無人機傾斜攝影測量技術在鐵路突發(fā)地質災害應急搶險中的應用

伏 坤，王 珣，高柏松，劉 勇，徐 鑫，裴起帆

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

我國西南地區(qū)地處印度板塊與歐亞板塊沖撞接觸帶東側，新構造運動強烈，地殼升降幅度大，山高谷深，活動斷裂發(fā)育，地震頻繁且震級大，山地生態(tài)環(huán)境脆弱、斜坡巖體破碎，加之降雨量充沛，導致滑坡、崩塌、泥石流等地質災害頻發(fā)，對鐵路工程施工及運營危害極大[1]。如成昆線、寶成線、川黔線、湘黔線等都是地質災害頻發(fā)的山區(qū)鐵路運營線路，其中尤以成昆線受地質災害影響最為嚴重[2]。

成昆鐵路是新中國成立后在我國西南山區(qū)修建的一條重要鐵路干線，全長1 096 km，1970年建成通車。沿線地質構造極為復雜，新構造運動非常強烈，部分區(qū)段位于8、9度地震區(qū)。沿線分布滑坡、泥石流、崩塌落石、巖堆等不良地質達千余處，致使通車后的幾十年仍不斷地整治沿線地質災害[3]。

成昆鐵路K310+668～K311+232病害段地處四川省涼山彝族自治州甘洛縣埃岱鎮(zhèn)境內，屬中高山河谷地貌，地形高陡，海拔一般為960～1 650 m，高差690 m，自然坡度35°～60°。2019年7月28日該地發(fā)生持續(xù)暴雨，降雨歷時30余小時，最大小時降雨達77.8 mm，總降雨164.2 mm，接近該地年降雨量的1/5。K310+857～K311+000兩條沖溝內爆發(fā)坡面型泥石流病害、K311+140坡面發(fā)生高位淺表溜坍，泥石流堆積體上道淹沒線路，造成鐵路運輸中斷。經過鐵路部門晝夜應急搶修，于8月2日恢復通車。2019年8月14日12時44分，成昆線K310+857再次發(fā)生高位巖體崩塌，導致線路被毀，運輸再次中斷[4]。

成昆鐵路K310+668～K311+232病害段山高谷深、道路險峻、植被茂密，人工調查及傳統(tǒng)監(jiān)測方法無法滿足地質災害突發(fā)后應急指揮、搶險施工、鐵路臨時開通后行車安全等方面的使用需求[5-9]。為及時掌握病害點災害情況，同時確保調查人員的安全。2019年8月15日，緊急抽調無人機對K310+857高位巖體崩塌災害約1.5 km2區(qū)域開展傾斜攝影測量工作，形成真三維傾斜攝影模型成果，并采用自主研發(fā)的無人機傾斜攝影文件網絡發(fā)布平臺，實現成果快速網絡發(fā)布及異地多方成果共享，為地質災害關鍵形態(tài)參數提取、應急搶險和整治方案制定提供技術支撐。

1 無人機傾斜攝影測量技術

無人機傾斜攝影測量技術通過在同一飛行平臺上搭載影像拍攝設備，從1個垂直方向、4個相互垂直的傾斜方向等5個不同的角度采集待測區(qū)的影像，同時配合其他傳感器同步獲取拍攝點高度、經緯度坐標、鏡頭姿態(tài)、目標區(qū)紋理等數據[9]，能夠更加真實地反應地物情況和地理信息。

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)主要由多旋翼無人機飛行平臺系統(tǒng)、傾斜攝影系統(tǒng)、飛行導航與控制系統(tǒng)及后期數據處理系統(tǒng)組成[10]。

多旋翼無人機飛行平臺系統(tǒng)包括無人機機體、飛行控制系統(tǒng)和數據實時傳輸與解壓縮系統(tǒng)[11]。

傾斜攝影系統(tǒng)包括攝影機、攝影機控制系統(tǒng)和相關部件裝置[12]，多旋翼無人機飛行平臺及傾斜攝影系統(tǒng)見圖1。

圖1 無人機飛行平臺及傾斜攝影系統(tǒng)

飛行導航與控制系統(tǒng)包括航線規(guī)劃系統(tǒng)、無人機地面控制系統(tǒng)、數據接收解壓縮與實時顯示系統(tǒng)[13]。

后期數據處理系統(tǒng)包括圖像拼接、數據校正、紋理映射、信息提取與分析等。

無人機傾斜攝影測量工作流程分為3個步驟：室內準備→現場作業(yè)→數據處理[14]，具體工作流程見圖2。

圖2 無人機傾斜攝影工作流程

2 無人機傾斜攝影文件網絡快速發(fā)布平臺

無人機傾斜攝影在實際應用過程中，受限于無人機遙感影像的數據規(guī)模大小與其文件的特點，通常以單機應用、本地化管理的模式為主，不具備網絡快速發(fā)布及多方共享能力。因此，在大型應急搶險項目時難以滿足各方對高清現場影像的異地、遠程訪問使用需求，無人機傾斜攝影的優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮。

