基于無人機融合建模的危巖運動模擬及影響區劃分

摘要：

危巖墜落受多種因素影響，具有不確定性，研究危巖的潛在受災區域并區分不同影響程度能夠為災害防治提供數據支撐。以廣西南寧市內莊屯危巖為例，基于傾斜與貼近攝影融合建模技術構建三維模型，精準獲取巖體結構信息及危巖體特征信息；并通過三維數值模擬對危巖的運動路徑、運動過程、實時動能及彈跳高度進行研究，根據多次模擬結果提出了將潛在受災區域進行影響區劃分的方法。研究表明：融合建模有效提高了陡立山體細節特征的可視性，更利于危巖運動模擬參數的精確提取；基于多次模擬結果分析，可以確定潛在受災區域；影響區劃分方法能夠進一步將潛在受災區進行簡易、快速的區域劃分。研究結果對高陡危巖體的調查具有參考意義。

關" 鍵" 詞：

高位危巖； 融合建模； 傾斜攝影； 貼近攝影； 數值模擬； 落石分區

中圖法分類號： P231;P642.2

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.018

收稿日期：

2023-12-29

；接受日期：

2024-04-19

基金項目：

國家自然科學基金項目（42072306）

作者簡介：

劉兵兵，男，碩士研究生，主要從事攝影測量與工程地質方面的研究。E-mail：1749910575@qq.com

通信作者：

吳" 福，男，正高級工程師，碩士，主要從事地質環境監測、地質災害防治方面的研究。E-mail：1404630357@qq.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 07-0138-07

引用本文：

劉兵兵，吳福，劉昶，等.

基于無人機融合建模的危巖運動模擬及影響區劃分

［J］.人民長江，2024，55（7）：138-144，159.

0" 引 言

斜坡上已有變形跡象、具有失穩破壞征兆的巖塊體，稱為危巖［1］。近年來，中國發生了多起危巖失穩導致人員傷亡、公路河道堵塞、堤壩損毀等事件，如2018年7月，湖南省張家界大峽谷景區發生巖體滾落，使4名游客受傷，2名游客死亡；2021年3月，四川省樂山市峨邊縣發生巨石滾落事故，導致村民3人受傷，1人被埋；2022年7月27日，三峽庫區奉節縣瞿塘峽吊嘴危巖發生崩塌墜入長江，濺起水花高約25 m，所幸無過往船只被擊中。高位危巖具有地面高差大、突發性強等特點［2］，通過人工難以接近進行精細化調查，如何查明危巖體特征信息并預測失穩后的受災區域一直是危巖調查研究中的重點。

隨著無人機技術的迅猛發展，國內外采用無人機攝影測量進行三維模型構建，基于模型對危巖開展調查的方式被眾多學者所采用［3］，如Yan等［4］利用無人機攝影測量開發了一種新的半自動危險巖塊的提取方法，能夠自動獲取識別塊體的位置、幾何參數和穩定性結果；鄭紅霞等［5］基于貼近攝影測量技術提出了一種自動識別巖層剖面特征點進行巖層面重構的方法；Vasuki等［6］利用無人機攝影測量技術采集地質結構體上的影像信息，通過采集的影像信息，基于圖像處理技術，半自動化提取出巖體表面結構面的產狀。以往多數研究者采用傾斜攝影測量技術進行數據獲取，而貼近攝影測量技術提出之后，也有學者將貼近攝影測量技術應用到巖體特征信息的調查中來，如孫琦等［7］基于貼近攝影技術研究了采樣尺寸、采樣間距對結構面粗糙度評價結果的影響。經實踐表明，無論是傾斜攝影或貼近攝影技術均存在一定的缺陷［8］，如傾斜攝影在陡立面山體容易出現拍攝盲區，導致模型出現空洞拉花等不良現象［9］；貼近攝影在植被發育區近距離飛行時易造成無人機墜機現象［10］。將兩種技術結合能夠彌補單一技術采集的不足，但利用傾斜與貼近技術進行融合建模的研究尚少。

