基于无人机遥感快速建模的危岩体三维离散元计算方法_苏国韶.pdf

第4 8卷 第3期2 0 2 3年6月 广西大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fG u a n g x iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l.4 8N o.3J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 9-0 1;修订日期:2 0 2 2-1 1-2 8 基金资助:国家自然科学基金项目(5 2 1 6 9 0 2 1);广西研究生教育创新计划项目(Y C B Z 2 0 1 8 0 2 3)通讯作者:苏国韶(1 9 7 3),男,广西南宁人,广西大学教授,博士生导师,博士;E-m a i l:g u o s h a o s u g x u.e d u.c n。引文格式:苏国韶,李战,范秋雁,等.基于无人机遥感快速建模的危岩体三维离散元计算方法J.广西大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 8(3):6 4 1-6 5 0.D O I:1 0.1 3 6 2 4/j.c n k i.i s s n.1 0 0 1-7 4 4 5.2 0 2 3.0 6 4 1基于无人机遥感快速建模的危岩体三维离散元计算方法苏国韶*1,2,李战1,2,范秋雁1,2,郑志1,2(1.广西大学 土木建筑工程学院,广西 南宁5 3 0 0 0 4;2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室,广西 南宁5 3 0 0 0 4)摘要:针对高位危岩体人工勘测效率低以及无人机遥感所采集的点云数据无法直接用于离散元计算建模的问题,本文提出一种基于无人机遥感快速建模的危岩体三维离散元计算方法。该方法采用无人机遥感技术生成危岩体的三维点云数据,通过下采样、平滑处理与所提出的双重空间距离判别法点云进行数据降噪,生成适用于三维离散元计算的网格模型,进而可对危岩体进行崩塌过程模拟。研究结果表明,本文方法是可行的,能够实现危岩体的快速勘测、快速建模与快速分析。关键词:危岩;无人机;遥感;离散元中图分类号:P 2 3 7;TU 4 5 7 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 4 5(2 0 2 3)0 3-0 6 4 1-1 0At h r e e-d i m e n s i o n a l d i s c r e t e e l e m e n t c a l c u l a t i o nm e t h o do fd a n g e r o u s r o c ku s i n gU A Vr e m o t e s e n s i n gf o r f a s tm o d e l i n gS UG u o s h a o*1,2,L IZ h a n1,2,F ANQ i u y a n1,2,Z HE N GZ h i1,2(1.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,G u a n g x iU n i v e r s i t y,N a n n i n g5 3 0 0 0 4,C h i n a;2.K e yL a b o r a t o r yo fD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dS t r u c t u r a lS a f e t yo fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n,N a n n i n g5 3 0 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os o l v e t h ep r o b l e m so f l o wa r t i f i c i a l s u r v e ye f f i c i e n c yo fh i g hd a n g e r o u sr o c km a s sa n dp o i n tc l o u dd a t ac o l l e c t e db yUAVr