾斜攝影測量

張家界禾家村車站工點山體陡峻，人員無法登臨調(diào)査，因此，采用無人機傾斜航空攝影手段對線路右側(cè)山體進(jìn)行調(diào)査。航攝作業(yè)區(qū)域為湖南省張家界市永定區(qū)東禾家村，坐標(biāo)29°10′25.75″，110°37′36.93″，面積約1.1 km2。測量區(qū)域范圍示意如圖1所示，其中，紅色區(qū)域為機場限高區(qū)，需控制無人機飛行高度。

圖1 測量區(qū)域示意(紅色為機場限高區(qū))

2.1 外業(yè)像控點布設(shè)

通過布設(shè)外業(yè)像控點，滿足1∶500航測制圖精度，為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理提供像片控制數(shù)據(jù)。布設(shè)間隔為200 m左右1個點，測區(qū)共布設(shè)約30個像控點，采用中海達(dá)RTK聯(lián)合千尋Cors基站的方式進(jìn)行測量，獲取外業(yè)布設(shè)像控點的真實三維坐標(biāo)信息，為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及建模提供精度依據(jù)。像控點布測如圖2所示。

圖2 布測像控點

2.2 無人機航空攝影

判斷作業(yè)當(dāng)天的天氣條件，包括光照、能見度及風(fēng)速，嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行航攝飛行。整個測區(qū)共布設(shè)20條航線，分5個飛行架次完成。車站起降點3個架次，山頂2個架次。每個飛行架次約30 min。影像分辨為2～3 cm，滿足優(yōu)于3 cm。整個飛行共獲取10 528張影像，影像清晰，層次豐富，反差適中，色調(diào)柔和。能辨認(rèn)出與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像；能夠建立清晰的立體模型。影像上沒有云、云影、煙、大面積反光、污點等缺陷。利用影像預(yù)處理軟件對所拍攝航片進(jìn)行影像畸變差改正，輸出TIFF影像數(shù)據(jù)，GPS曝光點坐標(biāo)等相關(guān)信息。像片傾角一般不大于5°，最大不超過12°，出現(xiàn)超過8°的片數(shù)不多于總數(shù)的10%。特別困難地區(qū)一般不大于8°，最大不超過15°，出現(xiàn)超過10°的片數(shù)不多于總數(shù)的10%。在現(xiàn)場車站起降3個架次，在山頂起降2個架次，其拍攝現(xiàn)場分別如圖3、圖4所示。

圖3 車站起降3個架次

圖4 山頂起降2個架次

3 實景三維建模關(guān)鍵技術(shù)

通過無人機傾斜航空攝影采集的數(shù)據(jù)，可利用ContextCapture軟件進(jìn)行實景三維建模，對工點現(xiàn)場的真實場景進(jìn)行還原，為現(xiàn)場工點點云數(shù)據(jù)的獲取提供基礎(chǔ)。

3.1 多視影像聯(lián)合平差

ContextCapture軟件中多視影像不僅包含垂直攝影數(shù)據(jù)，還包括傾斜攝影數(shù)據(jù)。因此，多視影像聯(lián)合平差需充分考慮影像間的幾何變形和遮擋關(guān)系。結(jié)合POS系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略在每級影像上進(jìn)行同名點自動匹配和自由網(wǎng)光束發(fā)平差，得到較好的同名點匹配成果。ContextCapture軟件中多視影像聯(lián)合平差示意如圖5所示。

圖5 多視影像聯(lián)合平差

3.2 多視影像密集匹配

多視影像具有覆蓋范圍大、分辨率高的特點。由于單獨使用一種匹配基元或匹配策略往往難以獲取建模需要的同名點，因此，近些年來隨著計算機視覺發(fā)展起來的多基元、多視影像匹配逐漸成為研究重點。例如，建筑物側(cè)面的自動識別與提取，通過搜索多視影像上的特征如建筑物邊緣、紋理，來確定建筑物的二維矢量數(shù)據(jù)影像上不同視角的二位特征，可以轉(zhuǎn)化為三維特征。通過對側(cè)面進(jìn)行三維重構(gòu)，提取建筑物的高度和輪廓。傾斜實景三維建模原理如圖6所示。

圖6 傾斜實景三維建模原理

3.3 三維數(shù)字表面模型生成及紋理映射

視影像密集匹配能得到高精度高分辨率的數(shù)字表面模型(DSM)，在獲取高密度數(shù)字表面模型后，進(jìn)行濾波處理，并將不同單元融合形成統(tǒng)一的DSM。同時，在多視影像上通過影像分割、邊緣提取、紋理聚類等方法獲取像方的語義信息，再經(jīng)過密集匹配建立物方和像方同名點對應(yīng)關(guān)系，繼而建立全局優(yōu)化采樣策略和顧及幾何輻射特征的聯(lián)合影像糾正，整體勻光處理，將紋理表面信息映射到模型上，實現(xiàn)實景三維模型的重構(gòu)。利用ContextCapture軟件得到的現(xiàn)場實景三維模型效果如圖7所示。

