基于无人机倾斜摄影技术的铁路边坡危岩落石运动特性分析

贺 鹏，刘 奇，王 通，黄 为，刘先峰，5

(1.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，西安 710043； 3.西南交通大学土木工程学院，成都 610031； 4.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031； 5.新疆工程学院土木工程学院，乌鲁木齐 830091)

引言

落石为较陡边坡上的单个或局部岩体，在地质作用以及外界作用的综合影响下，失稳脱离边坡，以坠落、跳跃、滚动或滑动等运动方式中的一种或几种的组合快速向下运动[1]。随着我国高速铁路事业的发展，逐渐由东部平原地区向中西部地形复杂的高边坡山区修建，山区存在的崩塌落石现象随时威胁着铁路安全。危岩落石已成为威胁我国铁路安全的主要地质灾害之一。因此，研究落石在边坡坡面上的运动轨迹、弹跳高度及冲击能量，为防护措施的设计提供基础理论数据，对落石灾害的防治具有重要意义。

针对危岩落石灾害问题，国内外诸多学者对此进行了大量研究。杨少军等[2]结合危岩落石的运动规律，对桥梁工程防治危岩落石设计标准制定的关键技术问题进行了探讨；吴红刚等[3]基于模型试验，对不同结构面及不同形态的危岩体进行了碰撞试验，研究了落石结构面对坡面冲击的不同作用影响；何思明等[4-7]针对崩塌滚石灾害的力学机理及落石在坡面上的运动特性进行研究，揭示了落石在坡面上的回弹规律，并提出了崩塌滚石灾害防治的关键技术；SPADARI等[8]对澳大利亚新南威尔士的滚石开展了原位坡面试验，研究了滚石在坡面上的运动特性；BUZZI[9]等基于室内试验对落石在边坡上的回弹恢复系数进行了研究；ASTERIOU[10]等研究了地质条件和运动参数对落石恢复系数的影响；蒋敦荣等[11]利用数值模拟研究了不同工况下落石冲击拱形明洞结构的动力响应特征；王东坡等[12]对彝良地震诱发的崩塌、落石等灾害特征进行了调查，为灾后重建提供了支持。

危岩落石前期勘察能够为危岩落石的分析与治理提供准确的影像信息，其中，无人机摄影测量技术能够准确、迅速、高效地获取正射影像信息，并进行地形图绘制，相对于传统测量方法，具有工期短，成本低，能适应复杂地形环境的优势[13]。随着计算电子技术的快速发展，无人机倾斜摄影在露天煤矿、复杂山区、农村拆迁、城市建设等[14-21]诸多领域受到越来越多的应用，为工程技术人员的勘察提供了便利。虽然国内外众多学者对危岩落石灾害进行了大量研究，但较少与先进的工程勘察技术(无人机倾斜航空摄影、激光三维扫描技术等)相结合。

以黔张常铁路为依托，通过无人机倾斜航空摄影及实景三维建模技术获取边坡坡型，研究位于张家界禾家村车站工点边坡的落石运动特性，为危岩落石防治措施的修建及改造提供数据支持，为类似工程中危岩落石的勘察研究提供借鉴。

1 工程概况

新建黔江至张家界至常德铁路位于湘西北、鄂西南和渝东南交界地带，线路自渝怀铁路黔江站引出东行，沿途经重庆市、湖北省、湖南省，铁路正线长336.3 km。沿线地形起伏较大，岩壁陡峻，基岩出露，地层为第四系全新统坡积粉质黏土、细角砾土，全新统及上更新统冲积粉质黏土、细(粗)圆砾土，下伏基岩为志留系下统龙马溪组页岩夹砂岩。地质灾害突出，其中，以危岩落石不良地质对线路的危害较为严重。工点位于张家界禾家村车站内，地貌属低山山麓及澧水宽谷区，山坡坡度较陡，一旦发生落石，会给铁路安全带来严重威胁。