e m o t es e n s i n gc a n n o tb ed i r e c t l yu s e df o r m o d e l i n ga n d d i s c r e t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n,t h i sp a p e rp r o p o s e sat h r e e-d i m e n s i o n a ld i s c r e t ee l e m e n t c a l c u l a t i o nm e t h o df o rd a n g e r o u s r o c km a s su s i n gUAVr e m o t es e n s i n gf o rf a s tm o d e l i n g.I nt h i sm e t h o d,t h eUAVr e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g yi su s e dt og e n e r a t e3 Dp o i n tc l o u d d a t a o f d a n g e r o u sr o c k m a s s,a n d t h e p o i n tc l o u d d a t ai s d e n o i s e d b yd o w n s a m p l i n g,s m o o t h i n ga n dt h ep r o p o s e dd u a ls p a t i a ld i s t a n c ed i s c r i m i n a t i o nm e t h o dt og e n e r a t eam e s h m o d e ls u i t a b l ef o r3 Dd i s c r e t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n,a n dt h e nt h ec o l l a p s e广西大学学报(自然科学版)第4 8卷p r o c e s so fd a n g e r o u sr o c k m a s sc a n b es i m u l a t e d.T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di sf e a s i b l ea n dc a nr e a l i z et h er a p i ds u r v e y,m o d e l i n ga n da n a l y s i so fd a n g e r o u s r o c k.K e yw o r d s:d a n g e r o u s r o c k;u n m a n n e da e r i a l v e h i c l e;r e m o t es e n s i n g;d i s c r e t ee l e m e n t0 引言危岩体是指位于边坡较高处、被多组结构面切割且稳定性较差的岩体1。危岩崩塌具有勘察难度大、分布范围广、致灾作用强的特点,严重威胁着山区的公路铁路、居民生命财产安全。危岩体的科学勘察是危岩崩塌灾害防治的重要前提,对于陡峭边坡上的高位危岩体,人工勘测存在效率低且存在较大安全风险的问题,亟待解决。近年来,随着无人机技术快速发展,基于航测无人机遥感的工程地质勘测越来越受到人们的关注2。K o n g等3基于无人机倾斜摄影测量获取边坡点云数据提取结构面产状。I s m a i l等4通过无人机采集数字图像生成的点云数据与地面激光扫描直接采集的点云数据进行对比,证实了数字图像生成点云数据是可行的。陈宙翔等5采用无人机倾斜摄影测量对高速公路段危岩崩塌灾害路段进行勘察。郭甲腾等6基于无人机遥感所采集的点云数据,利用密度聚类方法实现了结构面的自动分类。崔溦等7利用危岩体边缘点云与边坡面点云的法向量存在的差异识别危岩体几何轮廓。徐画等8将危岩体点云数据进行最小二乘拟合提取危岩结构信息。总的来说,无人机遥感为高位危岩体的高效勘测提供了一种新的技术手段,但已有研究仍存在一定局限性,例如:多侧重于大范围危岩体勘测,对于小范围局部危岩体的详勘关注较少;无人机遥感数字图像生成的点云相较于实际工程应用需求的点云密度较为稠密,如何针对三维数值建模要求滤除无效点云数据以构建合理的三维数值模型网格亟待解决;无人机遥感点云数据多用于危岩几何特征的描述或重构,将点云数据直接转化为数值计算模型以评价危岩稳定性尚未见相关文献报道。