圖7 實景三維模型

4 工點邊坡斷面的獲取

通過對禾家村車站工點現(xiàn)場無人機的拍攝，利用實景三維建模關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)了現(xiàn)場工點的實景還原。三維實景模型可輸出.stl的格式數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為密集點云，具備高精度的三維坐標(biāo)信息。將獲取的點云導(dǎo)入3DReshaper軟件中可提取斷面信息，得到邊坡坡面形狀、坡高、斜率等信息。將點云導(dǎo)入到3DReshaper軟件中的示意如圖8所示。

圖8 點云在3DReshaper軟件中的示意

3DReshaper是一款專門用于點云處理、3D網(wǎng)格、3D檢測、多線、CAD曲面等的軟件。將點云導(dǎo)入到3DReshaper軟件后，由于點云的坐標(biāo)與后續(xù)利用Rocfall分析軟件中的坐標(biāo)不一致，因此，需進(jìn)行一定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。3DReshaper軟件中有專門的地面提取功能，可模擬得到三維邊坡的地面信息以及陡峭的巖石山崖斷面。然后，利用軟件中的斷面提取器可以提取到二維.dxf格式的邊坡斷面，為后續(xù)邊坡落石軌跡的計算提供基礎(chǔ)。通過地面提取器獲得的斷面示意如圖9所示，其中，綠色線為提取的邊坡斷面位置。

圖9 邊坡坡型斷面提取示意

5 RocFall軟件數(shù)值模擬

5.1 RocFall軟件工作原理

RocFall軟件是由Rocscience公司于1996年研發(fā)的專業(yè)巖土工程分析軟件，是用來專門模擬陡峭巖質(zhì)邊坡落石統(tǒng)計分析軟件。其計算原理為：邊坡上部的危石塊體相對邊坡中下部具有較大的勢能，危石在自然重力的作用下從靜止開始向下運動，危石變成落石，速度以重力加速度增長，勢能轉(zhuǎn)換為動能，當(dāng)落石與坡面接觸發(fā)生反彈，根據(jù)坡面接觸點的法向彈性系數(shù)和切向摩擦系數(shù)的不同，落石的彈跳高度亦不同。此時，接觸坡面對落石產(chǎn)生消能作用，致使落石的動能衰減，直至落石停留動能為零。整個過程遵循能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律。

RocFall軟件運算有三部分：點的運算、彈跳運算、滑落運算。點的運算決定參與模擬的參數(shù)是否正確，建立所有彈跳運算和滑落運算的初始條件，并且啟動彈跳運算；彈跳運算用于計算落石從一點離開坡面跳躍到另一點，在空中運動的過程；滑落運算則用于落石接觸斜坡的運動過程。軟件大部分運算是空中拋物線運動及落石與地面撞擊運動兩個過程。其中，拋物線運動方程為

(1)

(2)

式中，X1，Y1為直線段起點坐標(biāo)，m；X2，Y2為直線段終點坐標(biāo)，m；g為重力加速度，m/s2；VX0，VY0為落石初始速度，m/s，一般取0。

撞擊時間方程為

(3)

5.2 參數(shù)選取

采用RocFall軟件模擬落石運動，RocFall程序主要通過輸入一些有關(guān)斜坡和落石的基本參數(shù)，模擬顯示落石在斜坡上的運動路徑、能量分布和高度變化，從而為防護(hù)治理設(shè)計提供直觀有效的依據(jù)。

將從3DReshaper軟件中得到的.dxf格式的邊坡斷面導(dǎo)入RocFall軟件中，并根據(jù)坡面特征，及葉四橋[22]建議恢復(fù)系數(shù)的選取，如表1所示，輸入邊坡的法向恢復(fù)系數(shù)、切向恢復(fù)系數(shù)以及摩擦角三種參數(shù)即可進(jìn)行計算。由于本工程邊坡主要是帶有強風(fēng)化硬巖表面且?guī)в兄脖?，故取法向恢?fù)系數(shù)0.35，切向恢復(fù)系數(shù)0.88，摩擦角30°；水平路基面主要是松散碎石路面，選取法向恢復(fù)系數(shù)0.25，切向恢復(fù)系數(shù)0.60，摩擦角30°，落石質(zhì)量1 000 kg，選取其中5個代表性斷面進(jìn)行計算。其中，輸入到RocFall軟件中的斷面2示意如圖10所示。

表1 葉四橋[22]建議恢復(fù)系數(shù)的選取范圍

圖10 RocFall軟件中的斷面2示意

5.3 落石軌跡計算

由于5個斷面的運動軌跡類似，因此只選取典型斷面2的運動軌跡作為示意。利用RocFall軟件計算得到斷面2的落石運動軌跡，如圖11所示。

圖11 斷面2的落石運動軌跡

從圖11可以看出，由于坡面較崎嶇，造成落石在坡面上多次碰撞反彈，且在靠近邊坡底部的地方有一處高136.21 m，與水平線近似54°的陡崖，造成落石彈跳后最終以一個較高的高度落下，運動至邊坡底部，并在鐵路線路水平面上發(fā)生反彈后最終停留在鐵路線路上。

