無人機攝影測量在超高陡危巖體整治工程中的應用

楊俊斌 張治平 劉駿

鐵科院（深圳）研究設計院有限公司，廣東 深圳 518054

危巖體崩塌是山區鐵路等基礎設施主要地質災害之一，落石區域大多具有山體陡峭、地質環境復雜、勘察工作難度大、災害危險等級高等特點，其應急處置往往要求在數天乃至數小時內快速準確地完成［1-2］。無人機攝影測量技術通過地物三維建模得到的地形、影像、模型等成果可作為防災減災處治方案詳細設計的重要依據。楊力龍［3］通過高陡邊坡影像及模型解譯，得到危巖體的節理產狀及巖層信息并進行了穩定性分析；王棟等［4］提出了危巖體結構面組合體積測量法，進行危巖體空間幾何特征測量，獲取危巖體體積和節理面產狀等參數；黃恒［5］基于無人機航測影像，開發了危巖體裂縫特征提取系統；徐畫等［6］基于無人機攝影測量技術，在所構建危巖體三維模型基礎上提取結構面產狀等主要參數信息；廖斌等［7］通過建立危巖體三維實景模型，在所獲取巖體結構特征基礎上分析了危巖體的潛在運動路徑及運動特性，定性和定量評價了危巖體的穩定性。無人機攝影測量技術具有高精度、高效率、非接觸等優勢，在危巖體勘察中逐漸成為一種安全可靠的技術手段，但其在超高陡危巖體整治工程中的應用研究仍較少，且在航測實施過程中仍存在一些不足。本文通過梳理無人機技術在我國危巖體整治工程中的應用特點和應用場景，并結合具體工程案例對無人機的實際應用進行探討。

1 超高陡巖面貼壁攝影測量技術

無人機地質災害航測工作需要根據現場環境確定航測方案，現階段對于在坡度極陡地形上發育的災害體如危巖體，主要采用垂直網格型航線，如圖1所示。各水平航線的平面位置可保持重疊，僅變化飛行高度，控制相機鏡頭始終水平指向災害體，且盡可能保持無人機與災害體直立面的距離相對固定。但實際危巖體的高陡巖壁表面并不完全與水平面垂直，往往存在較大凹凸不平的巖體，若采用直立飛行航測方案，無人機相對壁面的實際距離在不同位置可能產生較大的差異，造成航片中壁面的分辨率相差較大，導致凸出處與凹陷處重疊度不足，進而會在建模成果中出現漏洞、拉花、模糊等情況，影響最終成果的正確性與可靠性，甚至導致建模失敗。若過于追求高精度而使無人機與直立面的距離過小，則可能會出現無人機撞山的危險事件。

圖1 垂直網格型航線規劃方案

在超高陡危巖體航測中實現貼壁航測是一種較好的解決方案，即在規劃航線時令無人機與山體巖壁的真實表面保持固定距離，在保證模型精度的同時提高作業安全性。貼壁航測作業流程如圖2所示。

圖2 貼壁航測作業流程

1）初步建立危巖體整體區域模型，采用常規正射影像規劃航線及垂直網格型航線進行初飛獲得航片后，在航測處理軟件中以低精度標準快速建立危巖體區域三維模型。然后在模型中選取一處人員可達的空曠地面作為起飛點進行標記，通過航線規劃工具劃定貼壁航測目標區域，并設定無人機相機焦距、目標航片精細度、在模型表面飛行的最小安全距離、航片重疊度、起飛點、航點數量等參數，即可自動計算生成貼壁航測航線及每個航點處相機朝向。

2）檢查航線并將不恰當的航點移動或刪除，導出為路徑文件并導入無人機飛行控制軟件中，識別為飛行參照的航線，即可執行航測任務。

3）航測任務完成后，通過采集的與巖壁保持固定距離的航片，可建立精度更高的三維實景模型和數值模型，以供后續分析及工程應用。

2 無人機輔助技術

2.1 無人機輔助工程勘察設計

超高陡危巖體一般分布在自然環境條件較為惡劣的高山峻嶺中，地形地貌復雜，依靠人工進行現場調查極其困難，且危險程度非常高。無人機航測技術可以準確獲取危巖體的分布、大小和形態，裂縫位置和寬度，以及巖層產狀等信息，進而為輔助分析危巖體破壞模式與穩定程度提供可靠的現場依據，提高危巖體勘察設計工作的準確性。