为此,本文将危岩体的无人机勘测技术与块体离散元法9(一种常用的危岩体数值计算方法)相结合,在创建点云数据去噪的双重空间距离判别法的基础上,提出一种基于无人机遥感快速建模的危岩体三维离散元数值计算方法,拟通过“高效勘测 快速建模 精准计算”一体化技术显著提升危岩体稳定性评价的效率。1 方法无人机遥感快速建模的危岩体三维离散元计算方法流程如图1所示。首先,使 用 无 人 机 搭 载 可 见 光 摄 影 机 进 行 危 岩 体 勘 测,采 用 运 动 恢 复 结 构(s t r u c t u r ef r o mm o t i o n,S f M)方法1 0,利用航拍数字影像生成三维点云数据。其次,针对三维点云生成密度不均匀的问题,根据生成的三维点云数据进行体素采样,采用双边滤波技术1 1获得平滑的点云数据。然后,基于空间距离指标滤除离散性较大的点云数据,实现冗余点云数据滤除。再次,利用点云数据生成危岩体及其边坡背景的表面二维网格,通过布尔运算生成三维网格,由此建立符合三维离散元计算要求的三维网格模型。最后,将三维网格模型信息导入三维离散元数值计算软件3 D E C,通过数值仿真计算预测危岩体的崩塌过程与崩塌模式,由此实现危岩体的工程勘测与计算分析的无缝对接。246第3期苏国韶,等:基于无人机遥感快速建模的危岩体三维离散元计算方法图1 无人机遥感快速建模的危岩体三维离散元计算方法流程F i g.1 P r o c e s s f l o wc h a r t o f t h r e e-d i m e n s i o n a l d i s c r e t e e l e m e n t c a l c u l a t i o nm e t h o do fd a n g e r o u s r o c ku s i n gU A Vr e m o t e s e n s i n g f o r f a s tm o d e l i n g2 关键技术2.1 三维点云数据生成的S f M法本文方法采用S f M法是一种三维点云高精度重建方法1 2,其基本原理是通过对同一目标对象的一批具有不同时间序列、不同拍摄姿态且具有一定重叠率的平面数字图像进行特征点匹配,进而获得该目标对象表面三维坐标点的信息,由这些目标对象表面的三维坐标点构成目标对象的三维稀疏点云数据。本文通过无人机航测影像,运用S f M方法生成稀疏点云,对其加密后获得能够精细反映危岩体复杂几何外观的稠密点云,相较于激光雷达技术(l i g h td e t e c t i o na n dr a n g i n g,L i D A R)在野外环境下布设作业更具有实际应用价值。2.2 三维点云数据降噪的双重空间距离判别法本文方法针对的是边坡上局部区域高位危岩体,与大面积边坡勘测提取危岩体分布和几何轮廓不同,局部区域高位危岩体的点云重建对边坡表面植被覆盖、特征点匹配偏移等原因所产生的噪声数据更为敏感。此外,由无人机影像S f M重建加密的稠密点云其密度高于工程数值计算建模所需密度,直接用于危岩体网格重建常导致网格重建效率下降或网格过密不适用于离散元计算分析的问题。为此,本文提出一种三维点云数据去噪的技术流程,该流程包括点云数据体素下采样、双边滤波和双重空间距离判别,具体说明如下:与边坡背景的点云数据相比,危岩体的稠密点云中存在更多的数据冗余,通过对危岩体的点云数据进行下采样,可有效精简点云数据。本文选择体素质心下采样方法,该方法原理1 3如图2所示。346广西大学学报(自然科学版)第4 8卷zxy图2 体素质心下采样原理F i g.2 P r i n c i p l eo f c n t r o i dv o x e l d o w ns a m p l i n gp r i n c i p l e点云数据中有N个数据点,为了避免过度下采样后造成点云过度稀疏降低危岩体形态还原精度,依据点云数据在3个坐标方向上的尺寸确定该点云数据的全局体积Vx y z,进一步根据该体积设定体素格栅尺寸vx y z,体素格栅将全局点云数据分为nv块,若该单一格栅内存在mk个点云数据,则质心计算公式为xk=mkj=1xjmk,yk=mkj=1yjmk,zk=mkj=1zjmk,(1)式中:xk、yk、zk分别为k个格栅内质心点三维坐标值;xj、yj、zj分别为栅内第j个点三维坐标值,j=1,2,mk;N=m1+m2+mk,k=1,2,nv。