CN112528746A - 危岩落石防护网设置方法 - Google Patents

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祝志恒
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Abstract

本发明涉及边坡防护技术领域，公开一种危岩落石防护网设置方法，以解决危岩体边坡被动防护网设置困难的技术问题。本发明方法包括：利用无人机对危岩体边坡进行航摄，根据航摄图像构建危岩体边坡的密集点云信息，生成危岩体边坡模型；利用危岩体边坡模型，圈定落石区域，估算落石体积，并结合现场试验获取运动特性参数，模拟无防护网情形下的落石轨迹，获取落石运动特征；根据落石运动特征制定被动防护网布设方案；对各被动防护网布设方案进行落石模拟，统计相应的落石拦截率、逃逸至防护对象附近的落石冲击能量和防护网成本，评估各被动防护网布设方案的风险等级与成本等级；最后根据实际工程需要和相应评价结果确定布设被动防护网的最佳方案。

Description

危岩落石防护网设置方法
技术领域
本发明涉及边坡防护技术领域，尤其涉及一种危岩落石防护网设置方法。
背景技术
落石指岩块从母体上分离，经过与坡面的碰撞、飞跃、弹跳、滑动等运动过程，顺着陡高山坡面快速向下运动，最后在平缓处或者障碍物附近停止运动的过程。其运动速度快、时间短、突发性强、不确定性高，一旦发生，将会在很短的时间对落石轨迹上的所有事物造成巨大的破坏，为了避免灾害的发生或减小灾害造成的损失，工程上往往采取一些防护手段进行防护，根据其防护类型可分为主动防护与被动防护。
主动防护是将防护网覆盖在危岩表面，通过防护网和锚杆的加固来限制落石移动，降低落石灾害发生的可能性；被动防护是将防护网铺或立在坡面，起到阻挡或限制落石的作用，降低落石灾害造成的损失。
对于落石分布较广的危岩体边坡，主动防护的防护成本过高，因此施工一般采用主动防护与被动防护结合的方法，即对大型的、稳定性较差的危岩体进行主动防护，对稳定性较好的小型落石，采用被动防护的手段进行防护。
传统被动防护系统的构建及选址，往往采用二维落石模拟分析及现场人工选址的方法。二维落石模拟分析是人为选择边坡的典型横断面进行落石模拟，根据模拟结果选择防护网位置及防护参数；现场人工选址则是根据现场地形及保护对象等实际情况，根据技术人员经验为防护网选址。传统的被动防护设计方法需要选择边坡上合适的典型横断面，并基于技术人员的经验进行选址，因此人为影响因素大，设计标准难以统一，且针对高差大、坡面起伏大的大型危岩体边坡，传统的被动防护设计方法难以构建出合理的防护体系。
此外，目前也有利用三维激光扫描的手段进行滑坡落石的防护设计，该方法基于三维点云信息进行三维落石分析，从而完成落石防护体系构建。但其一般的地面三维激光扫描很难适用于高差较大、地形起伏较大的危岩体边坡，若使用空载的三维激光扫描设备，则成本较高，不太适用于一般工程项目。
发明内容
本发明主要目的在于公开一种危岩落石防护网设置方法，以解决危岩体边坡被动防护网设置困难的技术问题。
为达上述目的，本发明公开一种危岩落石防护网设置方法，包括：
S1、利用无人机对危岩体边坡进行航摄，根据航摄图像构建危岩体边坡的密集点云信息，生成危岩体边坡模型；
S2、利用所述危岩体边坡模型，圈定落石区域，估算落石体积，并结合现场试验获取运动特性参数，模拟无防护网情形下的落石轨迹，获取落石运动特征；
S3、根据落石运动特征制定被动防护网布设方案；
S4、对各所述被动防护网布设方案进行落石模拟，统计相应的落石拦截率RIR、逃逸至防护对象附近的落石冲击能量ERE和防护网成本Ncost；
S5、根据RIR、ERE和Ncost评估各所述被动防护网布设方案的风险等级与成本等级；