基于三維模型的落石運動特征模擬結果更加準確直觀。對于落石運動特征的研究，國內學者常采用數值模擬的方法，其中二維模擬軟件有Rockfall、二維離散元UDEC等，三維軟件有Rockyfor3D、Unity3D等。王豪等［11］基于Unity3D平臺研發了可以輸出運動軌跡、速度、能量及彈跳高度的崩塌運動過程模擬軟件；呂權儒等［12］利用Rockfall軟件模擬崩落體失穩后的滾落運動特征，并劃分出不同級別的崩塌影響區，為最終的防治提供依據。但以上多數研究止步于確定出危巖潛在受災區域。為了能夠給災害治理提供更加詳細的數據支持，對潛在受災區域進行不同影響程度的區域劃分方法還需進一步研究。

本文以南寧市馬山縣內莊屯房屋后陡立山體危巖為研究對象，通過傾斜與貼近攝影融合建模技術獲取了該地的精細化三維模型，基于三維模型對巖體結構面特征及危巖體特征信息進行提取，利用崩塌模擬軟件MSRA-3D對其動力學進行分析，并根據多次模擬結果將危巖失穩后可能造成的受災范圍進行不同影響程度的劃分，以為后期危巖防治工程設計提供可靠的數據支撐。

1" 研究區概況

研究區位于南寧市馬山縣福蘭村內莊屯房屋后山體（圖1），該地屬于峰叢洼地地貌區，峰叢基座相連，峰頂多呈錐狀，相對高差約300 m，山體中下部坡度為40°～50°，中上部為80°～90°，危巖多分布于山體陡立面處，調查人員難以靠近。出露地層巖性為泥盆系中統東崗嶺組（D2d）灰巖和第四系溶余堆積（Qedl）。泥盆系中統東崗嶺組灰巖呈灰色，中—厚層狀，雨量充沛，風化溶蝕作用明顯，溶漕、溶隙、溶溝發育；第四系溶余堆積黏土分布于洼地及周邊，棕黃、灰褐色，厚度0～5 m，研究區南側200 m左右發育有一不明性質斷層，長約25 km，走向北西。

2" 傾斜與貼近攝影技術融合建模

2.1" 原理概述

傾斜攝影測量技術是通過在同一攝影平臺上搭載多臺傳感器，從5個不同的角度進行數據采集，快速、高效地獲取豐富的數據信息［13-14］，但由于拍攝時飛行高度較高，在拍攝有巖體突出的陡崖數據時，在凹陷處容易出現拍攝盲區（圖2），從而在模型生產時會出現空洞、拉花、粘連等現象。而貼近攝影測量技術是正對物體表面進行拍攝［15］，能夠有效彌補傾斜攝影拍攝時的盲區空白，且其飛行時距離物體較近，能夠獲得更加清晰的影像數據。將貼近攝影對傾斜攝影進行拍攝補充，不僅在建立模型時能防止空洞等缺陷的出現，而且能提高重點區域的精細度（圖3），后續基于模型的信息提取結果也會更加完整、準確。

2.2" 數據采集及模型建立

2.2.1" 影像數據采集

研究區數據采集選取大疆精靈4 RTK無人機，采集工作分為兩步：

（1） 對研究區整體范圍開展傾斜攝影，將傾斜攝影所獲得的高清影像照片利用大疆智圖軟件進行快速處理，生成粗模。此時的模型在陡崖處由于拍攝盲區可能會出現一些拉花、空洞等缺陷。該步驟的意義在于完成非重點區域的航測工作，找到模型缺陷位置，以及為貼近攝影提供基礎地形。

（2） 根據粗模確定基巖出露及有模型缺陷的重點區域，然后規劃貼近攝影飛行航線并開展正對坡面的攝影工作，貼近攝影的方式分為自動飛行和手動飛行，自動飛行是根據粗模及航線規劃軟件進行航線繪制，該種方法的優點在于能夠保證無人機飛行期間的重疊度要求，避免出現漏拍現象，缺點是需要避免直立面雜生的植被影響，注意無人機的飛行安全。手動飛行則是飛手全程控制無人機飛行并定點拍攝，十分考驗飛手的專業能力，但能夠根據現場條件對飛行軌跡及時做出調整。本次貼近攝影由于重點區域數量多、面積小，采用手動飛行方式，兩次飛行共計獲取高清影像2 633張。