计算其该格栅内质心点坐标,将所有的质心点合并为一个点集,则下采样后的点云数据点个数为n,且满足nnv。下采样后,点云数据冗余度明显减少,但不可避免地导致一些特征数据的损失,使部分边缘特征不明显。为此,采用双边滤波对点云进行平滑处理。双边滤波是一种非线性的滤波方法,通过结合点云数据相邻点距离和法向量指向2个特征作为判据,设置欧氏空间权重wd和法向空间权重wn,可以在平滑点云数据的同时,保留点云数据所包含的目标对象边缘特征。双边滤波后的点云数据中,仍存在着噪声,如特征点匹配误差偏移所产生的单点噪声、危岩体表面植被遮挡所产生的点群噪声,这2种噪声点对于下建模质量影响较大,若不处理会造成危岩体表面特征严重失真的问题。基于空间分布的去噪算法(s t a t i s t i c a l o u t l i e r r e m o v a l,S O R)1 4对于离群单点去除效果较好;但对于离群点群,由于该群中的离群点彼此之间距离较短,因此无法通过单一的控制指标进行去除。为此,本文提出噪声滤除的双重空间距离判别法,其原理如图3所示。图3 双重空间距离判别法去噪原理F i g.3 P r i n c i p l eo fd e n o i s i n gb a s e do nd u a l s p a t i a l d i s t a n c ed i s c r i m i n a t i o n通过设置2个不同的临近点个数,对每个点进行2个不同大小的邻域统计分析,计算该领域范围内所有的点到该点的平均距离与标准差,若2个不同尺寸邻域内所有点到该点的平均距离均在可接受的偏离程度内偏离点云数据的全局平均距离,且大邻域内所有点到该点的平均距离相比于小邻域内所有点到该点的平均距离的增长也处于可接受的范围内,则该点不是噪声数据点,即满足逻辑运算:d1D+TS()d2D+TS()d2d1+ts1(),(2)式中:D为总点数为n的点云数据的全局距离平均值;S为总点数为n的点云数据的全局距离标准差;446第3期苏国韶,等:基于无人机遥感快速建模的危岩体三维离散元计算方法T为全局距离标准差倍数,表示邻域平均距离与全局平均距离的偏离程度;d1为依据设置临近点数为k1生成的邻域范围内所有点到该点距离的平均值;d2为依据设置临近点数为k1生成的邻域范围内所有点到该点距离的平均值;s1为依据设置临近点数为k1生成的邻域范围内所有点到该点距离的标准差;t为k1邻域的标准差倍数,表示2个不同尺寸邻域点之间平均距离的偏离程度,k1、k2满足关系k1k2n。根据逻辑条件,对每个点是否为离散点进行判别,若判断为真,则该点不是噪声数据点;判断为假,则为噪声数据点,将该点从点云数据中去除。2.3 三维点云数据直接生成三维离散元网格首先,利用下采样、光滑与降噪处理后的点云数据,生成危岩体二维面网格,该网格面由三角形网格组成;其次,根据面网格的几何分布,选取沿边坡走向方向的长度、竖直方向的高度和边坡山体的深度,建立一个立方体封闭网格面模型;然后,将二维表面网格生成空间曲面使用布尔运算分割立方体封闭网格面模型1 5,删去多余部分,由此建立危岩体三维封闭网格面模型,进而采用4节点四面体单元进行体网格划分,从而生成逼近真实形貌的危岩体三维计算网格模型。与原始稠密点云相比,滤波降噪后的点云数据分布较为均匀,按上述方法生成的三维网格的边长相对较为均匀,由此避免了稠密点云局部密度过高所导致的网格形态畸变问题,且4节点四面体网格符合3 D E C离散元计算软件所规定的网格特征1 6要求,由此建立的三维网格模型可直接用于三维离散元计算。受篇幅限制,三维离散元的基本原理不再赘述,具体见文献9,1 7。3 实现步骤本文方法的实现步骤如下:S t e p1:使用无人机遥感技术,规划航线拍摄高位危岩体的数字图像。S t e p2:运用S f M方法进行重建生成高位危岩体的点云数据集,假定数据集内共包含N个数据点,则每个点由其空间坐标定位为pi=xoi,yoi,zoi(),i=1,2,N。本研究使用航空摄影测量软件P i x 4 d M a p p e r对无人机遥感所拍摄的危岩体数字图像进行处理,生成点云数据。S t e p3:由于点云数据的三维坐标包含其地理坐标信息,不利于局部区域内的研究和建模分析,需要对直接生成的点云数据进行区间化处理。