周福軍

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

引言

為了進(jìn)一步促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，我國適時提出了“新時代推進(jìn)西部大開發(fā)形成新格局”的國家戰(zhàn)略部署。在以青藏高原為代表的復(fù)雜山區(qū)，越來越多的鐵路工程項目不斷規(guī)劃建設(shè)。

高原山區(qū)鐵路工程因其涉及的地貌單元和類型眾多，與傳統(tǒng)的山區(qū)勘察相比，地質(zhì)條件更加復(fù)雜，面臨高海拔.大落差.缺氧.嚴(yán)寒等惡劣自然環(huán)境，為鐵路工程地質(zhì)勘察設(shè)計工作帶來極大困難。

為了獲得復(fù)雜條件下翔實的鐵路勘察成果，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者和專家提出“空天地”綜合技術(shù)方案[1-3]，但是衛(wèi)星遙感手段精度有限，地面勘察手段成本費(fèi)用大.工期時間長[4]。無人機(jī)勘察技術(shù)，因其布置靈活.方便快捷.精度高.成本低等技術(shù)優(yōu)勢[5-6]，并通過搭載高精度測量設(shè)備，可降低人力和時間成本，并可解決地形陡峻及大落差的勘察地形問題，是山區(qū)鐵路勘察有效的技術(shù)手段。本文依托川藏鐵路工程實踐，開展了高原復(fù)雜艱險山區(qū)無人機(jī)勘察技術(shù)研究和工程應(yīng)用。

1 無人機(jī)傾斜攝影勘察技術(shù)原理

1.1 飛行平臺及搭載設(shè)備

川藏鐵路作為藏區(qū)高原新的世紀(jì)工程，線路里程長.工程規(guī)模大，工程設(shè)置以橋梁.隧道為主，穿越典型的“V”形山谷，山嶺海拔在4 000～5 000 m以上，相對高差一般在2 000～3 000 m，高海拔.大落差.高寒.缺氧的復(fù)雜環(huán)境，對無人機(jī)穩(wěn)定工作.高效高質(zhì)量勘察提出了巨大挑戰(zhàn)。

本文選擇降雨量小.植被少.基巖裸露的高山峽谷區(qū)，采用靈活機(jī)動的無人機(jī)飛行平臺，搭載多鏡頭傾斜相機(jī)，以實現(xiàn)高精度清晰地面測繪數(shù)據(jù)采集[7]，圖1所示為無人機(jī)傾斜攝影勘察作業(yè)示意。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影影像獲取

經(jīng)過調(diào)研及現(xiàn)場測試，多旋翼無人機(jī)平臺飛行起降平穩(wěn)，對地形具有更高的適應(yīng)性，更加符合復(fù)雜山區(qū)鐵路實際工作要求，同時考慮無人機(jī)最大載重.最大續(xù)航能力，以及支持的最高海拔等要素，最終確定六旋翼.長續(xù)航.高原型無人機(jī)作為勘察作業(yè)平臺。傾斜相機(jī)采用五拼鏡頭傾斜相機(jī)，實現(xiàn)高精度影像數(shù)據(jù)獲取。表1為研究采用的無人機(jī)平臺.傾斜相機(jī)參數(shù)。

表1 川藏鐵路無人機(jī)平臺及傾斜相機(jī)參數(shù)

1.2 傾斜攝影勘察技術(shù)流程

根據(jù)依托項目特殊的地形條件和勘察需求，制訂了有針對性的勘察作業(yè)技術(shù)流程。

(1)勘測飛行準(zhǔn)備

針對高原山區(qū)鐵路特殊飛行作業(yè)環(huán)境，提前準(zhǔn)備測區(qū)DEM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并下載導(dǎo)航地圖.進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，重點(diǎn)了解測區(qū)地形高差.突兀地物高度等影響飛行的因素，指導(dǎo)航攝設(shè)計。

設(shè)計航線布置，制定飛行計劃，提出了滿足勘測精度.保障飛行安全的復(fù)雜山區(qū)自適應(yīng)變高飛行作業(yè)模式[8-9]，實現(xiàn)無人機(jī)隨地形起伏進(jìn)行仿地飛行勘測作業(yè)。

(2)現(xiàn)場勘測作業(yè)

嚴(yán)格執(zhí)行無人機(jī)作業(yè)流程，及時下載備份勘測數(shù)據(jù)，進(jìn)行區(qū)域像控點(diǎn).地面靶標(biāo)施測，尤其針對高陡山區(qū)地形.雪天復(fù)雜環(huán)境，靈活設(shè)置地面靶標(biāo)。如圖2所示。

圖2 雪天無人機(jī)傾斜攝影地面靶標(biāo)設(shè)置

(3)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)機(jī)載POS數(shù)據(jù)及地面基站數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算，計算影像外方位元素，采用傾斜攝影后處理軟件，建立測區(qū)真實三維傾斜模型，實現(xiàn)勘測區(qū)域的高精度地表三維重建。