2.2.2" 三維模型構建

導出無人機獲取的高清影像數據，通過影像數據內置POS信息及高清影像信息，利用ContextCapture軟件進行空三解算、融合拼接等關鍵步驟，得到研究區的融合三維模型。圖4展示了該模型陡立面易出現拍攝盲區，未出現拉花、空洞等明顯模型缺陷，符合危巖信息提取的要求。

3" 巖體特征調查及穩定性評價

3.1" 巖體結構面特征識別

3.1.1" 結構面產狀計算原理

結構面特征包括結構面的組數、產狀、跡長、間距及粗糙度等。結構面的分布、產狀信息等參數能夠體現出巖體的裂隙特征，分析結構面的分布及組合關系能夠了解巖體的斷裂模式、滑動模式等變形特征，從而評估巖體可能發生的破壞形式和規模。對于結構面產狀信息提取，傳統方法是現場使用羅盤等工具進行直接測量，但對于高陡危巖體結構面產狀信息由于地質工作人員難以接近，無法精準測量［16］，在實景三維模型上直接進行結構面產狀信息的測量及統計，能夠有效解決人上不去的難題，為解決高陡地區對危巖穩定性研究的阻礙提供新的思路和方法?；谌S模型的結構面產狀信息量測，是根據三維模型上的每一點都具有坐標信息，在平面上選取不在同一條直線上的3個特征點，來進行擬合平面，從而確定傾向傾角，簡稱為“三點法”，其原理如下：

首先設結構面擬合平面方程式為

Z=AX+BY+C

（1）

式中：A、B、C為擬合平面方程參數，且A、B不同時為0，該平面法向量為n=［A，B，1］

然后采用最小二乘法解算得出A、B、C的值：

ABC=X1Y11X2Y21X3Y31-1Z1Z2Z3

（2）

根據結構面產狀與平面方程參數的對應關系可以求得傾角α和傾向β：

α=arctan（" A2+B2）

（3）

β0=arctanBA

（4）

當A＜0時，

B≤0，β=β0

B＞0，β=β0+π

（5）

當A＞0時，

β=β0+π

（6）

由此即可求出傾角α和傾向β［17］。

3.1.2" 巖體結構面參數及精度驗證

研究區以灰巖出露為主，溶蝕風化強烈，巖層產狀為95°∠10°，主要發育兩組陡傾結構面，第一組結構面產狀為28°～45°或180°～210°∠79°～88°，該組結構面走向與陡崖延伸方向近于平行，表面平直粗糙，貫通性好，發育較廣泛；第二組結構面產狀為90°～110°或270°～300°∠80°～89°，該組結構面表面平直光滑，貫通性較好。

為驗證模型量測產狀信息的準確性，筆者在數據采集期間從研究區易于到達處選取4個點位分別按照傳統方法使用羅盤進行產狀信息量測，將羅盤量測結果與模型量測結果進行比較，模型測量結果與羅盤測量結果傾向傾角測量誤差均在3°以內（表1），滿足工程精度要求。

3.2" 危巖識別及失穩模式分析

基于三維模型，可以從各個角度直觀地對研究區域進行目視解譯，優質的三維模型，使得巖體的細節能夠更清晰地被觀察和發現，有助于發現更小的裂縫、節理等特征，通過分析巖層的形態、結構、傾向、傾角等特征，并結合巖體臨空面、裂隙發育等條件能夠快速識別危巖，危巖編號及位置見圖5。

危巖體的失穩模式即危巖的破壞模式，是其穩定性研究及治理措施研究的基礎［18］。由于分類角度、調查區域不同，危巖體失穩模式存在多種分類方案。陳洪凱等［1］根據危巖失穩破壞的可能模式，將危巖分為墜落式、滑移式、傾倒式3種（圖6），其中墜落式危巖通常具有良好的臨空面，處于懸空或懸挑式的巖體由于發生拉斷、切斷而發生墜落；滑移式危巖通常在巖體與母巖之間發育有軟弱結構面，危巖沿軟弱面滑移，于陡崖（坡）處塌落；傾倒式危巖多發育在黃土、直立或陡傾坡內的巖層處，后緣發育裂隙逐漸擴張，危巖繞轉動點轉動發生傾倒塌落。

隨著三維模型在地質災害調查方面的應用發展，利用EarthSurvey軟件，對危巖高度、空間尺寸等參數進行快速量測，依據危巖體裂隙及受力狀態，判斷危巖破壞特征及失穩模式，提取參數及失穩類型見表2。