2 无人机倾斜摄影测量

张家界禾家村车站工点山体陡峻，人员无法登临调査，因此，采用无人机倾斜航空摄影手段对线路右侧山体进行调査。航摄作业区域为湖南省张家界市永定区东禾家村，坐标29°10′25.75″，110°37′36.93″，面积约1.1 km2。测量区域范围示意如图1所示，其中，红色区域为机场限高区，需控制无人机飞行高度。

图1 测量区域示意(红色为机场限高区)

2.1 外业像控点布设

通过布设外业像控点，满足1∶500航测制图精度，为内业数据处理提供像片控制数据。布设间隔为200 m左右1个点，测区共布设约30个像控点，采用中海达RTK联合千寻Cors基站的方式进行测量，获取外业布设像控点的真实三维坐标信息，为内业数据处理及建模提供精度依据。像控点布测如图2所示。

图2 布测像控点

2.2 无人机航空摄影

判断作业当天的天气条件，包括光照、能见度及风速，严格按照设计要求进行航摄飞行。整个测区共布设20条航线，分5个飞行架次完成。车站起降点3个架次，山顶2个架次。每个飞行架次约30 min。影像分辨为2～3 cm，满足优于3 cm。整个飞行共获取10 528张影像，影像清晰，层次丰富，反差适中，色调柔和。能辨认出与地面分辨率相适应的细小地物影像；能够建立清晰的立体模型。影像上没有云、云影、烟、大面积反光、污点等缺陷。利用影像预处理软件对所拍摄航片进行影像畸变差改正，输出TIFF影像数据，GPS曝光点坐标等相关信息。像片倾角一般不大于5°，最大不超过12°，出现超过8°的片数不多于总数的10%。特别困难地区一般不大于8°，最大不超过15°，出现超过10°的片数不多于总数的10%。在现场车站起降3个架次，在山顶起降2个架次，其拍摄现场分别如图3、图4所示。

图3 车站起降3个架次

图4 山顶起降2个架次

3 实景三维建模关键技术

通过无人机倾斜航空摄影采集的数据，可利用ContextCapture软件进行实景三维建模，对工点现场的真实场景进行还原，为现场工点点云数据的获取提供基础。

3.1 多视影像联合平差

ContextCapture软件中多视影像不仅包含垂直摄影数据，还包括倾斜摄影数据。因此，多视影像联合平差需充分考虑影像间的几何变形和遮挡关系。结合POS系统提供的多视影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略在每级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束发平差，得到较好的同名点匹配成果。ContextCapture软件中多视影像联合平差示意如图5所示。

图5 多视影像联合平差

3.2 多视影像密集匹配

多视影像具有覆盖范围大、分辨率高的特点。由于单独使用一种匹配基元或匹配策略往往难以获取建模需要的同名点，因此，近些年来随着计算机视觉发展起来的多基元、多视影像匹配逐渐成为研究重点。例如，建筑物侧面的自动识别与提取，通过搜索多视影像上的特征如建筑物边缘、纹理，来确定建筑物的二维矢量数据影像上不同视角的二位特征，可以转化为三维特征。通过对侧面进行三维重构，提取建筑物的高度和轮廓。倾斜实景三维建模原理如图6所示。

图6 倾斜实景三维建模原理

3.3 三维数字表面模型生成及纹理映射

视影像密集匹配能得到高精度高分辨率的数字表面模型(DSM)，在获取高密度数字表面模型后，进行滤波处理，并将不同单元融合形成统一的DSM。同时，在多视影像上通过影像分割、边缘提取、纹理聚类等方法获取像方的语义信息，再经过密集匹配建立物方和像方同名点对应关系，继而建立全局优化采样策略和顾及几何辐射特征的联合影像纠正，整体匀光处理，将纹理表面信息映射到模型上，实现实景三维模型的重构。利用ContextCapture软件得到的现场实景三维模型效果如图7所示。

图7 实景三维模型

4 工点边坡断面的获取

通过对禾家村车站工点现场无人机的拍摄，利用实景三维建模关键技术实现了现场工点的实景还原。三维实景模型可输出.stl的格式数据，转化为密集点云，具备高精度的三维坐标信息。将获取的点云导入3DReshaper软件中可提取断面信息，得到边坡坡面形状、坡高、斜率等信息。将点云导入到3DReshaper软件中的示意如图8所示。