針對上述問題，對傾斜攝影瓦片數據特征開展深入研究，結合成昆鐵路K310+857高位巖體崩塌突發(fā)災害應急搶險特點，搭建了無人機傾斜攝影文件網絡快速發(fā)布平臺。

2.1 平臺構成

無人機傾斜攝影文件網絡快速發(fā)布平臺包括虛擬化基礎設施集群平臺、傾斜攝影瓦片數據存儲及訪問應用服務集群。

2.1.1 虛擬化基礎設施集群平臺

虛擬化基礎設施集群平臺基于VMvare[18]服務器虛擬化解決方案，采用共享存儲、實時遷移、資源動態(tài)分配、實時監(jiān)控及故障切換等技術搭建，有效整合服務器計算、存儲、網絡等資源，形成資源池，為傾斜攝影瓦片數據存儲及應用服務集群搭建提供硬件基礎。虛擬化基礎設施集群平臺拓撲結構見圖3。

圖3 虛擬化基礎設施集群平臺拓撲結構

2.1.2 瓦片數據存儲及訪問應用服務集群

針對三維傾斜攝影瓦片數據單個文件小(<1 MB)、總計數量多(千萬級)、存儲發(fā)布困難等特點，采用開源分布式文件管理系統(tǒng)[19-20]搭建后端存儲平臺，綜合利用虛擬IP、負載均衡、高可用、緩存技術等搭建瓦片數據集群存儲平臺，實現傾斜攝影瓦片數據的高效存儲，解決TB級傾斜攝影瓦片數據存儲難題。

在搭建虛擬化基礎設施集群平臺、傾斜攝影瓦片數據集群的基礎上，基于FastDFS API函數及通用HTTP協(xié)議，開發(fā)了瓦片數據上傳、下載等Web接口服務，搭建了訪問應用服務集群，實現了瓦片數據多用戶高并發(fā)訪問，解決了鐵路突發(fā)地質災害應急搶險期對數據快速共享的需求。傾斜攝影瓦片數據存儲及訪問應用服務集群拓撲結構見圖4。

圖4 存儲及訪問應用服務集群拓撲結構

2.2 平臺應用

采用無人機傾斜攝影文件網絡快速發(fā)布平臺進行成昆鐵路K310+857高位巖體崩塌災害傾斜攝影文件網絡發(fā)布的具體步驟如下。

①收集整理K310+857高位巖體崩塌災害2019年8月15日傾斜攝影成果數據，利用單機版三維傾斜攝影軟件查看成果數據的準確性，若成果無誤，則進行步驟②；若成果有誤，則重新收集整理、校核傾斜攝影數據。

②準備數據上傳軟件，并確保網絡暢通。軟件登錄成功后，采用選擇或拖動文件夾/文件的方法上傳數據。當軟件顯示文件夾個數與本地文件夾個數一致時，表示所有文件全部上傳成功(圖5)。

圖5 數據上傳軟件界面

③采用網絡版三維傾斜攝影軟件測試是否可以遠程在線加載三維傾斜攝影數據，若成功加載，則表示三維傾斜攝影數據網絡發(fā)布成功；如失敗，則需查看軟件錯誤日志，分析并檢查存儲及訪問應用服務集群是否正常。

3 成昆鐵路K310+857高位巖體崩塌災害應用實例

采用無人機傾斜攝影+網絡快速發(fā)布融合技術，對成昆鐵路K310+857高位巖體崩塌災害進行了災后調查及長期監(jiān)測，其應用情況如下。

3.1 無人機數據獲取、處理與發(fā)布

在充分調研收集崩塌區(qū)域地形、天氣等資料的基礎上，結合GoogleEarth衛(wèi)星地圖，利用航線規(guī)劃系統(tǒng)，進行了航線的規(guī)劃設計，并經實地考察后確認執(zhí)飛。無人機及傾斜攝影系統(tǒng)主要參數見表1。

表1 無人機及傾斜攝影系統(tǒng)主要技術參數

現場數據采集作業(yè)累計飛行5架次，飛行里程約3 km，獲得航拍照片400余張，有效覆蓋面積1.5 km2，航向重疊度和旁向重疊度分別達到85%和65%。

無人機傾斜攝影作業(yè)后，利用軟件對所拍攝的圖像進行畸變差改正、勻光勻色、影像增強、空三加密、多視影像密集匹配、紋理映射等操作，輸出高質量三維傾斜攝影模型，并通過FastDFS資料文檔管理終端上傳至FastDFS分布式文件系統(tǒng)，并通過Web進行發(fā)布。