S6、根据实际工程需要和各所述被动防护网布设方案评价结果确定布设被动防护网的最佳方案。
本发明具有以下有益效果：
相比于空载的三维激光扫描，本发明基于无人机航摄进行图像采集，并基于采集图像重构危岩体边坡模型，大幅降低了成本且操作便利。在整个设置过程中，结合了现场试验数据和软件模拟，并能在多种被动防护网布设方案中基于落石拦截率、逃逸至防护对象附近的落石冲击能量、防护网成本和实际工程需要确定布设被动防护网的最佳方案；结果更具客观性与说服力，克服了传统防护网设置方法受人工影响因素较大的弊端。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的方法流程图。
图2为实施例中像控点辅助标识的示意图。
图3为实施例中两种典型航线的示意图。
图4为实施例中模型密集点云重建的示意图。
图5为实施例中点云数据后处理的示意图。
图6为实施例中结构面信息获取的示意图。
图7为实施例中无防护网三维落石模拟的示意图。
图8为实施例中落石特征值统计的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例公开一种危岩落石防护网设置方法，如图1，包括以下步骤：
S1、利用无人机对危岩体边坡进行航摄，根据航摄图像构建危岩体边坡的密集点云信息，生成危岩体边坡模型。
可选的，该步骤的具体实施详述如下：
本实施例中，若现场GPS信号强且稳定，可选择自动航摄方案；若现场无GPS信号或信号不稳定，则可以选择手动航摄方案。相比较而言，手动方案的安全性及照片拍摄质量通常相对较低，但更快速灵活，而当危岩体边坡范围极小时也可以采用此方案。
该步骤中，选择危岩体边坡的实地位置和像片的影像位置都可以明确辨认的点作为像控点；如房屋、公路、大型设备等参照物。当现场无清晰易识别的像控点时，可采用布设辅助标志的方法获取像控点信息，即在无人机航摄相片上的可见位置放置相片中清晰可辨的辅助标志作为参照物；可选的，如图2所示，类似像控点的辅助标志可采用如图2所示的方式。像控点数量一般为3至5个，布设点位应在无人机航摄前且分布尽量均匀，构成等边三角网或四边形网为宜。测量首选采用GPS-RTK(Real-time kinematic，载波相位差分技术)方法，因为该方法易操作、速度快、精度高；若在GPS受限区域导致该方法不适用，则可采用全站仪进行测量。像控点测量时间不受限制。
优选地，自动航摄方案的航线规划中，应根据危岩体边坡的形态，选择不同航线如陡峭岩壁的垂直网格型及陡缓结合的组合网格型。
其中，垂直网格型的规划航线用于坡度极陡的危岩体边坡，如公路沿线的危岩体陡坡。参照图3(a)，具体描述如下：相机镜头始终水平指向危岩体边坡(镜头方向90°)。平行直立面并以垂直方向飞行为主。此外，应保持无人机距危岩直立面的距离d相对固定(d建议在40-80m之间取值)。
组合网格型的规划航线则用于坡度陡缓结合的危岩体边坡，如上段为危岩体陡崖，下部为缓倾斜坡的组合式危岩体边坡。参照图3(b)，具体描述如下:首先采取正射影像方法，用平面网格覆盖下部缓坡区域，后利用垂直网格覆盖上部陡崖区域。镜头方向在平面网格部分保持垂直向下指向地面(镜头方向0°)，在垂直网格部分将镜头调整至垂直并指向岩壁；距地面高度h及距危岩直立面距离d应相对固定(h建议在50-100m之间取值，d建议在40-80m之间取值)。
优选地，自动航摄方案的航线规划中，尽量满足照片的航向与旁向重叠率在60％以上；现场须根据无人机自带GPS获得的实际位置信息对航线及飞行范围进行准确校正；航线起始点建议设置在危岩体边坡坡脚附近位置，逐渐向上飞行拍摄直至危岩体边坡坡顶附近结束；飞行速率建议在4-10m/s，相机拍摄速率不低于1s/张。
优选地，相机参数设置中，光圈在光照正常的情况下设置为F/4左右；镜头焦距设置为最小焦距；感光度ISO在光照正常的情况下设置为100-200；快门值根据飞行速度设置为1/300-1/100。
