CN110672073B - 一种基于三维遥感技术辅助隧址区施工的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维遥感技术辅助隧址区施工的方法，包括如下步骤：通过航拍装置获取隧址施工区高清三维遥感影像；通过获得的所述三维遥感影像，对隧址施工区内的地质构造进行详细解译，建立断层的位置、走向、倾向、倾角、延深及规模、溶洞的参数信息；根据对地质结构的解译结果，分析隧址施工区内的地质构造对隧址区施工可能会造成的影响，进行风险预测并对预测结果建立相应的应对措施。本发明的方法时间短，节省人力物力，在植被覆盖进不去的山野密林中也可以得到宏观构造信息；通过三维遥感模型可以获取准确的地质信息，形成的立体影像更加真实客观，不仅可以获取构造的位置，还能获得其真实的产状。

Description

一种基于三维遥感技术辅助隧址区施工的方法及装置

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，具体来说，涉及一种三维遥感技术辅助隧址区施工的技术方法、装置及存储介质。

背景技术

随着社会经济水平的持续发展和人们对生活质量要求的不断提高，中国的交通运输及工程建设规模与数量在总体上呈现出不断增长的趋势。隧道作为地下通道的工程建筑物，具有某些其他工程无法比拟的优势。隧道作为交通运输线路上的工程结构物，具有重大的社会、经济效益。特别是在山岭地区可克服地形或高程障碍，改善线形，缩短里程，节省时间，减少对植被的破坏；在城市可减少地面用地，对疏导交通起到积极的作用；在江河、海峡和港湾等地区，可不影响水路通航，提高舒适性，增加隐蔽性且不受气候影响。由此可见，隧道建设对于交通的发展起着积极的促进作用。

中国南方地区山区面积大，地形极其复杂，灰岩山区由于流水的侵蚀很容易在山中洼地区域的底部形成溶洞落水洞等地形，对隧道施工造成严重影响，在复杂的地质运动过程中也有很多大大小小的断层，断层和溶洞都会降低岩石的强度和稳定性，还会在一定程度上影响到岩体的完整性与隧道结构表层的抗滑阻力，从而使隧道的整体施工安全无法得到保障。所以，在隧道实际施工过程中，需要特别注意断层和溶洞等，并针对这些容易出现问题的地段进行科学预防和处理。另外，断层和溶洞还容易表现出比较明显的黏土化特点和涌水特点，这就导致在隧道施工过程中，如果对该地段处理不善，就可能会造成大量涌水现象，从而破坏掉隧道周围岩体的稳定性与支撑结构的有效性，甚至直接影响到整个隧道工程的开展。如果对断层和溶洞的宽度、强度、大小、倾斜方向、活跃度都有了较为深入的理解后，就可以依据隧道施工方案与具体施工情况，选出相应的施工器械和适当的施工方法。所以在隧道选址时和已经选址后施工阶段还需要找专业地质人员翻山越岭去实地勘测，在人力无法到达的区域则查阅资料和地形图进行图进行估测，所以就会对地区的断层和溶洞位置与大小把握不准对隧道施工效率造成影响，施工时的准备工作也无法做好没办法明确知道断层和溶洞的相关信息，当开挖时遇到断层和溶洞则会手足无措。

目前在断层区域有很多开挖技术有1)半断面微台阶开挖技术。2)上下断面次序开挖技术。3)微震爆破技术等。断层破碎带还需要进行支护方法有1)喷锚网联合支撑技术。2)钢架支撑技术。3)超前支护技术。4)支护加固和注浆补强等。如果隧道施工遇到溶洞时则需要根据情况注浆等施工技术。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提供了一种三维遥感技术辅助隧址区隧道施工的方法，其通过采用三维遥感技术对隧址区的三维地貌进行描绘，准确把握断层位置及方向，根据地形地貌解译溶洞可能出现的位置与大小，实现研究在复杂地形条件下对隧道区域的地形勘测和断层以及溶洞等地质结构的解译从而为隧道所通过区域的地质结构做更加深入的研究，为合理确定隧道工程施工方案提供辅助依据。

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明公开了一种基于三维遥感技术辅助隧址区施工的方法，包括如下步骤：

