基于无人机贴近测量的露天矿岩质边坡结构面自动识别_李翠.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-04-12基金项目 金属矿山安全与健康国家重点实验室开放课题(编号:2020-JSKSSYS-06);中南大学研究生自主探索创新项目(编号:2020zzts713)。作者简介 李 翠(1995),女,助理工程师,硕士。通信作者 李杰林(1982),男,副教授,博士,硕士研究生导师。基于无人机贴近测量的露天矿岩质边坡结构面自动识别李 翠1 李杰林2,3 张良兵1 杨承业2 徐继业1 周科平2(1.攀钢集团矿业有限公司,四川 攀枝花 617000;2.中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083;3.金属矿山安全与健康国家重点实验室,安徽 马鞍山 243000)摘 要 获取岩质边坡结构面特征是露天矿山开展边坡稳定性分析的关键工作,传统的工程调查手段容易受到边坡地形限制,存在作业风险高、效率低等问题。为高效、安全地获取露天矿岩质边坡的精确结构面特征,利用无人机倾斜测量与贴近摄影测量技术开展了露天岩质边坡测量工作,构建了边坡的精细三维点云模型。通过进行边坡点云数据滤波、特征值获取以及基于区域生长法的平面分割分析,实现了基于点云数据结构面参数的识别与提取,形成了一种基于无人机获取岩质边坡结构面的自动、高精度测量方法,并在攀枝花铁矿尖山矿区北部边坡开展了工程实例验证。研究表明:基于无人机测量获取符合工程精度要求的边坡三维点云数据,采用结构面自动识别方法可快速地从边坡点云数据中获取岩体结构面信息,为边坡稳定性分析与评价提供了基础数据。关键词 露天矿山 岩质边坡 无人机测量 点云数据 结构面 中图分类号TD325,P237 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-146-08DOI 10.19614/ki.jsks.202302020Automatic Identification of Discontinuities of Open-pit Rock Slope Based on UAV Nap-of-the-object PhotographyLI Cui1 LI Jielin2,3 ZHANG Liangbing1 YANG Chengye2 XU Jiye1 ZHOU Keping2(1.Panzhihua Iron and Steel Group Mining Co.,Ltd.,Panzhihua 617000,China;2.School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;3.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines,Maanshan 243000,China)Abstract Obtaining the discontinuity characteristics of rock slope is the key work for slope stability of open-pit.Tradi-tional methods of geotechnical investigation with high risk and low efficiency which were easy to limited by the slope location.In order to obtain the accurate discontinuities characteristics of the open-pit rock slope efficiently and safely.Firstly,the UAV oblique photogrammetry and Nap-of-the-object photography were used to carry out the accurate measurement of the open-pit rock slope to construct the three-dimensional(3D)point cloud model of the rock slope.Then,based on the slope point cloud data,the filtering and the acquisition of eigenvalues were carried out respectively,and the plane segmentation research based on the region growing method was used to automatic identification of discontinuities.Finally,an automatic and high-precision sur-vey method based on UAV to obtain the discontinuities of rock slope was developed,and an engineering example was carried out in the north slope of Jianshan mining area of Panzhihua Iron Mine.The results show that the 3D point cloud data of slope conforming to the engineering accuracy requirements can be obtained based on the UAV measurement,and the rock mass struc-tural