1.3 傾斜模型地質(zhì)解譯與信息提取

(1)專業(yè)軟件研發(fā)

無人機(jī)搭載傾斜相機(jī).三維激光掃描等勘測儀器設(shè)備，能夠獲得高質(zhì)量.高分辨率.高精度測繪數(shù)據(jù)，現(xiàn)行的國內(nèi)外軟件產(chǎn)品Context Capture.Photoscan.OpenDroneMap等，僅能實現(xiàn)傾斜影像.點(diǎn)云等三維建模[6]，不具備勘察解譯.地質(zhì)信息提取等的專業(yè)應(yīng)用功能。

為此，自主研發(fā)了低空航攝地質(zhì)解譯軟件系統(tǒng)(圖3)，實現(xiàn)了區(qū)域遙感與無人機(jī)高精勘測的聯(lián)合建模，提供了傾斜模型.點(diǎn)云數(shù)據(jù).DOM.DEM等數(shù)據(jù)集成功能，研發(fā)了地層巖性.地質(zhì)構(gòu)造.不良地質(zhì).巖體信息等專業(yè)解譯工具，實現(xiàn)了解譯成果多種文件格式轉(zhuǎn)化.信息便捷統(tǒng)計等功能，解決了傳統(tǒng)GIS平臺專業(yè)工具匱乏的問題，為綜合勘察和分析評價提供工作環(huán)境。

圖3 軟件系統(tǒng)無人機(jī)傾斜模型與遙感融合

(2)傾斜地質(zhì)解譯

區(qū)別于衛(wèi)星遙感的宏觀解譯，以無人機(jī)傾斜勘測，實現(xiàn)工程測區(qū)地表特征，以及滑坡.泥石流.危巖體等各類不良地質(zhì)現(xiàn)象高精度.高清晰度真實傾斜建模[10-11]，其成像質(zhì)量更高.圖形紋理更清晰[12]，利用直觀立體三維地質(zhì)解譯工具，清晰識別地層巖性.斷層構(gòu)造.滑坡地貌.泥石流溝谷縱坡[13].巖體產(chǎn)狀和節(jié)理等各類地質(zhì)要素的地貌特征.邊界條件.發(fā)育特點(diǎn)[14-15]，可更加準(zhǔn)確地解譯和判識各類地質(zhì)信息。

2 巖體結(jié)構(gòu)信息提取原理

以三維傾斜攝影模型為基礎(chǔ)，改變?nèi)斯y量費(fèi)時.隨機(jī)性高的缺點(diǎn)，通過捕捉巖體結(jié)構(gòu)面特征點(diǎn)，建立不規(guī)則平面的空間擬合方程，實現(xiàn)巖層.巖體結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀信息的便捷.定量獲取。

假設(shè)待量測的結(jié)構(gòu)面空間特征點(diǎn)P1，P2，…，Pn的坐標(biāo)分別為(X1，Y1，Z1).(X2，Y2，Z2)，…，(Xn，Yn，Zn)，設(shè)結(jié)構(gòu)面方程為Z=A′X+B′Y+D′，則結(jié)構(gòu)面法向量(以向上為準(zhǔn))n=(-A′，-B′，1)，依據(jù)結(jié)構(gòu)面邊界測量的特征點(diǎn)P1，P2，…，Pn的坐標(biāo)，解算法向量n，然后依據(jù)n結(jié)合判據(jù)求取產(chǎn)狀(傾向β，傾角α)。

圖4 巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計算原理

(2)A′≠0時，

在三維模型環(huán)境中，測量結(jié)構(gòu)面輪廓特征點(diǎn)坐標(biāo)，可以解算產(chǎn)狀的同時，確定跡線及解算跡長，即：通過測量結(jié)構(gòu)面輪廓特征點(diǎn)坐標(biāo)，解算所有點(diǎn)與點(diǎn)之間距離，取最長的兩點(diǎn)連線作為跡線，進(jìn)而實現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)面跡長解算。

巖體結(jié)構(gòu)張開度，則是通過測量結(jié)構(gòu)面張開兩側(cè)的端點(diǎn)距離實現(xiàn)解算。

3 無人機(jī)傾斜攝影勘察工程應(yīng)用

為了指導(dǎo)川藏鐵路線路方案優(yōu)化.服務(wù)橋隧相連的高陡斜坡工程設(shè)計，開展了大量無人機(jī)傾斜攝影勘測工程實踐，實現(xiàn)了多種類型的不良地質(zhì)精確解譯，獲取了豐富的定量勘察數(shù)據(jù)[16]，極大地提高了藏東南高原復(fù)雜山區(qū)勘察工作效率和勘測質(zhì)量。

