CN111639384A - 一种基于三维激光扫描的滑坡落石防护设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维激光扫描的滑坡落石防护设计方法，包括以下步骤：S1.三维地形数据的搜集；S2.无防护的三维落石模拟；S3.初拟被动防护系统安装位置；S4.有防护的三维落石模拟；S5.统计基于步骤S4的结果，统计每种工况下经过拦截后的落石数量，即落石拦截率IR、逃逸落石能量率ERER以及防护网成本Cost：S6.防护效果定量分析：基于IR、ERER与Cost确定新的定量方法来评价被动防护网；S7.确定防护方案：根据防护网综合等级与实际工程需要，选择合适的防护网安装位置。本发明基于拦截率IR，剩余落石能量率ERER以及成本Cost进行最优落石防护网选址，以评估选址位置不同的被动防护网的防护效率与成本，筛选出最优的安装位置，达到低成本、高效率的防护系统设计效果。

Description

一种基于三维激光扫描的滑坡落石防护设计方法

技术领域

本发明涉及落石防护，特别是涉及一种基于三维激光扫描的滑坡落石防护设计方法。

背景技术

落石是一种山区普遍存在的自然灾害。落石是指山坡上的孤石、悬崖上的碎石受地震、强降雨以及风化作用等因素，从原有位置脱落，经过一系列弹跳、滚动和滑动等过程后停止的现象。其特点是速度快、能量高、运动时间短、突发性高、随机性强、不易监测、不易被察觉，通常会对其运动轨迹上的人员、车辆、建筑设施等造成巨大伤害。因此，在落石高发地区对落石进行防护是非常有必要的。现阶段防护落石通常有两种手段：

一、主动防护系统：将主动防护网挂在落石源区，避免落石发生掉落，将落石过程扼杀在起始阶段，主要用于公路边的陡崖和高边坡施工工程；

二、被动防护系统：将被动防护网设置在落石运动的途中或者是保护区的边界，用来拦截运动中的落石，避免其对人员、车辆或者建筑造成损伤。

传统的被动防护系统的选址主要依靠二维落石模拟或现场人工选址，其中：

二维落石模拟：通过人为选定的典型横断面进行落石模拟，根据落石模拟的结果来拟定被动防护网的安装位置及参数；

现场人工选址：根据现场的地形、地貌、保护区分布范围等实际情况，进行现场人工选址。

从上述可以看出，无论是二维落石模拟或者是现场人工选址，传统的被动防护系统选址方法主要依据的是设计人员的经验，受人为因素干扰大，执行标准不统一。。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于三维激光扫描的滑坡落石防护设计方法，基于拦截率IR，剩余落石能量率ERER以及成本Cost进行最优落石防护网选址，以评估选址位置不同的被动防护网的防护效率与成本，筛选出最优的安装位置，达到低成本、高效率的防护系统设计效果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于三维激光扫描的滑坡落石防护设计方法，包括以下步骤：

S1.三维地形数据的搜集：利用三维激光扫描技术对研究区域进行多站点-全景式扫描，获取多期点云数据，对获取的点云数据进行拼接、降噪、渲染和去除植被的预处理工序，再生成研究区域数字高程模型DTM；

S2.无防护的三维落石模拟：利用三维落石模拟软件进行落石模拟，并统计落石运动特征值；所述落石运动特征值包括如弹跳高度、运动速度、落石频率、停止区和碰撞区。

落石运动的弹跳过程遵循弹性力学原理:

V_t＝K*R*V_n

其中V_t为碰撞后的速度，V_n为碰撞前的速度，K为随机数，R为恢复系数；

落石运动的滚动过程按以下公式计算：

其中

为动摩擦角，

为内摩擦角，c为常数，d为坡面上的平均颗粒直径，r为岩石半径。

S3.初拟被动防护系统安装位置：根据落石的弹跳高度、运动频率、运动速度和保护区分布范围因素，结合具体工程需要，初拟多个被动防护网安装位置；

S4.有防护的三维落石模拟：根据初拟的防护网安装位置与安装高度不同，逐个对每种工况下的不同高度的防护网进行落石模拟；

S5.统计基于步骤S4的结果，统计每种工况下经过拦截后的落石数量，即落石拦截率IR、逃逸落石能量率ERER以及防护网成本Cost：

ERER＝E_ER/E_TR

IR＝N_ER/N_TR

Cost＝k*H*L

其中E_ER为逃逸落石能量；E_TR为落石总能量；N_ER为逃逸的落石数量；N_TR为总落石数量，k为成本系数，H为防护网高度，L为防护网长度；

S6.防护效果定量分析：基于给定的拦截率IR来综合评价防护网选址的危险等级及成本高低，并将结果归纳为9个不同等级，分别为：“低危险、低成本”；“中危险、低成本”；“高危险、低成本”；“低危险、中成本”；“中危险、中成本”；“高危险、中成本”；“低危险、高成本”；“中危险、高成本”；“高危险、高成本”，评价公式如下：

防护网综合等级＝{(ERER,Cost)|IR}

最优防护位置＝{(ERER_Min,Cost_Min)|IR)}

其中，{(ERER,Cost)|IR}表示在达到设定的拦截率IR的条件下，由逃逸落石能量率ERER、防护网成本Cost决定综合等级，ERER越小，Cost越小，防护网的效果越好，防护网的综合等级越高；

{(ERER_Min,Cost_Min)|IR)}表示在达到设定的拦截率IR的条件下，使得ERER达到最小值ERER_Min，且Cost达到最小值Cost_Min时，对应的防护网位置为最优防护位置。

S7.确定防护方案：根据防护网综合等级与实际工程需要，选择合适的防护网安装位置。

优选地，根据防护网综合等级，可以得知防护网在各个初拟位置的具体表现，有的地方成本高、效率低，有些地方成本低、效率高。

根据工程实际需求:有些工程的防护网时临时措施，因此主要会考虑成本因素，成本越低越好；有些工程的防护网时永久措施，此时因主要考虑防护效率，效率越高越好。

所以具体应用时需要结合实际需求。

本发明的有益效果是：本发明基于拦截率IR，剩余落石能量率ERER以及成本Cost进行最优落石防护网选址，以评估选址位置不同的被动防护网的防护效率与成本，筛选出最优的安装位置，达到低成本、高效率的防护系统设计效果。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为实施例中获取点云数据的示意图；

图3为实施例中生成DEM的示意图；

图4为实施例中无防护落石模拟的示意图；

图5为实施例中初拟防护位置的示意图；

图6为实施例中某一处初拟位置的防护模拟及数据统计示意图；

图7为实施例中防护网安装位置定量评价的示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种基于三维激光扫描的滑坡落石防护设计方法，包括以下步骤：

S1.三维地形数据的搜集：利用三维激光扫描技术对研究区域进行多站点-全景式扫描，获取多期点云数据，对获取的点云数据进行拼接、降噪、渲染、去除植被等预处理工序，再生成研究区域数字高程模型DTM(Digital Elevation Model)；

S2.无防护的三维落石模拟：利用三维落石模拟软件进行落石模拟，并统计落石运动特征值如弹跳高度、运动速度、落石频率、停止区、碰撞区等，

落石运动的弹跳过程遵循弹性力学原理:

V_t＝K*R*V_n

其中V_t为碰撞后的速度，V_n为碰撞前的速度，K为随机数(Random number)，R为恢复系数；

落石运动的滚动过程可按以下公式计算：

其中

为动摩擦角，

为内摩擦角，c为常数，d为坡面上的平均颗粒直径，r为岩石半径；

S3.初拟被动防护系统安装位置：根据落石的弹跳高度、运动频率、运动速度和保护区分布范围等因素，结合具体工程需要，初拟多个被动防护网安装位置；

S4.有防护的三维落石模拟：根据初拟的防护网安装位置与安装高度不同，逐个对每种工况下的不同高度的防护网进行落石模拟。

S5.统计基于S4的结果，统计每种工况下经过拦截后的落石数量，即落石拦截率IR(Interception Rate)，进入保护区的落石剩余能量率——即逃逸落石能量率ERER(Escaped Rockfall Energy Rate)以及防护网成本Cost，其中IR，ERER和Cost的计算公式如下：

ERER＝E_ER/E_TR

IR＝N_ER/N_TR

Cost＝k*H*L

其中ERER为逃逸落石能量率；E_ER为逃逸落石能量(Escaped Rockfall Energy)；E_TR为落石总能量(Total Rockfall Energy)，IR为落石拦截率(Interception Rate)；N_ER为逃逸的落石数量(Number of Escaped Rockfall)，N_TR为总落石数量(Number of TotalRockfall)，Cost为防护网成本，k为成本系数——以市场价格为准，H为防护网高度，L为防护网长度。

