高原復雜山區鐵路無人機傾斜攝影勘察技術應用研究

2021-07-02 07:18:36周福軍

鐵道標準設計 2021年6期

關鍵詞：鐵路結構

周福軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

引言

為了進一步促進區域協調發展，我國適時提出了“新時代推進西部大開發形成新格局”的國家戰略部署。在以青藏高原為代表的復雜山區，越來越多的鐵路工程項目不斷規劃建設。

高原山區鐵路工程因其涉及的地貌單元和類型眾多，與傳統的山區勘察相比，地質條件更加復雜，面臨高海拔.大落差.缺氧.嚴寒等惡劣自然環境，為鐵路工程地質勘察設計工作帶來極大困難。

為了獲得復雜條件下翔實的鐵路勘察成果，當前國內外學者和專家提出“空天地”綜合技術方案[1-3]，但是衛星遙感手段精度有限，地面勘察手段成本費用大.工期時間長[4]。無人機勘察技術，因其布置靈活.方便快捷.精度高.成本低等技術優勢[5-6]，并通過搭載高精度測量設備，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，是山區鐵路勘察有效的技術手段。本文依托川藏鐵路工程實踐，開展了高原復雜艱險山區無人機勘察技術研究和工程應用。

1 無人機傾斜攝影勘察技術原理

1.1 飛行平臺及搭載設備

川藏鐵路作為藏區高原新的世紀工程，線路里程長.工程規模大，工程設置以橋梁.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.缺氧的復雜環境，對無人機穩定工作.高效高質量勘察提出了巨大挑戰。

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

圖1 無人機傾斜攝影影像獲取

經過調研及現場測試，多旋翼無人機平臺飛行起降平穩，對地形具有更高的適應性，更加符合復雜山區鐵路實際工作要求，同時考慮無人機最大載重.最大續航能力，以及支持的最高海拔等要素，最終確定六旋翼.長續航.高原型無人機作為勘察作業平臺。傾斜相機采用五拼鏡頭傾斜相機，實現高精度影像數據獲取。表1為研究采用的無人機平臺.傾斜相機參數。

表1 川藏鐵路無人機平臺及傾斜相機參數

1.2 傾斜攝影勘察技術流程

根據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技術流程。

(1)勘測飛行準備

針對高原山區鐵路特殊飛行作業環境，提前準備測區DEM數據基礎，并下載導航地圖.進行現場踏勘，重點了解測區地形高差.突兀地物高度等影響飛行的因素，指導航攝設計。

設計航線布置，制定飛行計劃，提出了滿足勘測精度.保障飛行安全的復雜山區自適應變高飛行作業模式[8-9]，實現無人機隨地形起伏進行仿地飛行勘測作業。

(2)現場勘測作業

嚴格執行無人機作業流程，及時下載備份勘測數據，進行區域像控點.地面靶標施測，尤其針對高陡山區地形.雪天復雜環境，靈活設置地面靶標。如圖2所示。

圖2 雪天無人機傾斜攝影地面靶標設置

(3)內業數據處理

根據機載POS數據及地面基站數據進行差分解算，計算影像外方位元素，采用傾斜攝影后處理軟件，建立測區真實三維傾斜模型，實現勘測區域的高精度地表三維重建。

1.3 傾斜模型地質解譯與信息提取

(1)專業軟件研發

無人機搭載傾斜相機.三維激光掃描等勘測儀器設備，能夠獲得高質量.高分辨率.高精度測繪數據，現行的國內外軟件產品Context Capture.Photoscan.OpenDroneMap等，僅能實現傾斜影像.點云等三維建模[6]，不具備勘察解譯.地質信息提取等的專業應用功能。

為此，自主研發了低空航攝地質解譯軟件系統(圖3)，實現了區域遙感與無人機高精勘測的聯合建模，提供了傾斜模型.點云數據.DOM.DEM等數據集成功能，研發了地層巖性.地質構造.不良地質.巖體信息等專業解譯工具，實現了解譯成果多種文件格式轉化.信息便捷統計等功能，解決了傳統GIS平臺專業工具匱乏的問題，為綜合勘察和分析評價提供工作環境。