综上，在航摄之前，根据卫星地图的地理信息预先对摄影范围进行规划、布设用于获取像控点信息的参照物、以及制定相应的无人机航摄方案；所述航摄方案包括：针对陡峭的危岩体边坡选择垂直网格型航线，针对陡缓结合危岩体边坡选择组合网格型航线。
在该步骤中，可基于SFM(Structrue From Motion，从运动恢复结构)生成稀疏三维点云，基于所布设的像控点对所生成的稀疏三维点云进行校正，再对校正后的稀疏三维点云基于MVS(Multi View System，多视角立体视觉系统)生成如图4所示的三维密集点云；然后如图5所示，对点云信息的进行去噪、封装，网格信息的简化与松弛，将三维密集点云信息转换为用于模拟分析的网格信息，生成危岩体边坡模型。
S2、利用所述危岩体边坡模型，圈定落石区域，估算落石体积，并结合现场试验获取运动特性参数，模拟无防护网情形下的落石轨迹，获取落石运动特征。
在该步骤中，可选的，细分步骤具体包括：
S21、利用所述危岩体边坡模型信息，通过人工目视圈定危岩体边坡上的危岩体及相应发生落石的区域，并通过数字模型计算体积；然后如图6所示，利用聚类分析方法获取危岩体的结构面信息，如节理的结构、空间、连续性信息，进一步对落石区域进行划分。
S22、通过现场试验的方法，获取落石分析所需运动参数，包括法向恢复系数Rn、切向恢复系数Rt、滑动摩擦系数k、横向偏移比η。
S23、如图7所示，将步骤S21和步骤S22得到的相关信息输入三维落石模拟软件得到落石模拟的落石运动特征。相应的落石运动特征如图8所示，包括弹跳高度、冲击能量和落石落点等。
S3、根据落石运动特征制定被动防护网布设方案。所布设方案主要包括对相应的单个或多个落石区域中防护网具体部署位置的择优方案。
优选地，在该步骤中，制定被动防护网布设方案时，应遵循以下原则：
A、防护网优先布设在落石弹跳高度及冲击能量均比较小的区域。
B、根据落石落点位置，选择防护网走向布设范围，一般要求超过落石可能到达位置10m。
C、防护网防护高度一般不超过7m，为了保有一定的安全储备，防护位置所在落石弹跳高度一般不超过6m。
D、为了保有一定的安全储备，防护网防护能级应保证95％的落石冲击能量在有效拦截范围内。
E、若原则C与原则D无法满足，则应设多级被动防护网，直至防护效果通过专家评定并达到工程需求。
F、若原则A确定的最优区域的现场施工及后期维护难度大，经过专家评议后，应选择次优区域，直至满足所有条件。
S4、对各所述被动防护网布设方案进行落石模拟，统计相应的落石拦截率(记为：RIR)、逃逸至防护对象附近的落石冲击能量(记为：ERE)和防护网成本(记为：Ncost)。
优选地，该步骤计算方式包括：
Figure BDA0002772548050000051
Ncost＝K·NL·H
其中，NR表示防护网应拦截落石数量，NTR表示防护网成功拦截的落石数量，K为成本系数，NL为防护网长度，H为防护网高度。
S5、根据落石拦截率、逃逸至防护对象附近的落石冲击能量和防护网成本评估各所述被动防护网布设方案的风险等级与成本等级。
优选地，该步骤的风险等级评价可具体为：
Figure BDA0002772548050000052
其中，GR确定风险等级，EO表示防护对象理论许可受冲击能量；GR越大，则风险等级越高，防护网性能越差。
S6、根据实际工程需要和各所述被动防护网布设方案评价结果确定布设被动防护网的最佳方案。例如：在满足落石拦截率的前提下，成本等级评价为{Ncost|RIR}；Ncost越大，则成本越高。该步骤所确定的最佳方案可为：
{(Ncost)min,(GR)min|RIR}。
在其他的应用中，根据工程需求，若防护网为临时防护措施，则优先考虑成本因素；若防护网为永久防护措施，则优先考虑风险因素。
综上，本实施例公开的危岩落石防护网设置方法，具有以下有益效果：