S6.防护效果定量分析：IR、ERER与Cost在落石防护评价体系中均起到作用，本发明基于这三个参数提出一种新的定量方法来评价被动防护网，该方法基于给定的拦截率IR来综合评价防护网选址的危险等级及成本高低，并将结果归纳为9个不同等级，分别为：“低危险、低成本”；“中危险、低成本”；“高危险、低成本”；“低危险、中成本”；“中危险、中成本”；“高危险、中成本”；“低危险、高成本”；“中危险、高成本”；“高危险、高成本”，评价公式如下：

防护网综合等级＝{(ERER,Cost)|IR}

最优防护位置＝{(ERER_Min,Cost_Min)|IR)}

其中，{(ERER,Cost)|IR}表示在达到设定的拦截率IR的条件下，由逃逸落石能量率ERER、防护网成本Cost决定综合等级，ERER越小，Cost越小，防护网的效果越好，防护网的综合等级越高；

{(ERER_Min,Cost_Min)|IR)}表示在达到设定的拦截率IR的条件下，使得ERER达到最小值ERER_Min，且Cost达到最小值Cost_Min时，对应的防护网位置为最优防护位置。

S7.确定防护方案：根据防护网综合等级与实际工程需要，选择合适的防护网安装位置。

根据防护网综合等级，可以得知防护网在各个初拟位置的具体表现，有的地方成本高、效率低，有些地方成本低、效率高。

根据工程实际需求:有些工程的防护网时临时措施，因此主要会考虑成本因素，成本越低越好；有些工程的防护网时永久措施，此时因主要考虑防护效率，效率越高越好。

所以具体应用时需要结合实际需求。

在本申请的实施例中，首先利用三维激光扫描技术获取三维点云数据，如图2；经过拼接、降噪、去除植被、渲染等预处理后生成数字高程模型(DEM)，如图3；进行无防护的落石模拟，统计落石特征参数：落石速度、落石频率、落石高度及落石灾害程度，如图4；根据落石特征参数、保护区范围、地形地貌条件以及交通条件初拟防护网安装位置，如图5，共初拟了12处防护网；对每处防护网进行有防护的落石模拟，并统计每种情况下的拦截率IR，落石逃逸能量率ERER，图6展示了12处位置中某一处(P1)的模拟结果，在该处共模拟了5种不同高度的防护网的防护效果以及IR和ERER的统计值；图6中，前5副图表示的是防护网设置在P1时，落石模拟的结果图，最后一幅图表示不同防护网高度对应的拦截率IR(Interceptionrate)和逃逸落石能量率ERER(Escaped rockfall energy rate)的统计图。根据模拟结果，IR与ERER并不是线性关系。同样，在防护网设置在剩余部位(即P2至P12)，分别都有类似图6的统计图。在这个统计中，一共有3个参数，分别为拦截率IR，逸落石能量率ERER以及落石防护网的高度H(代表成本Cost)；在对比不同位置优劣程度时，需要先对这三个参数进行变量控制，才能进行定量比较，有三种方法：第一、在所有位置防护网的高度都一致时(即固定成本Cost)，比较IR与ERER；第二、在所有防护网对落石的能量削减能力一致时，即ERER都一致时，比较防护网成本Cost和拦截率IR；第三、在所有防护网对落石的拦截率相同时，比较各处位置的防护网对落石能量削减率ERER以及成本Cost。显而易见，前两种方法缺乏工程实际意义，而第三种方法的工程意义十分显著：因为，即使落石拦截率IR相同(即在不同位置安装的防护网都能拦截相同数量的落石)，但越过防护网的落石对保护区造成的破坏是不同的(即ERER不同，ERER越小，则破坏力越小)，而且成本也不同(有些地方的防护网要达到一定的拦截率，如IR＝95％，需要10m高的防护网，而有些地方只需要3米)。因此本申请采用第三种方法，“防护网综合等级＝{(ERER,Cost)|IR}”、“最优防护位置＝{(ERER_Min,Cost_Min)|IR)}”即在达到一定的拦截率的情况下(这是工程的必然要求)，未被拦截的落石对保护区的潜在破坏力越小(ERER越小)，同时成本越小(Cost越小)，则在该处设置防护网的效果越好。其中，IR的取值应根据工程实际需求，根据保护区是临时保护区或者永久保护区进行具体选择。但是，按照本方法，理论上无论IR如何取值，所计算的防护网最优位置是不会变的。