圖3 軟件系統無人機傾斜模型與遙感融合

(2)傾斜地質解譯

區別于衛星遙感的宏觀解譯，以無人機傾斜勘測，實現工程測區地表特征，以及滑坡.泥石流.危巖體等各類不良地質現象高精度.高清晰度真實傾斜建模[10-11]，其成像質量更高.圖形紋理更清晰[12]，利用直觀立體三維地質解譯工具，清晰識別地層巖性.斷層構造.滑坡地貌.泥石流溝谷縱坡[13].巖體產狀和節理等各類地質要素的地貌特征.邊界條件.發育特點[14-15]，可更加準確地解譯和判識各類地質信息。

2 巖體結構信息提取原理

以三維傾斜攝影模型為基礎，改變人工測量費時.隨機性高的缺點，通過捕捉巖體結構面特征點，建立不規則平面的空間擬合方程，實現巖層.巖體結構產狀信息的便捷.定量獲取。

假設待量測的結構面空間特征點P1，P2，…，Pn的坐標分別為(X1，Y1，Z1).(X2，Y2，Z2)，…，(Xn，Yn，Zn)，設結構面方程為Z=A′X+B′Y+D′，則結構面法向量(以向上為準)n=(-A′，-B′，1)，依據結構面邊界測量的特征點P1，P2，…，Pn的坐標，解算法向量n，然后依據n結合判據求取產狀(傾向β，傾角α)。

圖4 巖體結構面產狀計算原理

(2)A′≠0時，

在三維模型環境中，測量結構面輪廓特征點坐標，可以解算產狀的同時，確定跡線及解算跡長，即：通過測量結構面輪廓特征點坐標，解算所有點與點之間距離，取最長的兩點連線作為跡線，進而實現巖體結構面跡長解算。

巖體結構張開度，則是通過測量結構面張開兩側的端點距離實現解算。

3 無人機傾斜攝影勘察工程應用

為了指導川藏鐵路線路方案優化.服務橋隧相連的高陡斜坡工程設計，開展了大量無人機傾斜攝影勘測工程實踐，實現了多種類型的不良地質精確解譯，獲取了豐富的定量勘察數據[16]，極大地提高了藏東南高原復雜山區勘察工作效率和勘測質量。

(1)滑坡判識

通過高清三維傾斜模型，利用高分辨率無人機攝影影像數據，能夠更加清晰的識別滑坡地貌要素[17]，查清滑坡圈椅邊界.明顯負地形，以及滑坡下錯臺坎.堆積特征等，也可準確獲取滑坡發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，可清晰獲得勘測區泥石流完整地形地貌發育形態，并可分析溝內松散堆積物分布特征，獲得坡度.坡向.溝縱等準確地形參數，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

根據傾斜攝影數據，構建巖質邊坡三維模型，可更加清晰的分析坡體發育特征，實現高陡邊坡危巖體準確判識[18-19]，獲得危巖體發育的空間幾何參數(圖7)，判識成果為邊坡穩定性評價.防治工程設計提供基礎數據。

圖7 危巖體三維傾斜判識

(4)巖體結構信息定量提取

選擇川藏鐵路某特大橋工點，山頂高程為4 020 m，河谷高程為3 040 m，整體高差約1 000 m。人工地表調繪實施難度大.風險高，借助無人機傾斜攝影測量技術，實現高陡斜坡三維傾斜實景建模[20]，以擬建橋位北岸為例，解譯獲得結構面4731條(圖8.圖9)。根據獲取的結構面信息解譯成果數據，開展數理統計分析，對結構面產狀進行優勢分組劃分，并形成三維跡線圖(圖10).跡長分布信息圖(圖11).產狀極點圖.節理玫瑰花圖等系列成果圖件。