步骤1，通过航拍装置获取隧址施工区高清三维遥感影像；

步骤2，通过步骤1获得的所述三维遥感影像，对隧址施工区内的地质构造进行详细解译，建立断层的位置、走向、倾向、倾角、延深及规模、溶洞的参数信息；

步骤3，根据对地质结构的解译结果，分析隧址施工区内的地质构造对隧址区施工可能会造成的影响，进行风险预测并对预测结果建立相应的应对措施。

更进一步地，所述隧址施工区为隧道开挖区域及与隧址区相邻的非开挖区域。

更进一步地，所述隧址施工区为隧道开挖区域及与隧址区相邻的非开挖区域。所述通过航拍装置获取隧址施工区高清三维遥感影像进一步包括：航拍装置的地面分辨率为0.2～0.5米。

更进一步地，所述隧址施工区为隧道开挖区域及与隧址区相邻的非开挖区域。所述航拍装置需要以倾斜摄影方式从多个不同的拍摄方向获取同一地面物体的不同侧面的高清晰度遥感影像，并于拍摄同时通过GPS装置获取相机位置信息及通过激光雷达装置获取距离及方位信息；再将高清遥感影像、位置、距离和方位信息输入相应的隧址施工区地质结构建模软件中，所述建模软件完成建模操作并输出三维地面遥感模型。

更进一步地，所述建模软件完成建模操作并输出三维地面遥感模型进一步包括：

基于倾斜影像自动化处理系统，进行倾斜影像空三加密、影像点云匹配、模型三角网构建优化和模型纹理自动映射，自动化生成三维实景模型成果；在倾斜影像空三加密成果或倾斜三维模型成果的基础上，基于透视成像原理，采用人机交互的方式采集模型轮廓线，通过纹理自动映射技术，实现精细化三维单体模型的快速构建；对倾斜三维实景模型进行踏平、删悬浮物编辑操作处理；在三维应用平台中，将三维实景模型编辑后成果和三维单体模型成果进行叠加套合显示，得到隧址区施工工作区真三维模型场景。

更进一步地，所述隧址施工区为隧道开挖区域及与隧址区相邻的非开挖区域。步骤2中所述的对隧址施工区内的地质构造进行详细解译进一步包括：对三维地面遥感模型进行三维解析，获知断层的倾角大小、规模，水平延延伸长度、深部延伸情况、以及溶洞和落水洞的位置参数信息，基于所述参数信息进行施工可行性分析并生成施工可行性报告，并根据该施工可行性报告，指导隧道施工工程的准备方向和风险应对措施。

更进一步地，所述隧址施工区为隧道开挖区域及与隧址区相邻的非开挖区域。步骤3中的所述分析隧址施工区内的地质构造对隧址区施工可能会造成的影响，进行风险预测并对预测结果建立相应的应对措施进一步包括，对三维地面遥感模型中的断层、溶洞进行分析，判断所述断层水平延展、垂直延深是否达到第一阈值组时，若达到则更改原设的隧道选址路线；若所述断层水平延展、垂直延深达到第二阈值组时而小于第一阈值组时，则根据通过断层的参数值确定施工风险等级并在施工时做出相应防护；当所述断层水平延展、垂直延深达到第三阈值组而小于第二阈值组时，通过锚杆配合喷射混凝土或者增设钢筋网进行防护加固以加强支护。

本发明进一步公开了一种电子设备，包括：处理器；以及，存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行上述基于三维遥感技术辅助隧址区施工的方法。

本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于三维遥感技术辅助隧址区施工的方法。

本发明与现有技术相比，本发明提供一种三维遥感技术辅助隧址区隧道施工的方法，通过采用无人机及其三维遥感技术对隧址区表面的测定，建立遥感三维模型，通过对遥感三维模型的遥感解译，得到断层的位置、地形的走向及溶洞等地质环境信息，进而确定施工方案和准备工作，可较为准确的获取采矿区的断层、溶洞以及其他地质构造的位置及走向倾角倾向等产状信息，为隧道施工提供较为准确地质产状信息和构造位置，为后续隧道施工的开挖工程实现提供参考，有助于隧道施工的快速开展，有助于提高隧道工程开挖的效率，可缓解对施工项目人员的勘测压力；通过对地形的判断，也有助于提高隧址区防滑、抗灾和减灾能力。相较于传统勘测，本方法时间短，节省人力物力，在植被覆盖进不去的山野密林中也可以得到宏观构造信息；相较于早期平面遥感有直接的立体感可以直接解译出各种地质构造；三维航天遥感在倾斜地区变形拉长很大，严重不准确，因其无法得到倾斜视角的准确数据，无法得到准确符合实际情况的三维遥感模型，综上所述无人机三维遥感最为准确的建立三维遥感模型得到准确的地质信息，形成的立体影像更加真实客观不仅可以获取构造的位置还能获得真实的产状。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在图中，在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1是未解译出断层和溶洞存在的隧址区的平面分布图；

