基于无人机摄影测量半自动统计岩体结构面产状的研究

岩体结构面产状是分析边坡稳定性的主要几何特征,传统测量岩体结构面产状的方法为罗盘人工测量,近年来,三维激光扫描仪测量结构面产状的方法也在快速发展并得到应用,但是这两种方法都存在其局限性,只能测量局部结构面产状,无法完成全方位无死角测量。相比前两种方法,无人机摄影测量岩体结构面产状的方法可以实现全方位测量,克服了前两种测量方法的缺点。基于三点法利用无人机摄影测量,人工统计了汉川采石场边坡的结构面产状,并划分了优势结构面产状,为分析边坡稳定性提供了依据。     

基于贴近摄影测量技术的高陡危岩体结构面调查方法

为解决传统危岩体结构面接触式调查手段风险高、效率低的问题,提出了一种基于无人机贴近摄影测量技术的结构面提取方法,并以某高位危岩体为例,开展了工程实例验证。首先利用多旋翼无人机对危岩体进行多角度贴近摄影,构建精细化的三维模型和三维点云;然后通过K近邻算法及PCA主成分分析完成优势结构面产状的半自动提取,最后结合三维模型中的岩体裂隙等特征,对危岩体稳定性进行快速评价。结果表明：该方法可获取符合工程精度要求的岩体点云数据,完成结构面产状的半自动提取,且倾向倾角的提取误差均在3°以内,能满足工程精度需求,为分析危岩体稳定性提供可靠的基础数据。     

基于无人机贴近摄影的高陡边坡结构面识别

岩体结构面的产状和位置信息是分析高陡边坡稳定性及确定支护形式的重要依据.为解决传统接触式勘测手段存在的风险高、效率低等问题,提出了基于无人机贴近摄影和聚类算法的高陡边坡结构面自动识别方法.首先采用M210-RTK无人机获取高分辨率数字图像,并利用运动恢复结构算法(Structure From Motion,SFM)生成细节丰富的高陡边坡三维模型和三维点云;再通过K近邻算法(K-Nearest Neighbor,Knn)及PCA主成分分析法,筛选出共面点云集合并确定了结构面的边界范围;最后采用最小二乘法拟合出共面点云的最佳平面方程,以平面方程的法向量方向确定结构面的产状参数.验证实验表明:基于无人机贴近摄影所建立的三维模型精度优于2 cm,倾向和倾角的误差分别小于3°和2°.本方法应用于长沙丁字镇某高陡边坡的结构面识别,成功识别出其优势结构面,并就其对边坡稳定性的影响进行了分析,可为边坡评价和治理提供重要依据.     

岩质边坡节理信息数字识别及三维模型重构——以石家庄市南障城镇边坡为例

在地质调查中,为了实现岩质边坡节理信息数字识别及三维模型重构,开发设计了基于倾斜摄影的裂隙岩体边坡三维模型重构软件。该软件通过小型无人机倾斜摄影采集数据,然后基于增量式运动结构恢复算法和深度图融合的多视点立体视觉算法（multi-view stereo,MVS）进行三维模型重构,最后利用随机抽样一致算法（random sample consensus,RANSAC）和区域生长法对得到的结果进行岩体结构面识别,得到结构面产状等节理信息。把软件得到的三维模型和节理信息结合FLAC3D有限元软件,运用强度折减法进行稳定性分析。结果表明：采用小型无人机采集的数据完整有效;三维重构出的模型可以很好的描述出实际岩质边坡;结构面识别得到的岩质边坡节理信息误差较小;基于岩体体积节理数和结构面条件因子量化地质强度指标（Geological Strength Index,GSI）的方法得到Hoek-Brown准则参数准确可靠。可见,利用小型无人机倾斜摄影结合开发设计的软件,可以快捷、高效和准确的实现岩质边坡节理信息数字识别及三维模型重构,对于实际工程具有一定的应用价值。     