5.4 彈跳高度計算

落石在坡面上發(fā)生彈跳后，會存在一個高度峰值，通過RocFall軟件提取出5個斷面的最大彈跳高度數(shù)據(jù)，得到落石最大彈跳高度包絡(luò)線，如圖12所示。

圖12 斷面1～斷面5的落石彈跳高度包絡(luò)線

從圖12可以看出，受斷面地形高低起伏不同，5個斷面的彈跳高度起伏差異較大；落石在邊坡發(fā)生滾落運動過程中產(chǎn)生的最大彈跳高度達(dá)到30 m，其落石落點位于上部陡崖(坐標(biāo)為零左側(cè))附近；落石運動至鐵路線路(坐標(biāo)為零右側(cè))附近時，彈跳高度在15～25 m，落石存在入侵鐵路所在區(qū)域的可能性，威脅鐵路運營安全，因此，有必要對該處邊坡進(jìn)行落石防護(hù)。

5.5 沖擊能量計算

落石在5個不同斷面的最大沖擊能量包絡(luò)線如圖13所示。

圖13 斷面1～斷面5落石沖擊能量包絡(luò)線

從圖13可以看出，5個斷面的最大沖擊能量曲線趨勢大致相同，在上部陡崖(坐標(biāo)為零左側(cè))附近具有最大沖擊能量；落石在邊坡發(fā)生滾落運動過程中產(chǎn)生的最大沖擊能量達(dá)到2 300 kJ，發(fā)生在斷面2上部陡崖附近；落石運動至鐵路線路(坐標(biāo)為零右側(cè))附近時，沖擊能量為800～1 600 kJ，仍然具有較大的沖擊能量，落石存在入侵鐵路所在區(qū)域的可能性，威脅鐵路運營安全，有必要對該處邊坡施加防護(hù)措施以減小落石的沖擊能量。

5.6 沖擊速度計算

落石在5個不同斷面的最大沖擊平移速度曲線如圖14所示。

圖14 斷面1～斷面5落石平移速度曲線

從圖14可以看出，5個斷面的落石最大沖擊平移速度曲線趨勢大致相同，整體上呈“凸”起趨勢；在上部陡崖(坐標(biāo)為零左側(cè))附近具有最大沖擊速度，最大平移速度達(dá)到45 m/s，發(fā)生在斷面2上部陡崖附近；落石運動至鐵路線路(坐標(biāo)為零右側(cè))附近時，沖擊速度為21～35 m/s，仍然具有較大的沖擊速度，隨時存在入侵鐵路所在區(qū)域的可能性，威脅鐵路運營安全，因此，有必要在該處邊坡施加防護(hù)措施，保障鐵路的正常運行。

采用RocFall軟件計算得出，落石在坡面上運動過程中會出現(xiàn)較大的彈跳高度，運動至坡底時仍具有較大的沖擊能量和運動速度，威脅著鐵路的正常運營。因此，建議在陡坡坡面上加設(shè)一層主動簾式防護(hù)網(wǎng)，限制落石彈跳高度，以降低落石在坡底的能量；為防止個別落石躍過主動簾式防護(hù)網(wǎng)，直接跳入坡底，威脅鐵路安全，可以在陡坡底部建造攔石墻，以攔截落石，防止落石進(jìn)入鐵路線路，對鐵路的正常運營造成影響。

6 結(jié)論

危巖落石研究較少與先進(jìn)的工程勘察技術(shù)相結(jié)合，基于無人機傾斜攝影，實現(xiàn)了實景三維建模技術(shù)及點云數(shù)據(jù)信息在危巖落石運動特性分析中的應(yīng)用。利用3DReshaper軟件對點云進(jìn)行了處理，得到了黔張常鐵路中張家界禾家村車站高陡邊坡的斷面坡型，并導(dǎo)入RocFall軟件中，對落石的軌跡、彈跳高度、沖擊能量以及速度進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論。

(1)對于高陡邊坡，可采用無人機進(jìn)行現(xiàn)場拍攝測量，利用實景三維建模關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)場工點的實景還原，并提取點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過對點云數(shù)據(jù)的處理，為落石運動特性的模擬提供真實的邊坡斷面信息，提高了落石軌跡模擬的準(zhǔn)確性。

(2)RocFall軟件可以很好地模擬落石運動軌跡，對施工過程中產(chǎn)生的落石進(jìn)行提前風(fēng)險預(yù)判。通過模擬落石運動軌跡，可以判斷落石滾動影響區(qū)范圍，分析落石彈跳高度及產(chǎn)生的沖擊能量和沖擊速度。

(3)經(jīng)過對張家界禾家村車站高陡邊坡落石運動軌跡的模擬，可以得出落石在下落至坡底后仍然具有較高的能量，除在坡底施加攔石墻防護(hù)措施外，還應(yīng)該在邊坡坡面上施加一層簾式主動防護(hù)網(wǎng)，限制落石的彈跳高度，分級降低落石的沖擊能量，保障鐵路運營安全。