图2是存在断层和溶洞存在的隧址区平面分布图；

图3是存在断层和溶洞的隧址区剖面图；

图4是航拍装置建立的真三维遥感模型；

图5是本发明的基于三维遥感技术辅助隧址区隧道施工的方法的流程图。

其中，1-隧址工作区；2-隧道施工路线；3-隧道入口；4-隧道出口；5-山脊；6-断层；7-隧道中出现断层的位置；8-山峰；9-山中低洼处；10-溶洞。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例一

本实施例提供一种如图5所示的三维遥感技术辅助隧址区隧道施工的方法，包括如下步骤：

1)根据隧址区施工工作区的面积，进行工作区划分，设计无人机测量流程；

2)利用无人机倾斜测量技术进行工作区遥感扫描，安装数据存储设备、GPS仪、测距传感器和遥感摄影仪等，按照设计的无人机测量流程，运用无人机对隧址区隧道施工工作区进行地貌的倾斜摄影测量；在飞行扫描过程中获取的数据存储并传送给地面PC端；

3)基于倾斜摄影技术，综合运用倾斜三维自动建模技术、倾斜三维交互式建模技术和三维实景模型编辑技术，快速完成三维场景构建。其构建过程主要可分为四个步骤：

①基于倾斜影像自动化处理系统，进行倾斜影像空三加密、影像点云匹配、模型三角网构建优化和模型纹理自动映射，自动化生成三维实景模型成果；②在倾斜影像空三加密成果或倾斜三维模型成果的基础上，基于透视成像原理，采用人机交互的方式采集模型轮廓线，通过纹理自动映射技术，实现精细化三维单体模型的快速构建；③对倾斜三维实景模型进行踏平、删悬浮物等编辑操作处理；④在三维应用平台中，将三维实景模型编辑后成果和三维单体模型成果进行叠加套合显示，得到隧址区施工工作区真三维模型场；

4)对遥感三维模型上的地形和地质特征构造进行遥感解译，具体通过建立的三维模型，遥感三维模型相当于一定比例尺缩小了的地面立体模型。它全面、真实地反映了各种地物(包括地质体)的特征及其空间组合关系。在遥感三维模型上进行目视解译，凸起和凹陷的位置可以进行重点判断，通过相互之间的位置关系判断是正断层还是逆断层根据绵延的长度可以进行规模的判断，大规模断层由于规模大，其水平延伸达1km，甚至数公里，垂直延深达数百米，宽度数米至数十米，这类断层，对于隧道施工有极大的不利影响，一般选址时都会避免此类位置，人为勘测也易于得出结论不能体现本技术优越性；中等规模断层由于规模中等，其水平延深一般数百米，宽度1米左右，垂直延深100～200米，；小规模断层一般规模较小，水平延深一般只有几十米，少数超过100米，宽度不超过1米，垂直延深一般只有几十米，此类断层如果在人为无法到达或者到达该区域非常不便的时候本技术可以体现巨大优越性，节省了大量人力物力财力。相对于平面遥感构造解译真实感更强、获取的信息更丰富、更准确，高清三维遥感影像断层构造解译不仅可以获得断层的位置和走向信息，还可以获知断层的倾角大小、规模，水平延延伸长度、深部延伸情况等，在三维遥感立体图上可以查看到山与山之间的凹处，以及山涧和谷地，在南方灰岩地区易于在山的凹陷处进入雨水在山中形成灰岩的溶解从而形成溶洞和落水洞，在三维遥感模型中可以直接看出具体的凹陷大小和位置，从而判断溶洞可能出现的位置和其大小，再通过施工时的具体信息进行判断则可以具体判断出溶洞的走向等，为隧道施工提供了重要的参考，为隧道施工的方案选择提供了重要的指导方向。这些信息可以直接用于指导隧址区施工方案的选择提前做好工作准备极大的增加效率和施工难度。从所得遥感三维模型中的可以直接解译出有断层的位置、溶洞位置和大致大小、地形的走向及陡崖等地质环境信息，确定施工方案。