对这12处防护网安装位置的保护效率与成本进行排序，确定各处防护网的综合等级，结果如图7所示，可见：防护网安装在P4效果最优，其次是P3、P5与P9，再次是P8、P6、P10、P11与P12，然后是P2与P7，最差是P1。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于三维激光扫描的滑坡落石防护设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.三维地形数据的搜集：利用三维激光扫描技术对研究区域进行多站点-全景式扫描，获取多期点云数据，对获取的点云数据进行拼接、降噪、渲染和去除植被的预处理工序，再生成研究区域数字高程模型DTM；

S2.无防护的三维落石模拟：利用三维落石模拟软件进行落石模拟，并统计落石运动特征值；

S3.初拟被动防护系统安装位置：根据落石的弹跳高度、运动频率、运动速度和保护区分布范围因素，结合具体工程需要，初拟多个被动防护网安装位置；

S4.有防护的三维落石模拟：根据初拟的防护网安装位置与安装高度不同，逐个对每种工况下的不同高度的防护网进行落石模拟；

S5.统计基于步骤S4的结果，统计每种工况下经过拦截后的落石数量，即落石拦截率IR、逃逸落石能量率ERER以及防护网成本Cost：

ERER＝E_ER/E_TR

IR＝N_ER/N_TR

Cost＝k*H*L

其中E_ER为逃逸落石能量；E_TR为落石总能量；N_ER为逃逸的落石数量；N_TR为总落石数量，k为成本系数，H为防护网高度，L为防护网长度；

S6.防护效果定量分析：基于IR、ERER与Cost这三个参数确定新的定量方法来评价被动防护网，评价公式如下：

防护网综合等级＝{(ERER,Cost)|IR}

最优防护位置＝{(ERER_Min,Cost_Min)|IR)}

其中，{(ERER,Cost)|IR}表示在达到设定的拦截率IR的条件下，由逃逸落石能量率ERER、防护网成本Cost决定综合等级，ERER越小，Cost越小，防护网的效果越好，防护网的综合等级越高；

{(ERER_Min,Cost_Min)|IR)}表示在达到设定的拦截率IR的条件下，使得ERER达到最小值ERER_Min，且Cost达到最小值Cost_Min时，对应的防护网位置为最优防护位置。

S7.确定防护方案：根据防护网综合等级与实际工程需要，选择合适的防护网安装位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的滑坡落石防护设计方法，其特征在于：所述落石运动特征值包括如弹跳高度、运动速度、落石频率、停止区和碰撞区。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的滑坡落石防护设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，落石运动的弹跳过程遵循弹性力学原理:

V_t＝K*R*V_n

其中V_t为碰撞后的速度，V_n为碰撞前的速度，K为随机数，R为恢复系数；

落石运动的滚动过程按以下公式计算：

其中

为动摩擦角，

为内摩擦角，c为常数，d为坡面上的平均颗粒直径，r为岩石半径。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的滑坡落石防护设计方法，其特征在于：所述步骤S6包括：

基于给定的拦截率IR，综合评价防护网选址的危险等级及成本高低，并将结果归纳为9个不同等级，分别为：“低危险、低成本”；“中危险、低成本”；“高危险、低成本”；“低危险、中成本”；“中危险、中成本”；“高危险、中成本”；“低危险、高成本”；“中危险、高成本”；“高危险、高成本”，评价公式如下：

防护网综合等级＝{(ERER,Cost)|IR}

最优防护位置＝{(ERER_Min,Cost_Min)|IR)}。

其中，{(ERER,Cost)|IR}表示在达到设定的拦截率IR的条件下，由逃逸落石能量率ERER、防护网成本Cost决定综合等级，ERER越小，Cost越小，防护网的效果越好，防护网的综合等级越高；

{(ERER_Min,Cost_Min)|IR)}表示在达到设定的拦截率IR的条件下，使得ERER达到最小值ERER_Min，且Cost达到最小值Cost_Min时，对应的防护网位置为最优防护位置。

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