plane information can be quickly obtained from the slope point cloud data by using the automatic identification method of structural plane,which provides the basic data for slope stability analysis and evaluation.Keywords open-pit mine,rock slope,UAV measurement,point cloud data,rock mass discontinuities 结构面是岩体中强度较低的不连续面,是控制岩质边坡稳定性的重要因素,岩质边坡的变形和破坏通常都是受控于岩体介质特性并沿着岩体结构面发生的。在矿岩地质条件、开采扰动、外部风化条件等影641响下,结构面力学性能弱化,导致岩质边坡发生滑坡、岩石块体滑落等灾害1-3。因此,精确获取岩质边坡的地形地貌及其岩体结构面参数是开展边坡稳定性分析与评价的基础4-5。目前,针对露天矿山边坡地形测量及岩体结构面调查手段趋向于远程化与智能化,传统的人工接触式测量工作效率低,且受限于复杂地形限制,已逐渐被三维激光扫描、摄影测量等非接触式地质调查技术取代6-8。针对高陡边坡地势复杂险峻的特点,国内外许多学者利用无人机设备搭载激光扫描仪或摄像设备对边坡进行了测绘与分析,陈昌富等9利用无人机贴近摄影获取了边坡的岩体结构特征;JIA 等10利用无人机对露天高陡边坡进行了摄影测量,并利用数值分析方法获取了边坡岩体的稳定性;KONG 等11基于无人机摄影测量结合结构运动(SfM)技术,研究了高分辨率边坡数字模型生成方法;LIU 等12提出了一种将 3D-DDA 与无人机摄影测量相结合的集成系统,用于块状岩体边坡的稳定性评价。基于无人机测量技术的优势在于不受岩质边坡的险要地形限制,可以充分获取研究区域的图像、结构及纹理特征,结合空中三角测量技术12-13可实现不同角度、不同方位的摄像信息的逆向建模,从而获取测量边坡区域的精细三维模型。基于无人机测量所获取的边坡三维模型与点云数据,可以实现边坡岩体结构的三维数字化还原。随着计算机技术的发展,基于岩体结构数字模型开展室内岩体工程地质调查已成为主流的研究手段14-17,相比于现场实地测量,可使得测量人员拥有更优良的工作环境、更清晰的观测条件,从而获取数据量更大且更精确的岩体结构面数据。同时现有的计算机算法可辅助测量人员开展工程地质调查,进一步增强了作业的速度与可靠性。因此,基于无人机测量数据的结构面信息提取是建立从无人机边坡测量到数字化建模,最后实现岩体结构数字化分析的关键。为此,本研究基于无人机倾斜摄影测量与贴近摄影测量技术,进行露天岩质边坡测量,获取边坡点云模型,并开展基于点云数据的边坡岩体结构面识别研究,形成了一种基于无人机测量高精度点云数据的岩质边坡结构面自动识别方法,最后将该方法应用于攀枝花铁矿尖山矿区北部边坡。1 无人机系统与边坡精确测量方法原理1.1 无人机测量系统基于无人机精确测量是开展露天矿岩质边坡结构面识别的前提,本研究采用了大疆精灵 Phantom 4RTK 无人机开展了高精度的边坡摄影测量,如图 1所示。图 1 无人机飞控系统Fig.1 UAV flight control system精灵 Phantom 4RTK 是一款小型多旋翼高精度航测无人机,具备 RKT 厘米级导航定位系统和高性能成像系统,通过控制器可预设、调节机身的姿态、飞行轨迹、飞行速度以及摄像头的角度、拍摄频率,从而获取不同角度、不同分辨率的摄影图像。通过显示器可实时获取摄像头的回传影像以及飞机的飞行参数,从而控制无人机完成飞行测量作业。该无人机系统具有精度高、灵活、轻便以及测量速度快等特点,适用于小范围的岩质边坡精确测量。1.2 岩质边坡无人机测量及建模方法岩质边坡无人机测量及建模包括粗略建模与精细建模两个部分,粗略建模即利用无人机对研究区域的总体形貌特征进行还原,获取研究区的总体模型架构。精细建模则是在总体模型架构的基础上,通过特征匹配技术对模型细节进行补充建模,从而获取测量对象更精确的纹理结构特征。本研究通过 DJI Terra软件实现基于无人机岩质边坡的粗、细建模,该款软件基于空中三角测量技术对粗、细建模的摄影图像数据进行耦合,实现更精细化的模型纹理及结构展现13。基于上述方法,本研究对无人机精确测量及建模的具体流程进行如下分析。1.2.1 粗略建模利用精灵 Phantom 4RTK 无人机的倾斜摄影测量数据开展岩质边坡的粗略建模。首先,根据测量区域的工程资料,通过现场勘察确定区内地形及周边构筑物特征,开展无人机倾斜摄影的航线规划,设置无人机的飞行测量参数。飞行测量参数主要包括无人机的飞行高度、相机倾斜角度、图像重叠率等,精灵Phantom 4RTK 无人机即可根据航线及设置参数自动在边坡上方保持一定的高度开展倾斜摄影测量,如图2 所示。粗建模的主要目的是获取测量边坡区域的地形形貌特征,得到区域整体模型,进而得到边坡区域的模型架构18。1.2.2 精细建模根据图 2 可以看出,对于有高低起伏的边坡,无人机在倾斜摄影的固定航线上与边坡表面的相对高741 李 翠等:基于无人机贴近测量的露天矿岩质边坡结构面自动识别 2023 年第 2 期图 2 无人机倾斜摄影测量示意Fig.2 Schematic of UAV oblique photogrammetry度会不断变化,所获取的影像分辨率同样存在差异,因此无人机倾斜摄影只能获取边坡的整体形貌,无法获取边坡复杂地形的高分辨率、精度均匀形态,对于结构面参数识别研究,需要高精度的边坡模型数据作为支撑。利用无人机贴近摄影测量技术19进行无人机精细建模,如图 3 所示。无人机贴近摄影测量的具体操作步骤为:利用无人机对边坡表面进行近距离拍摄(550 m),同时保证无人机在竖直方向上的移动角度与边坡角