5)根据所得结论，进行实地验证和考察，精确确定断层走向、倾向和倾角、溶洞的位置和大小，从而判断判断断层和溶洞在隧址区的走向等地质信息，大规模断层，一般隧道是不能进行施工的，或者施工代价巨大投入巨大得不偿失，不过一般选址就已经避免经过大型断层；中等规模断层隧道施工也是有一定难度的，在施工时要关注断层的变化和其他地质信息，防止发生意外，施工的方案也要根据实际情况进行调节；小规模断层一般规模较小，一般直接可以进行施工，进行支护等方式继续施工。所以在解译出来不同规模的断层时采取相应的应对措施，若解译出施工区山体中可能有溶洞，则需要特别注意防水排水等问题，施工时特别注意溶洞可能出现的具体位置和走向，为安全施工提供了保障。

本实施例针对现有技术中隧道施工对复杂山地断层和溶洞不明确的问题进行解决；以及因为溶洞和断层等地质构造的原因，导致隧道施工难度大和可能遇到未知地质条件而手足无措的问题；以及为了调查施工区地质条件而浪费了的大量人力物力财力等问题，提出一种采用三维遥感技术辅助隧址区隧道施工的方法。本发明提供的方法，不仅可大大改进现有技术施工时对断层和溶洞位置和有无的不确定问题还可以大大节省勘测地形时的人力物力财力。

实施例二

本实施例提供了一种三维遥感技术辅助隧址区隧道施工的方法，包括如下步骤：

1)根据隧址区工作区的面积，进行工作区划分；根据无人机续航能力进行设计一架或多架无人机获取地面遥感数据；根据实际情况进行航线的设计。

2)无人机安装数据存储设备、GPS仪、测距传感器和遥感摄影仪，按照设计的无人机测量流程，运用无人机对划分的隧址区施工工作区进行地貌的多角度倾斜摄影测量，无人机以固定的高程进行飞行扫描多角度的获取数据影像数据和建模需要的高程数据；通过GPS获取地面点的具体坐标位置，通过遥感摄影仪拍摄地面点具体影像；在飞行扫描过程中获取的数据存储并传送给地面PC端；在这一过程中，具体影像包括形成工作区的平面图像以及基本环境。

3)将步骤2)测量的数据在遥感建模软件中进行处理，建立遥感三维模型；接收数据的PC端将无人机检测的数据传输至处理设备；综合运用倾斜三维自动建模技术、倾斜三维交互式建模技术和三维实景模型编辑技术，快速完成三维场景构建。其构建过程主要可分为四个步骤：①基于倾斜影像自动化处理系统，进行倾斜影像空三加密、影像点云匹配、模型三角网构建优化和模型纹理自动映射，自动化生成三维实景模型成果；②在倾斜影像空三加密成果或倾斜三维模型成果的基础上，基于透视成像原理，采用人机交互的方式采集模型轮廓线，通过纹理自动映射技术，实现精细化三维单体模型的快速构建；③对倾斜三维实景模型进行踏平、删悬浮物等编辑操作处理；④在三维应用平台中，将三维实景模型编辑后成果和三维单体模型成果进行叠加套合显示，得到隧址区施工工作区真三维模型场景。在倾斜辅助建模软件的支持下建立的遥感三维模型能够清晰的、实时的、有效的显示出隧址区施工工作区的地形特征和地表特征，为遥感解译提供了数据基础。

4)对遥感三维模型上的地形和地质特征构造进行遥感解译，遥感三维模型相当于一定比例尺缩小了的地面立体模型。它全面、真实地反映了各种地物(包括地质体)的特征及其空间组合关系，可以直接通过对遥感三维模型的解译得到真实的地质构造情况。例如，凸起和凹陷的位置可以进行重点判断如图2和图3的标注7所示，通过相互之间的位置关系和断层的正逆方向判断是正断层还是逆断层根据绵延的长度可以进行规模的判断，大规模断层由于规模大，其水平延伸达1km，甚至数公里，垂直延深达数百米，宽度数米至数十米，这类断层，隧道必选址必须避让；中等规模断层由于规模中等，其水平延深一般数百米，宽度1米左右，垂直延深100～200米；小规模断层一般规模较小，水平延深一般只有几十米，少数超过100米，宽度不超过1米，垂直延深一般只有几十米。相对于平面遥感构造解译真实感更强、获取的信息更丰富、更准确，高清三维遥感影像断层构造解译不仅可以获得断层的位置和走向信息，还可以获知断层的倾角大小、规模，水平延延伸长度、深部延伸情况等。在灰岩质山区很有可能会有溶洞等地质结构影响隧道施工安全，而溶洞可根据山峰中间有无低洼处判断，由高清三维遥感建模模型很直观的看出隧址区是否有山峰环绕的低洼处，若有低洼处(如图2图3的标注9所示)则在灰岩山区下方的山体中很可能有溶洞的存在，如图3的标注10所示。