基于摄影测量三维点云的岩体结构面自动识别方法

建立了一种用数字摄影测量得到的三维点云数据识别和分析岩石边坡出露的面状结构面的方法。该方法使用每一个点及其相应的邻近点构成的子集平面来形成识别结构面的候选,使用主成分分析(PCA)计算平面法向量并剔除异常点,识别结构面并计算其产状(倾向和倾角)。以甘肃北山一岩石边坡为例,使用该方法进行结构面识别。最后对结构面进行优势分组;同时与实测产状进行了对比,结果表明识别效果较好。     

露天矿高陡边坡岩体参数获取与稳定性评价方法研究

针对露天矿高陡边坡岩体参数难获取和稳定性易变化的问题,本文以攀枝花露天矿高陡边坡为研究对象,采用非接触式无人机摄影测量技术获取研究区域的三维模型,统计结构面的分布情况,结合室内岩石力学试验数据,采用国家BQ标准进行岩体质量分级,并给出边坡岩体强度力学参数建议值。在此基础上,通过有限单元法分析了矿区在开采条件下边坡的稳定性动态演化特征,并对开挖过程边坡的稳定性做出了评价。结果表明:随着矿区的开采,边坡在开挖面附近由于卸荷作用发生位移回弹,最大位移增量为33.2 mm;塑性区主要集中在断层和矿岩界面附近,以剪切屈服为主;边坡稳定性随着矿区的开采逐渐降低,直至达到临界稳定状态。采用锚索对边坡进行加固,并采用塑性区面积占比对加固前后的稳定性进行评价,评价系数α由加固前的0.4降低至加固后的0.05,证明了加固措施的有效性。本文相关研究可为露天矿高陡边坡岩体参数取值和稳定性评价提供参考。     

基于小型无人机的高位危岩快速调查与稳定性评价

危岩体多孕育于高陡岩质斜坡之上,具有明显的隐蔽性和突发性,其早期的快速识别与稳定性评价一直是地质灾害防治工作中重要的技术难题之一.以重庆万州狮子头为例,利用小型无人机合理规划航线获取高清影像,生成二三维模型.通过遥感信息提取技术与地质灾害分析相结合,为危岩体稳定性研究提供基础数据.运用图像识别技术识别危岩体结构面,并利用前期提取的坐标等基础数据计算出其产状.最后采用赤平投影的方法分析了典型危岩单体的稳定性.研究成果为高位危岩体的非接触式测量、精细地质信息获取及稳定性快速评价提供一种新的思路.     

基于HDBSCAN算法的岩体结构面产状识别及分组方法

精准获取岩体结构面的产状信息是进行岩体稳定性分析工作的首要和关键步骤.针对基本DBSCAN算法在处理点云数据时存在聚类判据不足、参数敏感性较强等问题,提出了基于点云附加属性扩展聚类判据的HDBSCAN算法,旨在提高算法聚类的准确性及鲁棒性.同时,基于点云的颜色及密度属性实现了对自然状态下非全裸露岩体研究区域的分割和提取,减少非岩体结构面点云对结构面产状识别和分组的影响.将该方法应用于大石洞灰岩矿某一典型覆土岩坡,结果表明:该方法能够有效地剔除非目标点云数据,同时结构面产状提取和优势分组结果令人满意.与人工测量结构面产状方法相比,最大相对误差小于0.59%,具有一定的工程实用价值.     

基于三维点云的岩体结构面自动分类与参数计算

结构面间距是岩体稳定性和力学特性分析中的一个重要参数，在岩石力学、采矿工程、边坡监测等领域的数值计算中广泛应用.本文以岩体边坡露头为研究对象，基于非接触测量获得的三维点云数据，提出一种基于密度聚类的结构面细化分类方法；在结构面粗略分组提取的基础上，通过投影变换、散乱点拟合等算法，求得结构面间距和岩体体积节理数.设计开发了结构面细化分类及间距等参数计算与分析原型系统，实际案例分析表明，本文方法可有效实现结构面的自动细化分类，并能够计算出间距等相关参数，可为岩体质量分级和岩体稳定性分析等提供方法支撑.     

