高原复杂山区铁路无人机倾斜摄影勘察技术应用研究

2021-07-02 07:18周福军

铁道标准设计 2021年6期

关键词：勘测岩体滑坡

周福军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

引言

为了进一步促进区域协调发展，我国适时提出了“新时代推进西部大开发形成新格局”的国家战略部署。在以青藏高原为代表的复杂山区，越来越多的铁路工程项目不断规划建设。

高原山区铁路工程因其涉及的地貌单元和类型众多，与传统的山区勘察相比，地质条件更加复杂，面临高海拔.大落差.缺氧.严寒等恶劣自然环境，为铁路工程地质勘察设计工作带来极大困难。

为了获得复杂条件下翔实的铁路勘察成果，当前国内外学者和专家提出“空天地”综合技术方案[1-3]，但是卫星遥感手段精度有限，地面勘察手段成本费用大.工期时间长[4]。无人机勘察技术，因其布置灵活.方便快捷.精度高.成本低等技术优势[5-6]，并通过搭载高精度测量设备，可降低人力和时间成本，并可解决地形陡峻及大落差的勘察地形问题，是山区铁路勘察有效的技术手段。本文依托川藏铁路工程实践，开展了高原复杂艰险山区无人机勘察技术研究和工程应用。

1 无人机倾斜摄影勘察技术原理

1.1 飞行平台及搭载设备

川藏铁路作为藏区高原新的世纪工程，线路里程长.工程规模大，工程设置以桥梁.隧道为主，穿越典型的“V”形山谷，山岭海拔在4 000～5 000 m以上，相对高差一般在2 000～3 000 m，高海拔.大落差.高寒.缺氧的复杂环境，对无人机稳定工作.高效高质量勘察提出了巨大挑战。

本文选择降雨量小.植被少.基岩裸露的高山峡谷区，采用灵活机动的无人机飞行平台，搭载多镜头倾斜相机，以实现高精度清晰地面测绘数据采集[7]，图1所示为无人机倾斜摄影勘察作业示意。

图1 无人机倾斜摄影影像获取

经过调研及现场测试，多旋翼无人机平台飞行起降平稳，对地形具有更高的适应性，更加符合复杂山区铁路实际工作要求，同时考虑无人机最大载重.最大续航能力，以及支持的最高海拔等要素，最终确定六旋翼.长续航.高原型无人机作为勘察作业平台。倾斜相机采用五拼镜头倾斜相机，实现高精度影像数据获取。表1为研究采用的无人机平台.倾斜相机参数。

表1 川藏铁路无人机平台及倾斜相机参数

1.2 倾斜摄影勘察技术流程

根据依托项目特殊的地形条件和勘察需求，制订了有针对性的勘察作业技术流程。

(1)勘测飞行准备

针对高原山区铁路特殊飞行作业环境，提前准备测区DEM数据基础，并下载导航地图.进行现场踏勘，重点了解测区地形高差.突兀地物高度等影响飞行的因素，指导航摄设计。

设计航线布置，制定飞行计划，提出了满足勘测精度.保障飞行安全的复杂山区自适应变高飞行作业模式[8-9]，实现无人机随地形起伏进行仿地飞行勘测作业。

(2)现场勘测作业

严格执行无人机作业流程，及时下载备份勘测数据，进行区域像控点.地面靶标施测，尤其针对高陡山区地形.雪天复杂环境，灵活设置地面靶标。如图2所示。

图2 雪天无人机倾斜摄影地面靶标设置

(3)内业数据处理

根据机载POS数据及地面基站数据进行差分解算，计算影像外方位元素，采用倾斜摄影后处理软件，建立测区真实三维倾斜模型，实现勘测区域的高精度地表三维重建。

1.3 倾斜模型地质解译与信息提取

(1)专业软件研发

无人机搭载倾斜相机.三维激光扫描等勘测仪器设备，能够获得高质量.高分辨率.高精度测绘数据，现行的国内外软件产品Context Capture.Photoscan.OpenDroneMap等，仅能实现倾斜影像.点云等三维建模[6]，不具备勘察解译.地质信息提取等的专业应用功能。