xi=xoi-xo,m i n,yi=yoi-yo,m i n,zi=zoi-zo,m i n,(3)式中:xi、yi、zi分别为区间化后的原始点云中第i个点的三维坐标值;xoi、yoi、zoi分别为区间化前原始点云中第i个点的三维坐标值;xo,m i n、yo,m i n、zo,m i n分别为区间化前原始点云中各个三维坐标的最小值。S t e p4:由式(1)计算体素格栅内质心点坐标,对原始点云数据进行下采样,获得数据点数为n的采样后点云数据。S t e p5:对采样后点云数据进行双边滤波平滑处理,平滑处理后的点云数据根据式(2)去除噪声数据点,获得数据点数为n*的处理后点云数据。S t e p6:采用专业3 D建模软件R h i n o软件及其G r i d d l e插件,设定边坡深度,生成三维数值网格模型,并输出3 D E C建模命令流数据文件。S t e p7:将命令流数据文件导入3 D E C数值计算软件,生成三维网格模型,输入计算参数,由此建立危岩体的三维离散元计算模型,通过仿真计算获得危岩体的崩塌过程与崩塌模式。以上步骤中所有对点云数据的处理均基于MAT L A B软件编写的程序。4 工程应用4.1 无人机勘察广西桂林市的屏风山山体岩性以泥盆统融县组(D 3 r)石灰岩为主1 8,东侧山体植被覆盖较少,长期546广西大学学报(自然科学版)第4 8卷裸露形成边坡,岩体表面受长期外界环境侵蚀,岩体表面裂隙发育丰富,易发生危岩崩塌灾害。采用多旋翼无人机(图4)进行危岩体勘测,按照预设的无人机航线(图5)对目标危岩体及其边坡背景进行数字图像采集,共拍摄图像1 1 5张,航向图像重叠率为8 0%,旁向图像重叠率为7 0%,选用地理坐标系为WG S 8 4。由航拍图像可知,屏风山东侧高处有一群体危岩(图6),该群体危岩主要由3块危岩体组成(图7),其中危岩体1、危岩体2的主控结构面下端潜存于陡坡岩体内,危岩的重心位于主控结构面外侧,在施压块体危岩体2的作用下危岩体1、危岩体2共同组成拉剪倾倒式危岩,危岩体3由多个坠落式子危岩体组成,其中3 4块体已崩塌,块体3 1下方临空。图4 无人机设备F i g.4 U A V(u n m a n n e da e r i a l v e h i c l e)图5 无人机航线及点云数据F i g.5 U A Vf i g h tp a t ha n dp o i n t c l o u dd a t a图6 山体遥感图像F i g.6 R e m o t e s e n s i n g i m a g eo f t h em o u n t a i n图7 边坡危岩体F i g.7 D a n g e r o u s r o c km a s so nt h e s l o p e4.2 点云数据处理使用S f M方法进行三维重建,生成危岩体及其边坡的点云数据,点云数据处理结果对比如图8所示。原始点云数据如图8(a)所示,原始点云数据共有3 1 94 3 9个,数据密度高且具有明显的因植被遮挡和特征点匹配偏移误差所导致的噪声点。定义体素栅格参数为0.7,对原始稠密点云进行质心体素下采样后的点云数据如图8(b)所示,下采样后的点云数据缩减为68 8 7个,数据密度明显下降,且危岩体形状特征保留完好,但噪声数据点仍然存在;设定参数k1=2 0,k2=5 0 0,T=1,t=1 7,对下采样后的点云数据进行双边滤波平滑,然后采用双重空间距离判别降噪,结果如图8(c)所示,这时点云数据仅有39 6 5个,绝大多数离散噪声点被滤除,危岩体的形状轮廓特征完好保留,点云数据相对地理定位偏差较小,精度较高,三维重建质量报告结果中相对地理定位偏差见表1。表1 相对地理定位偏差T a b.1 R e l a t i v eg e o l o c a t i o nv a r i a n c e相对地理定位精度x方向/my方向/mz方向/m地理定位精度均值 0.0 1 14 8 90.0 1 14 8 90.0 2 53 1 2地理定位精度标准差0.0 0 08 2 70.0 0 08 2 70.0 0 25 9 1646第3期苏国韶,等:基于无人机遥感快速建模的危岩体三维离散元计算方法(a)原始点云数据(b)下采样后的点云数据(c)噪声滤除后的点云数据图8 点云数据处理结果对比F i g.8 C o m p a r i s o no fp o i n t c l o u dd a t ap r o c e s s i n gr e s u l t s4.3 三维离散元建模设定边坡深度为3 0m,采用本文方法生成危岩体的表面网格、三维网格分别如图9和图1 0所示,不同建模方法的三维离散元计算网格如图1 1所示。