广东某高速公路岩质边坡岩体结构面特征研究

目的研究清远—连州公路岩质边坡结构面特征及其组合关系对边坡稳定性的影响。方法采用普遍测网法实测该公路沿线边坡结构面,分析结构面的组合关系对边坡稳定性的影响;采用“赤平投影结构数据分析软件包”对结构面的参数进行统计分析;采用结构面二维网络模拟程序进行模拟。结果得到结构面产状和边坡坡面产状关系的统计图和二维网络模拟图。结论清连公路结构面组合关系对边坡稳定性影响显著,结构面参数研究对边坡稳定性评价意义重大。     

基于钻孔摄影方法的岩体中结构面连通性分析

将钻孔摄影方法推广到多孔结构面连通中，从结构面产状、地质特征等角度提出了连通性判别依据，并运用龙江特大桥桥基摄像勘察结果检验了该方法的可行性.其中，选择了位于大桥一侧的3个钻孔，在对孔内的结构面地质特征、产状等参数进行分析和计算的基础上，根据结构面连通原理进行对比和筛查，共得到3组2孔连通结构面和2组3孔连通结构面.结果表明，所有可连通结构面产状相似、空间位置满足共面的要求，并且组成结构面的岩体及周围环境岩体特征相似.将基于钻孔摄影技术的结构面连通方法用于该工程中可行.
     

随机结构面切割岩质边坡空间块体模型及关键块体分析

在现场结构面非接触摄影技术采集的基础上,提出基于虚拟网格的、采用随机结构面切割岩体的方法,建立了岩质边坡空间块体模型.并将该模型接入作者团队自主开发研制的三维数值分析系统GeoSMA-3D,进行岩质边坡关键块体搜索和分析.算例表明:该模型具有可以动态添加结构面、易于建立复杂岩体边坡几何模型等优点,并对辽宁某边坡进行了关键块体分析.     

基于GSI系统的边坡卸荷岩体强度参数确定

地质强度指标(geology stresgth index,GSI)系统和Hoek-Brown破坏准则能反映岩体所处的地质环境,估算出节理化岩体的强度参数。然而,对于具有卸荷特征的岩质边坡,以往GSI的取值缺少对卸荷裂隙与坡面间空间关系的考虑。借鉴边坡岩体质量评价系数(CSMR)系统中对边坡破坏方式和结构面产状的修正方法,以西南某水电站坝肩边坡为例,提出基于GSI系统的边坡卸荷岩体强度参数。     

含软弱结构面岩质边坡时效稳定性影响因素的数值模拟分析

基于对岩石材料的力学性质随时间不断衰减、内部细观结构产生损伤并不断积累的认识,引入材料强度退化模型,并在有限元程序中予以实现,从结构面产状、边坡高度及坡角、岩体强度衰减特征等几个方面着手,对边坡的长期时效变形、损伤萌生与演化模式以及影响含软弱结构面岩质边坡的各种因素进行了数值模拟研究。结果表明:结构面的连通率越大,边坡高度及坡角越大,基岩及结构面的长期强度越高,则边坡的时效稳定性越好;降低边坡高度能够显著减小坡顶最大水平位移;结构面倾角对边坡的破坏模式具有重要的影响。     

节理裂隙岩体的离散元计算方法

岩体通常被弱面所切割、分离，岩体结构的稳定性与弱面性质密切相关，离散元方法是对岩体进行形变分析计算的方法之一。作者介绍了该方法的基本计算步骤并以预应力锚杆为例进行了应力、应变计算推导，为边坡加固、围岩支护提供了一种可靠的计算方法。     