为此，自主研发了低空航摄地质解译软件系统(图3)，实现了区域遥感与无人机高精勘测的联合建模，提供了倾斜模型.点云数据.DOM.DEM等数据集成功能，研发了地层岩性.地质构造.不良地质.岩体信息等专业解译工具，实现了解译成果多种文件格式转化.信息便捷统计等功能，解决了传统GIS平台专业工具匮乏的问题，为综合勘察和分析评价提供工作环境。

图3 软件系统无人机倾斜模型与遥感融合

(2)倾斜地质解译

区别于卫星遥感的宏观解译，以无人机倾斜勘测，实现工程测区地表特征，以及滑坡.泥石流.危岩体等各类不良地质现象高精度.高清晰度真实倾斜建模[10-11]，其成像质量更高.图形纹理更清晰[12]，利用直观立体三维地质解译工具，清晰识别地层岩性.断层构造.滑坡地貌.泥石流沟谷纵坡[13].岩体产状和节理等各类地质要素的地貌特征.边界条件.发育特点[14-15]，可更加准确地解译和判识各类地质信息。

2 岩体结构信息提取原理

以三维倾斜摄影模型为基础，改变人工测量费时.随机性高的缺点，通过捕捉岩体结构面特征点，建立不规则平面的空间拟合方程，实现岩层.岩体结构产状信息的便捷.定量获取。

假设待量测的结构面空间特征点P1，P2，…，Pn的坐标分别为(X1，Y1，Z1).(X2，Y2，Z2)，…，(Xn，Yn，Zn)，设结构面方程为Z=A′X+B′Y+D′，则结构面法向量(以向上为准)n=(-A′，-B′，1)，依据结构面边界测量的特征点P1，P2，…，Pn的坐标，解算法向量n，然后依据n结合判据求取产状(倾向β，倾角α)。

图4 岩体结构面产状计算原理

(2)A′≠0时，

在三维模型环境中，测量结构面轮廓特征点坐标，可以解算产状的同时，确定迹线及解算迹长，即：通过测量结构面轮廓特征点坐标，解算所有点与点之间距离，取最长的两点连线作为迹线，进而实现岩体结构面迹长解算。

岩体结构张开度，则是通过测量结构面张开两侧的端点距离实现解算。

3 无人机倾斜摄影勘察工程应用

为了指导川藏铁路线路方案优化.服务桥隧相连的高陡斜坡工程设计，开展了大量无人机倾斜摄影勘测工程实践，实现了多种类型的不良地质精确解译，获取了丰富的定量勘察数据[16]，极大地提高了藏东南高原复杂山区勘察工作效率和勘测质量。

(1)滑坡判识

通过高清三维倾斜模型，利用高分辨率无人机摄影影像数据，能够更加清晰的识别滑坡地貌要素[17]，查清滑坡圈椅边界.明显负地形，以及滑坡下错台坎.堆积特征等，也可准确获取滑坡发育的几何与空间特征信息。如图5所示。

图5 滑坡三维倾斜判识

(2)泥石流判识

通过高清三维倾斜模型，可清晰获得勘测区泥石流完整地形地貌发育形态，并可分析沟内松散堆积物分布特征，获得坡度.坡向.沟纵等准确地形参数，为泥石流评价.分析和计算提供支持(图6)。

图6 泥石流三维倾斜判识

(3)危岩体判识

根据倾斜摄影数据，构建岩质边坡三维模型，可更加清晰的分析坡体发育特征，实现高陡边坡危岩体准确判识[18-19]，获得危岩体发育的空间几何参数(图7)，判识成果为边坡稳定性评价.防治工程设计提供基础数据。

图7 危岩体三维倾斜判识

(4)岩体结构信息定量提取

选择川藏铁路某特大桥工点，山顶高程为4 020 m，河谷高程为3 040 m，整体高差约1 000 m。人工地表调绘实施难度大.风险高，借助无人机倾斜摄影测量技术，实现高陡斜坡三维倾斜实景建模[20]，以拟建桥位北岸为例，解译获得结构面4731条(图8.图9)。根据获取的结构面信息解译成果数据，开展数理统计分析，对结构面产状进行优势分组划分，并形成三维迹线图(图10).迹长分布信息图(图11).产状极点图.节理玫瑰花图等系列成果图件。