三維傾斜攝影模型數據獲取、處理與發(fā)布見圖6。

圖6 病害點傾斜攝影模型數據獲取、處理與發(fā)布

3.2 災后信息提取與分析

通過無人機傾斜攝影文件可以獲得病害點整體及局部的災害特征，并可提取災害關鍵形態(tài)參數(圖7)。

圖7 病害點整體及局部災害特征(單位：m)

從圖7可以得出如下結論。

(1)K310+857高位巖體崩塌災害發(fā)生位置與線路坡面距離330 m，影響寬度為30～105 m。

(2)原坡體發(fā)生明顯下坐，已出現明顯的下錯陡壁。

(3)崩塌體運動過程中，未完全解體，后緣陡壁右側仍存在36 m×36 m的不穩(wěn)定塊體，如遭遇強降雨，極易順坡面運動，再次發(fā)生災害。

(4)后緣右側高壓電塔基礎基巖已被崩塌體鏟刮掏空，高壓電塔處于不穩(wěn)定狀態(tài)，如再次發(fā)生崩塌災害，高壓電塔極易倒塌受損。

(5)斜坡中部殘留大量巨石于松散堆積層上，巨石相距線路位置較高，勢能較大，發(fā)生滑動、滾動及跳躍等可能性較大。

(6)沖溝內堆積大量松散崩塌堆積物，強降雨天氣極易發(fā)生坡面泥石流次生災害。

上述三維傾斜攝影分析結果，對K310+857突發(fā)高位巖體崩塌災害采用以坡面清方、噴錨網、錨桿(索)框架梁、被動防護網、截排水溝等多種措施相結合的坡面整治方案設計、搶險施工組織安排提供了重要的技術支撐。

3.3 無人機長期監(jiān)測結果分析

為確保搶險施工期、臨時開通期行車安全，采用無人機傾斜攝影對坡體約1.5 km2區(qū)域范圍進行航拍，施工期1次/1個月，運營期1次/2個月。通過人工對比分析多期三維影像，及時發(fā)現是否存在新增高位隱蔽災害點。

目前已完成2019.9.9，2019.10.25，2019.11.19，2020.1.10共計4期無人機三維傾斜攝影，結果見圖8。

圖8 多期無人機傾斜攝影模型

從圖8可以得出如下結論。

(1)2019.9.9期在崩塌體后緣發(fā)現1處裂縫，尚未貫通。在施工搶險期人工擾動、強降雨等因素影響下，有繼續(xù)擴展的可能性，應加強該裂縫的變形觀測。

(2)2019.10.25期在既有裂縫的下方發(fā)現1處清晰可見的拉裂縫，與2019.9.9期發(fā)現的裂縫夾角約45°，2條裂縫未貫通。初步判定為坡面清方人工擾動造成，后期應加強2條裂縫的變形觀測；同時，從模型可以看出崩塌體周圍較2019.9.9期無明顯變形。

(3)從2019.11.19與2020.1.20兩期三維傾斜攝影模型可以看出，2條裂縫的長度及寬度均無明顯變化，崩塌體周圍也無明顯變形發(fā)生，說明其變形已趨于穩(wěn)定。分析其原因為，2019.11.1日前已完成坡面清方及錨桿加固等工程措施，坡面已穩(wěn)定，故變形未繼續(xù)發(fā)生。

4 結論

本文全面介紹了無人機傾斜攝影測量技術的原理、系統(tǒng)構成及工作流程，針對實際應用過程傾斜攝影數據，研發(fā)了傾斜攝影數據及時共享的網絡快速發(fā)布平臺，并將全套技術應用于2019年8月14日成昆鐵路K310+857高位巖體崩塌災害調查及長期監(jiān)測，得出如下結論。

(1)無人機傾斜攝影文件網絡快速發(fā)布平臺突破傳統(tǒng)數據應用以單機、本地化管理的模式，通過構建虛擬化基礎設施集群平臺、瓦片數據存儲及訪問應用服務集群，實現TB級傾斜攝影成果文件高速存儲及快速網絡發(fā)布，可滿足應急搶險時各方對現場高清影像異地、遠程訪問使用需求。

(2)將該套融合技術應用于成昆鐵路K310+857高位巖體崩塌災害調查，結果表明，三維傾斜模型精度、分辨率完全滿足使用要求，且可根據三維傾斜攝影模型提取地質災害關鍵形態(tài)參數，明確災害特征，可為災害防治方案設計、搶險施工組織安排提供可靠依據。

(3)將無人機傾斜攝影測量技術與文件網絡快速發(fā)布技術用于成昆鐵路K310+857高位巖體崩塌災害長期監(jiān)測，結果表明，該套技術可及時發(fā)現高位隱蔽隱患災害點，并可通過多期對比觀測，掌握裂縫變形發(fā)展規(guī)律，為評估施工影響以及臨時開通期行車安全提供科學支撐。