基于广义各向异性强度模型的层理边坡稳定性分析

以穆利亚希露天矿为工程背景,根据现场节理及结构面测绘结果,在广义各向异性强度模型的基础上建立了边坡极限平衡分析模型。分析过程中,使用圆弧和折线两种方式搜索边坡潜在滑动面,采用简化Bishop等多种方法求解边坡安全系数来评价边坡稳定性。在此基础上,考虑节理岩体强度参数的不确定性和变异性,进一步采用概率分析方法从破坏概率角度评价了边坡的稳定性状态。选取安全系数判定值为1.0时,圆弧和折线下边坡破坏概率分别为30.4%和60.7%,边坡破坏概率较大。最后通过对比分析可知,在评价层理面控制的边坡稳定性时,采用各向异性强度模型计算得到的边坡安全系数更加合理、可靠。     

复杂岩体边坡关键块体搜索及开挖支护

采用非接触摄影测量技术采集某高速公路工程边坡岩体的结构面信息,导入自行开发的GeoSMA-3D系统,建立该边坡三维数值模型,从几何学角度搜索出其关键块体.用三维离散元数值计算软件3DEC模拟该边坡工程的开挖过程以及锚索支护后的开挖过程.结果表明,本岩质边坡工程开挖后,引起岩体内部应力重分布,坡体有大范围的剪切塑性区,位移矢量、速度矢量大量集中在开挖面附近的节理上,矢量的方向偏向于临空面,并呈现逐渐增加趋势,整体稳定性较差,若不对边坡采取适当支护措施,必将发生边坡整体失稳破坏;在锚索支护后,边坡的潜在滑移面被控制,边坡整体处于稳定状态.     

无人机摄影测量边坡结构面及块体稳定分析

为提高边坡结构面信息获取过程的安全性及测量结果的准确性,采用无人机多角度摄影测量获取结构面信息,得边坡结构面坐标以及出露迹线长.利用动态控制的相容Delaunay三角剖分对模型进行三角网格化,结合块体生成规则对边坡临空面出露块体进行稳定性分析,识别坡面出露关键块体,并利用GeoSMA-3D系统验证方法的可行性及精度.研究结果表明:点云切割最大关键块体为38.5748m³,GeoSMA-3D切割最大关键块体为38.5617m³,位置均在坡体中央位置,拟合效果良好.对于不规则碎裂岩质边坡,三维点云切割可以更好地表征边坡的块体位置,对于指导关键块体治理具有一定优势.     

青麦地大型石灰岩露天矿高陡边坡结构面特征及其对边坡稳定性的影响

针对青麦地大型石灰岩露天矿高陡边坡的稳定性问题，通过现场调查统计分析，主要是由层理优势结构面所控制。利用赤平极射投影图分析层理优势结构面对边坡稳定性的影响程度，依据分析结果，适当加大了该露天矿安全平台和清扫平台的宽度尺寸，并将该层理结构面考虑到岩体稳定性计算分析模型中。根据赤平极射投影和稳定性计算结果表明：通过合理布置采场边坡结构参数，层理结构面对边坡的稳定性影响很小，边坡处于稳定状态，为现场开采设置边坡结构参数提了施工指导依据。     

顺层岩质边坡变形破坏特征及稳定性数值模拟

针对顺层岩质边坡岩层结构面倾角θ和边坡角α两个参数,采用离散单元法研究了不同工况下总计270个边坡模型的变形破坏特征,统计得到不同变形破坏模式对应的岩层结构面倾角θ与边坡角α的范围,并基于强度折减法研究了两个参数与边坡稳定性的关系,揭示了顺层岩质边坡变形破坏机制及稳定性特征. 研究结果表明:依据边坡变形破坏特征,提出了四种顺层岩质边坡变形破坏模式,即坡脚沿岩层结构面的滑移-剪切破坏,坡顶沿岩层结构面的滑动-剪切破坏,岩层下缘弯曲-剪切破坏,以及岩层上缘翻折-拉裂破坏. 在此基础上,分析并归纳了这四种模式的产状、变形特征以及可能的破坏模式等一般规律. 边坡安全系数fs随结构面倾角θ的增大先减小后增大,在减小过程中达到最小值后迅速上升,然后变缓回落.边坡安全系数fs随结构面倾角θ变化过程中,当θ约等于α-7. 3°时,fs取得最小值,此时对应的边坡稳定性最差.