从图1 1可见,与人工建模法(基于采用无人勘测的危岩体轮廓特征点的手工建模方法)相比,本文方法获得的危岩体表面形态更为精细;与高密度点云数据生成的计算网格相比,本文方法在获得相同的危岩体表面形态精细度的条件下,网格密度明显降低。图9 危岩体的二维表面网格F i g.9 S u r f a c eg r i d so fd a n g e r o u s r o c k图1 0 危岩体的三维网格F i g.1 0 T h r e ed i m e n s i o n a l g r i d so fd a n g e r o u s r o c k(a)人工建模法(b)高密度点云建模法(c)本文方法建模图1 1 不同建模方法的三维离散元计算网格F i g.1 1 3 Dd i s c r e t e e l e m e n t c o m p u t i n gg r i d sw i t hd i f f e r e n tm o d e l i n gm e t h o d s4.4 三维离散元计算分别对3种建模生成的计算网格所构建的三维离散元模型进行危岩体崩塌过程模拟。岩石单元采用摩尔 库伦塑性模型作为本构模型,结构面单元采用库伦滑移模型。根据工程地质勘测报告,危岩体、危岩体结构面的物理力学参数见表2和表3。模型的边界条件均设置为对x、y方向进行其对应方向的位移约束,对模型底面进行x、y、z这3个方向的位移约束,均仅考虑重力作用,忽略地应力、温度变化应力等影响。最大迭代步统一设置6 00 0 0步,人工模型网格剖分计算块体数目为7 7,计算耗时3m i n,高密度点云模型网格剖分计算块体数目为6 67 9 2,计算耗时6 0 4m i n,本文方法模746广西大学学报(自然科学版)第4 8卷型网格剖分计算块体数目为1 98 7 0,计算耗时1 7 6m i n。本文方法在确保危岩体表面形态还原精细度的条件下,降低了网格密度,减少了计算所需块体数目,有利于提高三维离散元计算效率,且显著降低了在计算过程中网格畸变导致的计算不收敛或计算误差大的风险。表2 危岩体的物理力学参数T a b2 D a n g e r o u s r o c km e c h a n i c sp a r a m e t e rv a l u e s岩石体积模量/G P a密度/(k gm-3)内聚力/MP a内摩擦角/()抗拉强度/MP a灰岩7 526 5 01 1.93 54表3 危岩体结构面的物理力学参数T a b.3 J o i n t sm e c h a n i c sp a r a m e t e rv a l u e s节理裂隙切向刚度/G P a法向刚度/G P a内聚力/MP a内摩擦角/()节理裂隙面0.5 50.0 31.8 01 8层理面 5 0.0 02.5 02.0 03 5 不同建模方法的竖向速度、竖向位移计算结果对比分别如图1 2和图1 3所示。对于人工建模法,由图可知,由于结构面断裂扩展,危岩体1、2、3 1的速度均具有小幅震荡但总体呈增加趋势,相互作用关系不明显,危岩体1、2可近似看作具有一个相同的竖向速度,由位移结果可知,危岩体1、2可近似为一个整体发生崩塌,危岩体3 1作为个体发生崩塌且程度更为严重;对于高密度点云建模法,由于网格较为密集,计算速度较慢且模型未能收敛,说明高密度点云建模法不适用于三维离散元计算;对于本文建模法,由速度结果可知,危岩体1、2、3 1竖向速度的产生过程具有先后顺序,明显反映出相互作用关系,危岩体1作为承压块体先发生结构面断裂扩展产生竖向速度,危岩体1侧边的危岩体3 1岩体结构面发生轻微的断裂扩展,但很快进入稳定状态,危岩体2作为危岩体1的施压块体伴随着危岩体1竖向速度的增加而发生结构面断裂扩展产生自身的竖向速度,由位移图像可知,危岩体2随着危岩体1的崩塌而崩塌。