图8 点云在3DReshaper软件中的示意

3DReshaper是一款专门用于点云处理、3D网格、3D检测、多线、CAD曲面等的软件。将点云导入到3DReshaper软件后，由于点云的坐标与后续利用Rocfall分析软件中的坐标不一致，因此，需进行一定的坐标转换。3DReshaper软件中有专门的地面提取功能，可模拟得到三维边坡的地面信息以及陡峭的岩石山崖断面。然后，利用软件中的断面提取器可以提取到二维.dxf格式的边坡断面，为后续边坡落石轨迹的计算提供基础。通过地面提取器获得的断面示意如图9所示，其中，绿色线为提取的边坡断面位置。

图9 边坡坡型断面提取示意

5 RocFall软件数值模拟

5.1 RocFall软件工作原理

RocFall软件是由Rocscience公司于1996年研发的专业岩土工程分析软件，是用来专门模拟陡峭岩质边坡落石统计分析软件。其计算原理为：边坡上部的危石块体相对边坡中下部具有较大的势能，危石在自然重力的作用下从静止开始向下运动，危石变成落石，速度以重力加速度增长，势能转换为动能，当落石与坡面接触发生反弹，根据坡面接触点的法向弹性系数和切向摩擦系数的不同，落石的弹跳高度亦不同。此时，接触坡面对落石产生消能作用，致使落石的动能衰减，直至落石停留动能为零。整个过程遵循能量的转化和守恒定律。

RocFall软件运算有三部分：点的运算、弹跳运算、滑落运算。点的运算决定参与模拟的参数是否正确，建立所有弹跳运算和滑落运算的初始条件，并且启动弹跳运算；弹跳运算用于计算落石从一点离开坡面跳跃到另一点，在空中运动的过程；滑落运算则用于落石接触斜坡的运动过程。软件大部分运算是空中抛物线运动及落石与地面撞击运动两个过程。其中，抛物线运动方程为

(1)

(2)

式中，X1，Y1为直线段起点坐标，m；X2，Y2为直线段终点坐标，m；g为重力加速度，m/s2；VX0，VY0为落石初始速度，m/s，一般取0。

撞击时间方程为

(3)

5.2 参数选取

采用RocFall软件模拟落石运动，RocFall程序主要通过输入一些有关斜坡和落石的基本参数，模拟显示落石在斜坡上的运动路径、能量分布和高度变化，从而为防护治理设计提供直观有效的依据。

将从3DReshaper软件中得到的.dxf格式的边坡断面导入RocFall软件中，并根据坡面特征，及叶四桥[22]建议恢复系数的选取，如表1所示，输入边坡的法向恢复系数、切向恢复系数以及摩擦角三种参数即可进行计算。由于本工程边坡主要是带有强风化硬岩表面且带有植被，故取法向恢复系数0.35，切向恢复系数0.88，摩擦角30°；水平路基面主要是松散碎石路面，选取法向恢复系数0.25，切向恢复系数0.60，摩擦角30°，落石质量1 000 kg，选取其中5个代表性断面进行计算。其中，输入到RocFall软件中的断面2示意如图10所示。

表1 叶四桥[22]建议恢复系数的选取范围

图10 RocFall软件中的断面2示意

5.3 落石轨迹计算

由于5个断面的运动轨迹类似，因此只选取典型断面2的运动轨迹作为示意。利用RocFall软件计算得到断面2的落石运动轨迹，如图11所示。

图11 断面2的落石运动轨迹

从图11可以看出，由于坡面较崎岖，造成落石在坡面上多次碰撞反弹，且在靠近边坡底部的地方有一处高136.21 m，与水平线近似54°的陡崖，造成落石弹跳后最终以一个较高的高度落下，运动至边坡底部，并在铁路线路水平面上发生反弹后最终停留在铁路线路上。