相比于空载的三维激光扫描，本发明基于无人机航摄进行图像采集，并基于采集图像重构危岩体边坡模型，大幅降低了成本且操作便利。在整个设置过程中，结合了现场试验数据和软件模拟，并能在多种被动防护网布设方案中基于落石拦截率、逃逸至防护对象附近的落石冲击能量、防护网成本和实际工程需要确定布设被动防护网的最佳方案；结果更具客观性与说服力，克服了传统防护网设置方法受人工影响因素较大的弊端。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种危岩落石防护网设置方法，其特征在于，包括：
S1、利用无人机对危岩体边坡进行航摄，根据航摄图像构建危岩体边坡的密集点云信息，生成危岩体边坡模型；
S2、利用所述危岩体边坡模型，圈定落石区域，估算落石体积，并结合现场试验获取运动特性参数，模拟无防护网情形下的落石轨迹，获取落石运动特征；
S3、根据落石运动特征制定被动防护网布设方案；
S4、对各所述被动防护网布设方案进行落石模拟，统计相应的落石拦截率RIR、逃逸至防护对象附近的落石冲击能量ERE和防护网成本Ncost；
S5、根据RIR、ERE和Ncost评估各所述被动防护网布设方案的风险等级与成本等级；
S6、根据实际工程需要和各所述被动防护网布设方案评价结果确定布设被动防护网的最佳方案。
2.根据权利要求1所述的危岩落石防护网设置方法，其特征在于，在航摄之前，根据卫星地图的地理信息预先对摄影范围进行规划、布设用于获取像控点信息的参照物、以及制定相应的无人机航摄方案；所述航摄方案包括：针对陡峭的危岩体边坡选择垂直网格型航线，针对陡缓结合危岩体边坡选择组合网格型航线；
所述根据航摄图像构建危岩体边坡的密集点云信息，生成危岩体边坡模型包括：
基于SFM生成稀疏三维点云，基于像控点信息对所生成的稀疏三维点云进行校正，再对校正后的稀疏三维点云基于MVS生成三维密集点云；然后对点云信息的进行去噪、封装，网格信息的简化与松弛，将三维密集点云信息转换为用于模拟分析的网格信息，生成危岩体边坡模型。
3.根据权利要求2所述的危岩落石防护网设置方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
S21、利用所述危岩体边坡模型信息，通过人工目视圈定危岩体边坡上的危岩体及相应发生落石的区域，并通过数字模型计算体积；利用聚类分析方法获取危岩体的结构面信息，进一步对落石区域进行划分；
S22、通过现场试验的方法，获取落石分析所需运动参数，包括法向恢复系数Rn、切向恢复系数Rt、滑动摩擦系数k、横向偏移比η；
S23、将步骤S21和步骤S22得到的相关信息输入三维落石模拟软件得到落石模拟的落石运动特征，所述落石运动特征包括弹跳高度、冲击能量和落石落点。
4.根据权利要求3所述的危岩落石防护网设置方法，其特征在于，步骤S4对应的计算方式包括：
Figure FDA0002772548040000021
Ncost＝K·NL·H
其中，NR表示防护网应拦截落石数量，NTR表示防护网成功拦截的落石数量，K为成本系数，NL为防护网长度，H为防护网高度。
5.根据权利要求4所述的危岩落石防护网设置方法，其特征在于，在满足落石拦截率的前提下，所述步骤S5中的风险等级评价具体为：
Figure FDA0002772548040000022
其中，GR确定风险等级，EO表示防护对象理论许可受冲击能量；GR越大，则风险等级越高，防护网性能越差。
6.根据权利要求5所述的危岩落石防护网设置方法，其特征在于，在满足落石拦截率的前提下，成本等级评价为{Ncost|RIR}；步骤S6所确定的最佳方案为：
{(Ncost)min,(GR)min|RIR}。
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