2.2 無人機輔助工程測繪

危巖體地理位置多屬偏僻山區，地勢高陡，且整治工程屬于空間立面施工，一般常規測量儀器無法開展，對現場測繪、施工放線、驗收計量等工作造成了極大的困難。利用無人機貼壁航測三維建模成果，通過無人機搭載的激光發射器等儀器進行施工定位放線、測距、高度和角度測量，可以準確、高效、快速地完成地形地貌勘察、施工放線、工程計量等測繪工作，有效減少人工測量誤差，降低人工成本和山區測量工作安全風險［8］。測量結果還可輔助對施工現場和設計圖紙進行整治范圍及工程量的復核，如有差異可及時變更，并根據實際情況對資源配置計劃進行調整。

2.3 無人機輔助危巖體變形監控

常規危巖體變形監控方案通常采用接觸式表面變形監測設備或非接觸式遠程信息采集設備［9］，在山體坡腳或鄰近山腰處架設測量機器人、激光掃描儀、射頻識別系統等設備進行監測工作。但受場地限制、價格昂貴、安全風險、采集密度不足等影響，難以進行全面的危巖體監測工作，仍需投入大量的人力物力以克服各種不利因素，且時效性較差，難以將變形監控常態化。此外，在超高陡危巖體巖面范圍，布設與安裝監測設備的精確點位亦難以確定。

無人機技術可部分代替常規危巖體監測手段，通過在無人機上搭載相機云臺或其他傳感器，提前布設控制點進行量測，獲取像控點進行航測作業，即可快速、高效地完成監測數據采集工作。獲得詳細的原始數據后，利用所建三維實景模型，通過軟件進行分析與處理即可獲得具體的變形監控結果。搭載RTK高精度定位設備的專業無人機可將變形監控精度提高到厘米級甚至亞厘米級。

2.4 無人機輔助工程管理

無人機技術已在高速鐵路、公路等工程信息化管理中得到應用。利用無人機航測成果，決策者能及時掌握各施工面情況，同時從高角度、多維度的視點對整個施工現場進行觀察及把控。危巖體整治工程施工困難，工程質量難以監督，安全風險極高。采用無人機對危巖體整治區域采集影像資料等數據，根據數據對危險等級加以分區，合理進行施工組織設計，并在施工過程中進行動態安全監控，能大大降低危巖體整治工程的安全風險。

3 危巖體整治工程應用案例

3.1 工程概況

渝懷鐵路K158+837白馬1#隧道位于白沙沱—白馬區間，隧道所處山體仰坡自下而上呈折線型，坡度45°～90°。其中，距離軌面195～330 m高度范圍內系灰巖陡壁，長約200 m，最高約140 m，分布大量危巖體，規模大，穩定性差，如圖3所示。灰巖陡壁下方圈椅狀陡坡，巖體松弛，張開裂隙發育，多道后緣陡傾裂縫貫通且深，存在錯滑失穩的可能。上段的1#極嚴重危巖體最寬部位達72 m，高約77 m，可見表層平均厚度約4.4 m，體積約11 650 m3；背后裂縫最大寬度達到1.45 m，與母巖基本脫離，僅下部與山體連接而處于欠穩定狀態，隨時有發生崩塌的可能。危巖體一旦發生崩塌，將直接沖毀小角邦溝大橋并掩埋白馬1#隧道進口，極大地威脅渝懷鐵路行車安全，亟需對此隧道仰坡超高陡危巖體進行專項應急整治。

圖3 白馬1#隧道進口仰坡航測模型

3.2 航測數據采集與建模成果

首先通過常規航線規劃航測并建立危巖體區域粗模，然后根據劃定的危巖體貼壁航測目標區域，在航線規劃工具中設定Phantom 4相機參數、起飛點，目標精度1.0 cm∕px、最小安全距離10 m、航片重疊度70%、不限制單條航線航點數量等參數，計算生成貼壁航測航線，如圖4所示。其包含1 232個相機點位，檢查航線并導入無人機飛行控制軟件后即可執行航測任務。航測任務完成后，建立三維實景模型。

