无人机摄影测量在超高陡危岩体整治工程中的应用

杨俊斌 张治平 刘骏

铁科院（深圳）研究设计院有限公司，广东 深圳 518054

危岩体崩塌是山区铁路等基础设施主要地质灾害之一，落石区域大多具有山体陡峭、地质环境复杂、勘察工作难度大、灾害危险等级高等特点，其应急处置往往要求在数天乃至数小时内快速准确地完成［1-2］。无人机摄影测量技术通过地物三维建模得到的地形、影像、模型等成果可作为防灾减灾处治方案详细设计的重要依据。杨力龙［3］通过高陡边坡影像及模型解译，得到危岩体的节理产状及岩层信息并进行了稳定性分析；王栋等［4］提出了危岩体结构面组合体积测量法，进行危岩体空间几何特征测量，获取危岩体体积和节理面产状等参数；黄恒［5］基于无人机航测影像，开发了危岩体裂缝特征提取系统；徐画等［6］基于无人机摄影测量技术，在所构建危岩体三维模型基础上提取结构面产状等主要参数信息；廖斌等［7］通过建立危岩体三维实景模型，在所获取岩体结构特征基础上分析了危岩体的潜在运动路径及运动特性，定性和定量评价了危岩体的稳定性。无人机摄影测量技术具有高精度、高效率、非接触等优势，在危岩体勘察中逐渐成为一种安全可靠的技术手段，但其在超高陡危岩体整治工程中的应用研究仍较少，且在航测实施过程中仍存在一些不足。本文通过梳理无人机技术在我国危岩体整治工程中的应用特点和应用场景，并结合具体工程案例对无人机的实际应用进行探讨。

1 超高陡岩面贴壁摄影测量技术

无人机地质灾害航测工作需要根据现场环境确定航测方案，现阶段对于在坡度极陡地形上发育的灾害体如危岩体，主要采用垂直网格型航线，如图1所示。各水平航线的平面位置可保持重叠，仅变化飞行高度，控制相机镜头始终水平指向灾害体，且尽可能保持无人机与灾害体直立面的距离相对固定。但实际危岩体的高陡岩壁表面并不完全与水平面垂直，往往存在较大凹凸不平的岩体，若采用直立飞行航测方案，无人机相对壁面的实际距离在不同位置可能产生较大的差异，造成航片中壁面的分辨率相差较大，导致凸出处与凹陷处重叠度不足，进而会在建模成果中出现漏洞、拉花、模糊等情况，影响最终成果的正确性与可靠性，甚至导致建模失败。若过于追求高精度而使无人机与直立面的距离过小，则可能会出现无人机撞山的危险事件。

图1 垂直网格型航线规划方案

在超高陡危岩体航测中实现贴壁航测是一种较好的解决方案，即在规划航线时令无人机与山体岩壁的真实表面保持固定距离，在保证模型精度的同时提高作业安全性。贴壁航测作业流程如图2所示。

图2 贴壁航测作业流程

1）初步建立危岩体整体区域模型，采用常规正射影像规划航线及垂直网格型航线进行初飞获得航片后，在航测处理软件中以低精度标准快速建立危岩体区域三维模型。然后在模型中选取一处人员可达的空旷地面作为起飞点进行标记，通过航线规划工具划定贴壁航测目标区域，并设定无人机相机焦距、目标航片精细度、在模型表面飞行的最小安全距离、航片重叠度、起飞点、航点数量等参数，即可自动计算生成贴壁航测航线及每个航点处相机朝向。

2）检查航线并将不恰当的航点移动或删除，导出为路径文件并导入无人机飞行控制软件中，识别为飞行参照的航线，即可执行航测任务。

3）航测任务完成后，通过采集的与岩壁保持固定距离的航片，可建立精度更高的三维实景模型和数值模型，以供后续分析及工程应用。

2 无人机辅助技术

2.1 无人机辅助工程勘察设计

超高陡危岩体一般分布在自然环境条件较为恶劣的高山峻岭中，地形地貌复杂，依靠人工进行现场调查极其困难，且危险程度非常高。无人机航测技术可以准确获取危岩体的分布、大小和形态，裂缝位置和宽度，以及岩层产状等信息，进而为辅助分析危岩体破坏模式与稳定程度提供可靠的现场依据，提高危岩体勘察设计工作的准确性。