20 00040 00060 0000.81.72.53.34.25.00/(ms-1)123-1(a)人工建模法 20 00040 00060 00002.34.66.99.211.513.810-2/(ms-1)123-1(b)高密度点云建模法 10-1/(ms-1)20 00040 00060 00000.91.92.83.74.75.6123-1(c)本文建模法图1 2 不同建模方法的竖向速度计算结果对比F i g.1 2 C o m p a r i s o no f v e r t i c a l v e l o c i t yc a l c u l a t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n tm o d e l i n gm e t h o d20 00040 00060 00000.30.50.81.01.31.510-2/m123-1(a)人工建模法 20 00040 00060 00000.81.62.33.13.94.710-1/m123-1(b)高密度点云建模法 20 00040 00060 00001.12.23.34.45.56.6/m123-1(c)本文建模法图1 3 不同建模方法的竖向位移计算结果对比F i g.1 3 C o m p a r i s o no f v e r t i c a l d i s p l a c e m e n t c a l c u l a t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n tm o d e l i n gm e t h o d s846第3期苏国韶,等:基于无人机遥感快速建模的危岩体三维离散元计算方法不同建模法的位移对比如图1 4所示。对于人工模型法,危岩体1、2、3 1均发生崩塌;对于高密度点云建模法,由于网格过于密集,因此计算无法收敛;对于本文建模法,危岩体1、2依次发生崩塌。(a)人工建模法(b)高密度点云建模法(c)本文建模法图1 4 不同建模法的位移对比F i g.1 4 C o m p a r i s o no fd i s p l a c e m e n t a m o n gd i f f e r e n tm o d e l i n gm e t h o d s 不同建模方法的位移矢量对比如图1 5所示。对于人工模型法,位移矢量平行于与母岩的结构面向下,危岩体1、2作为整体均沿结构面以滑动型危岩的崩塌失稳模式特征发生崩塌;对于高密度点云建模法,模型计算不收敛,未能模拟出危岩体1与2的崩塌过程;对于本文建模法,危岩体1、2的位移矢量以绕主控结构面根部呈旋转倾倒趋势为主,危岩体2的少部分位移矢量沿层理面的破坏,在剪力和重力共同作用下呈坠落趋势,危岩体1、2依次以拉剪倾倒型危岩的崩塌失稳模式特征发生崩塌。由于危岩体1、2分布在陡峭边坡上,且危岩体的重心位于主控结构面外侧,结构面根部位于陡坡岩体内,符合拉剪倾倒型危岩的崩塌条件1,因此本文方法得到的危岩崩塌模式更为合理。(a)人工建模法(b)高密度点云建模法(c)本文建模法图1 5 不同建模法的位移矢量对比F i g.1 5 C o m p a r i s o no fd i s p l a c e m e n t v e c t o ra m o n gd i f f e r e n tm o d e l i n gm e t h o d s5 结论研究表明,本文提出的一种基于无人机遥感快速建模的危岩体三维离散元数值计算方法是可行的。该方法既解决了高位危岩体难以勘测的问题,又解决了人工建模精度低与常规无人机点云稠密数据不适用于三维离散元数值计算建模的问题,实现了工程勘测数字化建模与工程数值计算建模的一体化,具有高效、快速、实用性强的特点,为危岩崩塌稳定性的高效分析提供了一种实用工具。参考文献:1 陈洪凯,唐红梅,王林峰,等.危岩崩塌演化理论及应用M.北京:科学出版社,2 0 0 9.2 F R AN C I ON IM,S A L V I N IR,S T E A D D,e ta l.I m p r o v e m e n t si nt h ei n t e g r a t i o no fr e m o t es e n s i n ga n dr o c ks l o p em o d e l l i n gJ.N a t u r a lH a z a r d s,2 0 1 8,9 0(2):9 7 5-1 0 0 4.3 KON GD,S A R OG L OUC,WUF,e t a l.D e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no fUAV-S f Mp h o t o g r a mm e t r y f o rq u a n t i t a-t i v ec h a r a c t e r i z a t i o n o fr o c k m a s s d i s c o n t