5.4 弹跳高度计算

落石在坡面上发生弹跳后，会存在一个高度峰值，通过RocFall软件提取出5个断面的最大弹跳高度数据，得到落石最大弹跳高度包络线，如图12所示。

图12 断面1～断面5的落石弹跳高度包络线

从图12可以看出，受断面地形高低起伏不同，5个断面的弹跳高度起伏差异较大；落石在边坡发生滚落运动过程中产生的最大弹跳高度达到30 m，其落石落点位于上部陡崖(坐标为零左侧)附近；落石运动至铁路线路(坐标为零右侧)附近时，弹跳高度在15～25 m，落石存在入侵铁路所在区域的可能性，威胁铁路运营安全，因此，有必要对该处边坡进行落石防护。

5.5 冲击能量计算

落石在5个不同断面的最大冲击能量包络线如图13所示。

图13 断面1～断面5落石冲击能量包络线

从图13可以看出，5个断面的最大冲击能量曲线趋势大致相同，在上部陡崖(坐标为零左侧)附近具有最大冲击能量；落石在边坡发生滚落运动过程中产生的最大冲击能量达到2 300 kJ，发生在断面2上部陡崖附近；落石运动至铁路线路(坐标为零右侧)附近时，冲击能量为800～1 600 kJ，仍然具有较大的冲击能量，落石存在入侵铁路所在区域的可能性，威胁铁路运营安全，有必要对该处边坡施加防护措施以减小落石的冲击能量。

5.6 冲击速度计算

落石在5个不同断面的最大冲击平移速度曲线如图14所示。

图14 断面1～断面5落石平移速度曲线

从图14可以看出，5个断面的落石最大冲击平移速度曲线趋势大致相同，整体上呈“凸”起趋势；在上部陡崖(坐标为零左侧)附近具有最大冲击速度，最大平移速度达到45 m/s，发生在断面2上部陡崖附近；落石运动至铁路线路(坐标为零右侧)附近时，冲击速度为21～35 m/s，仍然具有较大的冲击速度，随时存在入侵铁路所在区域的可能性，威胁铁路运营安全，因此，有必要在该处边坡施加防护措施，保障铁路的正常运行。

采用RocFall软件计算得出，落石在坡面上运动过程中会出现较大的弹跳高度，运动至坡底时仍具有较大的冲击能量和运动速度，威胁着铁路的正常运营。因此，建议在陡坡坡面上加设一层主动帘式防护网，限制落石弹跳高度，以降低落石在坡底的能量；为防止个别落石跃过主动帘式防护网，直接跳入坡底，威胁铁路安全，可以在陡坡底部建造拦石墙，以拦截落石，防止落石进入铁路线路，对铁路的正常运营造成影响。

6 结论

危岩落石研究较少与先进的工程勘察技术相结合，基于无人机倾斜摄影，实现了实景三维建模技术及点云数据信息在危岩落石运动特性分析中的应用。利用3DReshaper软件对点云进行了处理，得到了黔张常铁路中张家界禾家村车站高陡边坡的断面坡型，并导入RocFall软件中，对落石的轨迹、弹跳高度、冲击能量以及速度进行了分析，得到以下结论。

(1)对于高陡边坡，可采用无人机进行现场拍摄测量，利用实景三维建模关键技术实现现场工点的实景还原，并提取点云数据，经过对点云数据的处理，为落石运动特性的模拟提供真实的边坡断面信息，提高了落石轨迹模拟的准确性。

(2)RocFall软件可以很好地模拟落石运动轨迹，对施工过程中产生的落石进行提前风险预判。通过模拟落石运动轨迹，可以判断落石滚动影响区范围，分析落石弹跳高度及产生的冲击能量和冲击速度。

(3)经过对张家界禾家村车站高陡边坡落石运动轨迹的模拟，可以得出落石在下落至坡底后仍然具有较高的能量，除在坡底施加拦石墙防护措施外，还应该在边坡坡面上施加一层帘式主动防护网，限制落石的弹跳高度，分级降低落石的冲击能量，保障铁路运营安全。