5)根据所得结论，进行实地验证和考察，精确确定断层走向、倾向和倾角，判断隧道施工时具体的解决方案，得到最佳的施工方案，大大节省了人力物力，比传统勘测节省了大量时间。

如图1所示，没有断层和溶洞存在的地层条件下隧道很容易进行掘进，不需要进行特殊的施工方案一般无溶洞和含水层情况下也无需排水。如图2所示。在有断层和溶洞的地方，隧道的掘进会遇到很大的障碍，严重影响掘进进度，甚至会停工或者安全危险，因为在有断层和溶洞的山体内部围岩不稳定，应力不稳定容易落石或者坍塌等。如图3所示。利用本发明建立的三维遥感模型就很好的解决了这一难题，如图4所示，通过对三维模型遥感解译，可对工作区的断层位置及产状做出初步判断，然后通过野外实地调查，精确确定断层走向、倾向和倾角，可以得到掘进时是否可以用爆破手法，在何处爆破等，并且可以在未掘进到断层和溶洞之前就做好排水灌浆等准备工作和准备材料，已备不时之需；从而我们可以大大提升施工进度和效率以及施工安全。生成的三维遥感模型如图4所示，可以很直观看出沟壑山脊山谷，得到需要的解译信息从而解译出地质结构。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。因此，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于三维遥感技术辅助隧址区施工的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过航拍装置获取隧址施工区高清三维遥感影像；

步骤2，通过步骤1获得的所述三维遥感影像，对隧址施工区内的地质构造进行详细解译，建立断层的位置、走向、倾向、倾角、延深及规模、溶洞的参数信息；

步骤3，根据对地质结构的解译结果，分析隧址施工区内的地质构造对隧址区施工可能会造成的影响，进行风险预测并对预测结果建立相应的应对措施；

所述隧址施工区为隧道开挖区域及与隧址区相邻的非开挖区域；

所述通过航拍装置获取隧址施工区高清三维遥感影像进一步包括：航拍装置的地面分辨率为0.2～0.5米；

所述航拍装置需要以倾斜摄影方式从多个不同的拍摄方向获取同一地面物体的不同侧面的高清晰度遥感影像，并于拍摄同时通过GPS装置获取相机位置信息及通过激光雷达装置获取距离及方位信息；再将高清遥感影像、位置、距离和方位信息输入相应的隧址施工区地质结构建模软件中，所述建模软件完成建模操作并输出三维地面遥感模型；

所述建模软件完成建模操作并输出三维地面遥感模型进一步包括：基于倾斜影像自动化处理系统，进行倾斜影像空三加密、影像点云匹配、模型三角网构建优化和模型纹理自动映射，自动化生成三维实景模型成果；在倾斜影像空三加密成果或倾斜三维模型成果的基础上，基于透视成像原理，采用人机交互的方式采集模型轮廓线，通过纹理自动映射技术，实现精细化三维单体模型的快速构建；对倾斜三维实景模型进行踏平、删悬浮物编辑操作处理；在三维应用平台中，将三维实景模型编辑后成果和三维单体模型成果进行叠加套合显示，得到隧址区施工工作区真三维模型场景；

步骤2中所述的对隧址施工区内的地质构造进行详细解译进一步包括：对三维地面遥感模型进行三维解析，获知断层的倾角大小、规模，水平延延伸长度、深部延伸情况、以及溶洞和落水洞的位置参数信息，基于所述参数信息进行施工可行性分析并生成施工可行性报告，并根据该施工可行性报告，指导隧道施工工程的准备方向和风险应对措施；

步骤3中的所述分析隧址施工区内的地质构造对隧址区施工可能会造成的影响，进行风险预测并对预测结果建立相应的应对措施进一步包括，对三维地面遥感模型中的断层、溶洞进行分析，判断所述断层水平延展、垂直延深是否达到第一阈值组时，若达到则更改原设的隧道选址路线；若所述断层水平延展、垂直延深达到第二阈值组时而小于第一阈值组时，则根据通过断层的参数值确定施工风险等级并在施工时做出相应防护；当所述断层水平延展、垂直延深达到第三阈值组而小于第二阈值组时，通过锚杆配合喷射混凝土或者增设钢筋网进行防护加固以加强支护。

2.一种电子设备，其特征在于，包括：

处理器；以及，

存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；

其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行权利要求1所述的基于三维遥感技术辅助隧址区施工的方法。

3.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述的基于三维遥感技术辅助隧址区施工的方法。

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