i n u i t i e sJ.I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f R o c k M e c h a n i c sa n d M i n i n gS c i e n c e s,2 0 2 1,1 4 1:1 0 4 7 2 9.4 I S MA I LA,S A F UANARA,S A A R IR,e ta l.A p p l i c a t i o no f c o m b i n e dt e r r e s t r i a l l a s e rs c a n n i n ga n du n m a n n e da e r i a lv e h i c l e d i g i t a l p h o t o g r a mm e t r y m e t h o d i n h i g h r o c k s l o p e s t a b i l i t y a n a l y s i s:a c a s e s t u d yJ.946广西大学学报(自然科学版)第4 8卷M e a s u r e m e n t,2 0 2 2,1 9 5:1 1 1 1 6 1.5 陈宙翔,叶咸,张文波,等.基于无人机倾斜摄影的强震区公路高位危岩崩塌形成机制及稳定性评价J.地震工程学报,2 0 1 9,4 1(1):2 5 7-2 6 7.6 郭甲腾,张紫瑞,毛亚纯,等.基于三维点云的岩体结构面自动分类与参数计算J.东北大学学报(自然科学版),2 0 2 0,4 1(8):1 1 6 1-1 1 6 6.7 崔溦,谢恩发,张贵科,等.利用无人机技术的高陡边坡孤立危岩体识别J.武汉大学学报(信息科学版),2 0 2 1,4 6(6):8 3 6-8 4 3.8 徐画,陈建平,张权平,等.无人机点云数据的危岩体结构信息提取J.测绘科学,2 0 2 1,4 6(7):1 3 7-1 4 4.9 刘宝臣,王良玉,曾榕,等.桂林翻山危岩稳定性评价的离散元分析J.科学技术与工程,2 0 2 2,2 2(6):2 4 0 9-2 4 1 8.1 0S NAV E L Y N,S E I T ZS M,S Z E L I S K IR.M o d e l i n gt h ew o r l df r o mi n t e r n e tp h o t oc o l l e c t i o n sJ.I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fC o m p u t e rV i s i o n,2 0 0 8,8 0(2):1 8 9-2 1 0.1 1D I GN EJ,D EF R AN CH I SC.T h eb i l a t e r a l f i l t e r f o rp o i n t c l o u d sJ.I m a g eP r o c e s s i n go nL i n e,2 0 1 7,7:2 7 8-2 8 7.1 2魏占玉,A R R OWS M I TH R,何宏林,等.基于S f M方法 的 高密 度点 云数 据 生成 及精 度 分析 J.地 震地 质,2 0 1 5,3 7(2):6 3 6-6 4 8.1 3R U S URB,C OU S I N SS.3 d i sh e r e:p o i n t c l o u dl i b r a r y(P C L)C/2 0 1 1I E E EI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nR o-b o t i c sa n dA u t o m a t i o n.S h a n g h a i:I E E E,2 0 1 1:1-4.1 4R U S URB,MA R T ONZC,B L O D OW N,e t a l.T o w a r d s 3 Dp o i n t c l o u db a s e do b j e c tm a p s f o r h o u s e h o l de n v i r o n-m e n t sJ.R o b o t i c sa n dA u t o n o m o u sS y s t e m s,2 0 0 8,5 6(1 1):9 2 7-9 4 1.1 5陈学工,马金金,邱华,等.三维网格模型的稳定布