圖4 貼壁航測航線與航點示意

選取1#極嚴重危巖體中凸出巖壁的部分區域，將其與初測粗模中的對應區域進行模型細節對比，如圖5所示。可知：貼壁模型中巖壁細節顯著增加，巖面紋理乃至植被等清晰可見，僅有極少數模型貼圖的扭曲變形，且可觀察到該區域危巖體與母巖脫離的裂縫，表明貼壁航測方案可生成極為精細的三維實景模型。

圖5 危巖體局部模型對比

3.3 無人機輔助危巖體整治工程

3.3.1 整治工程全過程測繪

1）在勘察設計階段，通過無人機對人力難以到達區域的地形與巖面形貌進行航測，詳細調查整個區域危巖體的分布、形狀尺寸、裂縫分布及寬度和滲漏水情況，同時輔助對危巖體破壞模式分析及對各危巖區域穩定程度判斷。整個危巖體區域按危險等級劃分為4個區域：1#極嚴重危巖體區，2#、3#嚴重危巖區和4#一般危巖體區，為工程措施的設計提供充分且精確的現場依據。

2）危巖體整治工程中采用鋼錨管、錨索和框架梁為主要施工工藝，同時搭設懸挑腳手架作為施工平臺。施工過程中應對總共520根錨索鉆孔、1 062個鋼錨管鉆孔、1 924個工字鋼懸挑梁鉆孔和其他70個鋼絲繩鉆孔點位進行精確放樣，以確保危巖體整治工程的加固和外觀效果。基于貼壁航測所得三維實景模型，通過正投影的方式把設計鉆孔點位準確布置在實景模型上，再在現場通過實地比對的方式進行鉆孔點位輔助放樣，與原定人工施測方案相比節省了人力、材料等費用20余萬元，且有效保證了施工工期。

3）在施工期間，基于航測資料和實景模型，非常方便和直觀地統計了主動防護網、框架梁、腳手架等工程數量，有效節省了人力物力。

3.3.2 危巖體變形輔助監控

該工程危巖體分布范圍廣，穩定性低，需要在施工前布置大量的監測元件對危巖體進行變形監測，以保障施工及鐵路營業線安全。

1）由于危巖體坡面高陡，通過無人機實時影像，指導蜘蛛人進行現場安裝和調試，成功完成了16組危巖體變形監測元件的安裝工作。

2）通過對危巖體進行周期性航測，獲取危巖體不同期次的三維實景模型及數字地表模型，再對相鄰期次模型進行疊加計算，將計算結果導入三維軟件進行分析，根據分析結果可以評價不同階段危巖體的整體變形情況和穩定性，為施工和鐵路運營安全提供及時可靠的監測數據。

3.3.3 危巖體整治工程管理

1）由于該危巖體整治工程均為高空作業，施工范圍廣、作業點多，安全管理責任重大。采用無人機快速對當天作業的重要區域進行巡查，對塔吊吊運物質、腳手架等施工區域的安全隱患、施工人員的人身安全、違規作業等進行監控，從而方便地進行安全管理。

2）在項目初期，通過航測結果為施工便道設置、塔吊安裝位置及型號選擇、施工工序安排等提供現場數據。在項目中后期，對主動防護網、框架梁外觀及腳手架搭設質量進行初步判定，輔助工程質量驗收。

3）通過無人機記錄治理工程范圍內的影像資料并整理為施工原始記錄，直觀地了解進度情況，從而對施工進度計劃進行合理調整，并根據新的計劃對施工進行安全管理，保證安全、有序地完成施工任務。無人機航攝的影像資料同時作為施工資料的一部分，與施工日志一并存檔，通過加入進度報告，使治理工程現場的總體進度得以直觀呈現。

4 結論

1）超高陡危巖體區域采用貼壁航測的作業方案，可大大提高航測三維實景模型的精度。

2）無人機攝影測量技術能有效解決超高陡危巖體整治工程中的部分技術難題，如危巖體現場勘察，輔助整治工程設計，輔助危巖體變形監控、測量放線等。

3）無人機技術為超高陡危巖體整治工程管理提供了方便，能有效提高工程效率，減少施工管理成本，降低施工安全風險。

4）通過綜合測算，在渝懷鐵路K158+837超高陡危巖體整治工程中應用無人機攝影測量技術，降低了施工直接成本約115萬元，縮短了實際工期43 d。