2.2 无人机辅助工程测绘

危岩体地理位置多属偏僻山区，地势高陡，且整治工程属于空间立面施工，一般常规测量仪器无法开展，对现场测绘、施工放线、验收计量等工作造成了极大的困难。利用无人机贴壁航测三维建模成果，通过无人机搭载的激光发射器等仪器进行施工定位放线、测距、高度和角度测量，可以准确、高效、快速地完成地形地貌勘察、施工放线、工程计量等测绘工作，有效减少人工测量误差，降低人工成本和山区测量工作安全风险［8］。测量结果还可辅助对施工现场和设计图纸进行整治范围及工程量的复核，如有差异可及时变更，并根据实际情况对资源配置计划进行调整。

2.3 无人机辅助危岩体变形监控

常规危岩体变形监控方案通常采用接触式表面变形监测设备或非接触式远程信息采集设备［9］，在山体坡脚或邻近山腰处架设测量机器人、激光扫描仪、射频识别系统等设备进行监测工作。但受场地限制、价格昂贵、安全风险、采集密度不足等影响，难以进行全面的危岩体监测工作，仍需投入大量的人力物力以克服各种不利因素，且时效性较差，难以将变形监控常态化。此外，在超高陡危岩体岩面范围，布设与安装监测设备的精确点位亦难以确定。

无人机技术可部分代替常规危岩体监测手段，通过在无人机上搭载相机云台或其他传感器，提前布设控制点进行量测，获取像控点进行航测作业，即可快速、高效地完成监测数据采集工作。获得详细的原始数据后，利用所建三维实景模型，通过软件进行分析与处理即可获得具体的变形监控结果。搭载RTK高精度定位设备的专业无人机可将变形监控精度提高到厘米级甚至亚厘米级。

2.4 无人机辅助工程管理

无人机技术已在高速铁路、公路等工程信息化管理中得到应用。利用无人机航测成果，决策者能及时掌握各施工面情况，同时从高角度、多维度的视点对整个施工现场进行观察及把控。危岩体整治工程施工困难，工程质量难以监督，安全风险极高。采用无人机对危岩体整治区域采集影像资料等数据，根据数据对危险等级加以分区，合理进行施工组织设计，并在施工过程中进行动态安全监控，能大大降低危岩体整治工程的安全风险。

3 危岩体整治工程应用案例

3.1 工程概况

渝怀铁路K158+837白马1#隧道位于白沙沱—白马区间，隧道所处山体仰坡自下而上呈折线型，坡度45°～90°。其中，距离轨面195～330 m高度范围内系灰岩陡壁，长约200 m，最高约140 m，分布大量危岩体，规模大，稳定性差，如图3所示。灰岩陡壁下方圈椅状陡坡，岩体松弛，张开裂隙发育，多道后缘陡倾裂缝贯通且深，存在错滑失稳的可能。上段的1#极严重危岩体最宽部位达72 m，高约77 m，可见表层平均厚度约4.4 m，体积约11 650 m³；背后裂缝最大宽度达到1.45 m，与母岩基本脱离，仅下部与山体连接而处于欠稳定状态，随时有发生崩塌的可能。危岩体一旦发生崩塌，将直接冲毁小角邦沟大桥并掩埋白马1#隧道进口，极大地威胁渝怀铁路行车安全，亟需对此隧道仰坡超高陡危岩体进行专项应急整治。

图3 白马1#隧道进口仰坡航测模型

3.2 航测数据采集与建模成果

首先通过常规航线规划航测并建立危岩体区域粗模，然后根据划定的危岩体贴壁航测目标区域，在航线规划工具中设定Phantom 4相机参数、起飞点，目标精度1.0 cm∕px、最小安全距离10 m、航片重叠度70%、不限制单条航线航点数量等参数，计算生成贴壁航测航线，如图4所示。其包含1 232个相机点位，检查航线并导入无人机飞行控制软件后即可执行航测任务。航测任务完成后，建立三维实景模型。