3.3" 巖體穩定性分析

3.3.1" 穩定性分析方法

赤平投影能夠有效地表示空間結構面之間的關系［19-20］，因此可以方便地用于邊坡結構體的分析。大圓分析法是將各結構面產狀以大圓表示的分析方法。該方法根據每組結構面在赤平投影平面上的投影大圓或每兩組結構面大圓組合形成的交線，與坡面在該投影平面上投影大圓和以及摩擦圓的相對位置來對其穩定性做出判斷［21］。若代表結構面的大圓或兩組結構面大圓的交線小于邊坡面的傾角且都在摩擦圓中時，如圖7中結構面1和結構面2的交線，則認為該結構是潛在不穩定的。

3.3.2" 危巖穩定性分析

本文通過三維模型拾取坐標，采用三點擬合平面法量測得WY1兩組主要控制節理產狀信息及坡面產狀信息，其中節理產狀為J1：189°∠81°，J2：283°∠83°，坡面產狀為192°∠83°。并根據南寧市相關地質勘察資料，確定該處巖體內摩擦角φ取值為30°，在赤平投影圖中進行結構面組合分析，結果如圖8所示，J1、J2兩組節理的交點傾角小于坡面傾角且在摩擦圓中，易發生滑動，處于潛在不穩定狀態。

4" 危巖運動特征模擬及風險區域劃分

為研究危巖失穩后的運動過程及影響，本文以WY1為例，采用崩塌運動全過程模擬軟件MSRA-3D對其動力學進行分析研究，該軟件能夠三維展示巖體失穩后的運動路徑，輸出運動過程中巖體在不同位置上的速度、動能、彈跳高度等信息，能夠為災害防治工程設計提供支持［12］。

4.1" 模型建立及參數設置

模擬所采用的坡體數據為前文通過無人機技術融合建模所得到的三維模型，通過數據轉換輸出FBX格式的模型，可直接導入使用。坡體表面特征參數參考廣西壯族自治區地方標準DB 45/T 1696-2018《危巖防治工程技術規范》，并通過已有落石情況進行反演測試，多次微調系數直至模擬結果與已有落石情況相符，有效保證后續模擬結果的準確性。最終動摩擦系數、靜摩擦系數、恢復系數取值見表3。固定關節斷裂力閾值參考以往工程相同巖性實驗數據確定。危巖體數據則是根據前文所提取的巖體結構面特征、危巖體特征等信息來確定危巖體模型的形狀、尺寸、空間位置、空間姿態。

4.2" 落石運動特征

在整個運動過程中，受結構面切割的危巖脫離母巖后，首先在重力作用下發生墜落運動，再與坡面發生多次碰撞彈跳，最后進行滾落運動，運動軌跡及速度如圖9所示（此處僅展示WY1的模擬結果）。輸出運動過程中的運動路徑、實時動能、彈跳高度等計算結果，如圖10所示（此處僅展示WY1的計算結果）。根據模擬結果分析可知，該危巖在極端天氣下一旦發生墜落，若不加以防護，有擊中房屋的危險，對居民安全造成嚴重威脅。