(1)滑坡判識

通過高清三維傾斜模型，利用高分辨率無人機(jī)攝影影像數(shù)據(jù)，能夠更加清晰的識別滑坡地貌要素[17]，查清滑坡圈椅邊界.明顯負(fù)地形，以及滑坡下錯臺坎.堆積特征等，也可準(zhǔn)確獲取滑坡發(fā)育的幾何與空間特征信息。如圖5所示。

圖5 滑坡三維傾斜判識

(2)泥石流判識

通過高清三維傾斜模型，可清晰獲得勘測區(qū)泥石流完整地形地貌發(fā)育形態(tài)，并可分析溝內(nèi)松散堆積物分布特征，獲得坡度.坡向.溝縱等準(zhǔn)確地形參數(shù)，為泥石流評價.分析和計算提供支持(圖6)。

圖6 泥石流三維傾斜判識

(3)危巖體判識

根據(jù)傾斜攝影數(shù)據(jù)，構(gòu)建巖質(zhì)邊坡三維模型，可更加清晰的分析坡體發(fā)育特征，實現(xiàn)高陡邊坡危巖體準(zhǔn)確判識[18-19]，獲得危巖體發(fā)育的空間幾何參數(shù)(圖7)，判識成果為邊坡穩(wěn)定性評價.防治工程設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖7 危巖體三維傾斜判識

(4)巖體結(jié)構(gòu)信息定量提取

選擇川藏鐵路某特大橋工點(diǎn)，山頂高程為4 020 m，河谷高程為3 040 m，整體高差約1 000 m。人工地表調(diào)繪實施難度大.風(fēng)險高，借助無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，實現(xiàn)高陡斜坡三維傾斜實景建模[20]，以擬建橋位北岸為例，解譯獲得結(jié)構(gòu)面4731條(圖8.圖9)。根據(jù)獲取的結(jié)構(gòu)面信息解譯成果數(shù)據(jù)，開展數(shù)理統(tǒng)計分析，對結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行優(yōu)勢分組劃分，并形成三維跡線圖(圖10).跡長分布信息圖(圖11).產(chǎn)狀極點(diǎn)圖.節(jié)理玫瑰花圖等系列成果圖件。

圖8 巖體結(jié)構(gòu)信息定量提取

圖9 測區(qū)巖體結(jié)構(gòu)跡線俯視圖

經(jīng)K-S檢驗，本測區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面跡長服從對數(shù)正態(tài)分布(圖10)。

圖10 結(jié)構(gòu)面跡長對數(shù)頻率直方圖

對本測區(qū)北岸測量的結(jié)構(gòu)面信息，采用概率統(tǒng)計的方法進(jìn)行巖體隨機(jī)結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢組數(shù)劃分，得出北岸的優(yōu)勢組數(shù)劃分。如表2所示。

表2 測區(qū)北岸巖體結(jié)構(gòu)面分組

以第1優(yōu)勢組數(shù)劃分結(jié)果，采用右手法則表示的極點(diǎn)密度圖.走向玫瑰花見圖11。

圖11 結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)密度.走向玫瑰花圖

通過地質(zhì)信息提取和數(shù)理統(tǒng)計，獲得了豐富的巖體結(jié)構(gòu)面解譯成果，為斜坡巖體結(jié)構(gòu)分析.穩(wěn)定性評價.橋梁墩臺基坑設(shè)計.邊坡加固設(shè)計等提供翔實數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和有力技術(shù)支持。

4 結(jié)論

針對高原復(fù)雜山區(qū)勘察技術(shù)難題，研究無人機(jī)傾斜攝影勘察技術(shù)，服務(wù)典型鐵路工程項目，通過技術(shù)研究和工程實踐，結(jié)論如下。

(1)“無人機(jī)搭載傾斜攝影”勘察技術(shù)，改變了傳統(tǒng)人工勘察技術(shù)手段，突破了大落差陡峻地形影響，提高了鐵路勘察工作效率和精度。

(2)研發(fā)形成的低空攝影地質(zhì)解譯軟件，實現(xiàn)了大范圍衛(wèi)星影像和高精度真實模型聯(lián)合三維建模，可實現(xiàn)滑坡.泥石流.危巖落石等不良地質(zhì)的準(zhǔn)確判識解譯，為鐵路勘察設(shè)計提供了新的技術(shù)手段。

(3)基于高精度三維傾斜實景模型，捕捉巖體結(jié)構(gòu)面特征點(diǎn)，建立了不規(guī)則平面的空間擬合方程，可定量獲取巖層.巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的空間幾何信息，為工程設(shè)計提供豐富數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

致謝感謝吉林大學(xué)王鳳艷老師.成都理工大學(xué)董秀軍老師對本文給予的指導(dǎo)!