图4 贴壁航测航线与航点示意

选取1#极严重危岩体中凸出岩壁的部分区域，将其与初测粗模中的对应区域进行模型细节对比，如图5所示。可知：贴壁模型中岩壁细节显著增加，岩面纹理乃至植被等清晰可见，仅有极少数模型贴图的扭曲变形，且可观察到该区域危岩体与母岩脱离的裂缝，表明贴壁航测方案可生成极为精细的三维实景模型。

图5 危岩体局部模型对比

3.3 无人机辅助危岩体整治工程

3.3.1 整治工程全过程测绘

1）在勘察设计阶段，通过无人机对人力难以到达区域的地形与岩面形貌进行航测，详细调查整个区域危岩体的分布、形状尺寸、裂缝分布及宽度和渗漏水情况，同时辅助对危岩体破坏模式分析及对各危岩区域稳定程度判断。整个危岩体区域按危险等级划分为4个区域：1#极严重危岩体区，2#、3#严重危岩区和4#一般危岩体区，为工程措施的设计提供充分且精确的现场依据。

2）危岩体整治工程中采用钢锚管、锚索和框架梁为主要施工工艺，同时搭设悬挑脚手架作为施工平台。施工过程中应对总共520根锚索钻孔、1 062个钢锚管钻孔、1 924个工字钢悬挑梁钻孔和其他70个钢丝绳钻孔点位进行精确放样，以确保危岩体整治工程的加固和外观效果。基于贴壁航测所得三维实景模型，通过正投影的方式把设计钻孔点位准确布置在实景模型上，再在现场通过实地比对的方式进行钻孔点位辅助放样，与原定人工施测方案相比节省了人力、材料等费用20余万元，且有效保证了施工工期。

3）在施工期间，基于航测资料和实景模型，非常方便和直观地统计了主动防护网、框架梁、脚手架等工程数量，有效节省了人力物力。

3.3.2 危岩体变形辅助监控

该工程危岩体分布范围广，稳定性低，需要在施工前布置大量的监测元件对危岩体进行变形监测，以保障施工及铁路营业线安全。

1）由于危岩体坡面高陡，通过无人机实时影像，指导蜘蛛人进行现场安装和调试，成功完成了16组危岩体变形监测元件的安装工作。

2）通过对危岩体进行周期性航测，获取危岩体不同期次的三维实景模型及数字地表模型，再对相邻期次模型进行叠加计算，将计算结果导入三维软件进行分析，根据分析结果可以评价不同阶段危岩体的整体变形情况和稳定性，为施工和铁路运营安全提供及时可靠的监测数据。

3.3.3 危岩体整治工程管理

1）由于该危岩体整治工程均为高空作业，施工范围广、作业点多，安全管理责任重大。采用无人机快速对当天作业的重要区域进行巡查，对塔吊吊运物质、脚手架等施工区域的安全隐患、施工人员的人身安全、违规作业等进行监控，从而方便地进行安全管理。

2）在项目初期，通过航测结果为施工便道设置、塔吊安装位置及型号选择、施工工序安排等提供现场数据。在项目中后期，对主动防护网、框架梁外观及脚手架搭设质量进行初步判定，辅助工程质量验收。

3）通过无人机记录治理工程范围内的影像资料并整理为施工原始记录，直观地了解进度情况，从而对施工进度计划进行合理调整，并根据新的计划对施工进行安全管理，保证安全、有序地完成施工任务。无人机航摄的影像资料同时作为施工资料的一部分，与施工日志一并存档，通过加入进度报告，使治理工程现场的总体进度得以直观呈现。

4 结论

1）超高陡危岩体区域采用贴壁航测的作业方案，可大大提高航测三维实景模型的精度。

2）无人机摄影测量技术能有效解决超高陡危岩体整治工程中的部分技术难题，如危岩体现场勘察，辅助整治工程设计，辅助危岩体变形监控、测量放线等。

3）无人机技术为超高陡危岩体整治工程管理提供了方便，能有效提高工程效率，减少施工管理成本，降低施工安全风险。

4）通过综合测算，在渝怀铁路K158+837超高陡危岩体整治工程中应用无人机摄影测量技术，降低了施工直接成本约115万元，缩短了实际工期43 d。