4.3" 落石風險區劃

通過多次模擬結果可以確定落石可能造成的災害范圍，本文提出了一種將災害范圍進行不同影響區域劃分的方法，分區結果在后期災害防治等多個方面具有參考價值。

4.3.1" 影響區域劃分方法

不同影響區域劃分需要有明確的劃分規則，用來確定其比例或范圍，但如果根據某一坡形進行實驗分析，則缺乏了劃分規則的普適性。為此，本文提出用理

想化模型去研究落石?？课恢玫姆植家幝?，以求能從中獲取啟發。所謂理想化模型，即指巖體墜落區域是一片平地，無高大樹木或群集房屋等障礙物，不影響落石的運動軌跡，由于巖體的傾向、大小、高程等信息在多次實驗中不發生變化，且受上述條件控制，巖體墜落后一定有一個最佳理論位置，如圖11（a）中藍色的點。當實驗的次數達到一定數量時，根據隨機試驗的原則，其分布則會呈現出距離理論位置越近越密集，越遠越稀疏的規律。將該分布以垂直巖體主要滾落方向為橫坐標，密集程度為縱坐標進行統計，如圖11（b）所示。發現其分布近似于正態分布曲線，而正態分布可以根據標準差將其整體劃分為不同區域，標準差在正態分布中表征數據的離散程度，將此分類標準應用于密集程度統計中，該點即表示為密集程度變化較大的分界位置，也正是分區較為符合的一個標準。因此將正態分布劃分比例應用于樣本點劃分中，如圖11（c）所示，一個標準差之內的區域占比約68％，兩個標準差之內的區域占比約96％，兩個標準差之外的占比約4％，按照該區域比例與樣本點數目相結合，確定分區界限控制點，如圖11（a）所示，按此方法將影響區域劃分為重、中、輕度3個等級。

4.3.2" 影響區域劃分結果

危巖崩塌受多種因素影響，為了更加符合真實情況，MSRA-3D軟件在計算時引入了一定的隨機參數來減小確定參數數值模擬所造成的局限性，實驗過程中會隨機小幅度改變隨機參數，用來代替實際中遇到的降雨、地震等其他不確定因素影響。本文以WY1為例，通過多次模擬，得到100處危巖最終?？课恢脭祿x取處于最外圍4個位置作為可能造成的災害范圍邊界，在垂直巖體主要滾落方向上，以最邊界的點為原點，距原點距離為左縱軸進行數據統計，且按此距離進行排序編號，并計算相鄰點位的差值為右縱軸。為方便制圖觀察，右縱軸設置向下為正方向，差值越小，則表明點位越密集，統計結果如圖12所示。相鄰點差值曲線呈現整體上先減小再增大的趨勢，說明點位分布特征為先稀疏再密集又稀疏，該特征證明采用正態分布規律劃分區域的方法是可行的。

將統計結果按照分布比例確定為不同影響區域，不同危巖體之間影響區的相互重疊區域采用風險分級矩陣（圖13）確定影響等級；如圖14所示，研究區危巖落石共造成3處影響區域，其中WY1～4墜落位置形成區域一，WY5和WY6墜落位置分別形成區域二和區域三。本次分區結果能夠為危巖的治理與防范提供重要參考依據。

5" 結 論

（1）" 采用傾斜與貼近攝影技術融合構建三維模型的方法，能夠有效避免傾斜攝影由拍攝盲區導致的模型空洞、拉花等現象，提高了模型的完整性，使信息提取結果更加準確、真實。

（2）" 基于危巖運動模擬結果分析，房屋有被擊中的風險，需要采取措施進行防護。

（3）" 首次提出采用正態分布規律將可能造成的災害范圍進行不同影響程度的區域劃分方法，并在該示范區進行應用，將落石范圍分為了重、中、輕3種不同程度的區域。

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（編輯：劉 媛）

Simulation of dangerous rock mass movement and delineation of impacted zone based on UAV fusion modeling

LIU Binging1，WU Fu2，LIU Chang2，HE Na2，HUANG Hai2

（1.State Key Laboratory of Geological Disaster Prevention and Environmental Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；" 2.Geological Environment Monitoring Station of Guangxi Zhuang Autonomous Region，Nanning 530201，China）

Abstract：

Rock falls are influenced by a variety of factors and inherent uncertainties.Investigating potential disaster zones and distinguishing varying degrees of impact can provide critical data for disaster prevention and control.This study focused on the dangerous rock masses in Neizhuangtun，Nanning City，Guangxi.A 3-dimensional model was constructed using a fusion of oblique photography and nap-of-the-object photogrammetry modeling technology to accurately capture the structural and characteristic information of the rock mass.Through 3D numerical simulation，the movement path，process，real-time kinetic energy，and bouncing height of the dangerous rock masses were analyzed.Based on the simulation results，a method of dividing the potentially impacted areas was proposed.The findings indicated that the fusion modeling technique significantly enhanced the visibility of detailed features in steep mountainous regions，facilitating the accurate extraction of simulation parameters for rock movement.By analyzing multiple simulation results，the potential disaster risk zones were identified.The proposed method for dividing the affected areas enables a quick and easy division of potential disaster zones.The outcomes of this study provide insights for the investigation of high and steep dangerous rock masses.

Key words：

high dangerous rocks； fusion modeling； oblique photography； nap-of-the-object photogrammetry； numerical simulation； rockfall area zoning