一种铁路沿线危岩落石的快速定位及三维重建方法与流程

本发明涉及低空摄影测量和铁路工程地质勘察领域，特别是涉及一种铁路沿线危岩落石的快速定位及三维重建方法。
背景技术：
：铁路沿线的危岩落石是影响山区铁路勘察设计、建设施工及运营维护的重要地质灾害之一，其造成的危害程度丝毫不亚于滑坡和泥石流。危岩落石已成为威胁铁路安全的一个重要因素，因此山区铁路沿线危岩落石的勘察工作也成为工程地质勘察的重要内容之一。传统的危岩落石方法主要以人工勘察为主，辅助以罗盘、皮尺等工具，该方法外业工作量大、工作效率低，并且存在很大的安全隐患；另外，危岩落石多发生在高陡边坡或陡崖地段，传统的勘察手段受到现场地形地势条件的限制，难以获得准确的目标危岩体的物理信息，很难满足危岩落石精细化勘察的需求。近几年，出现了基于三维激光扫描技术的危岩落石勘察方法，但是仍然受到架站和标靶布设不方便的制约，困难区域难以获得高密度激光点云，并且缺乏精细的纹理信息，存在后期点云分类和滤波困难的问题，难以进行三维重建和精细参数量测。技术实现要素：本发明的目的是提供一种劳动强度低、效率和精度较高的铁路沿线危岩落石的快速定位及三维重建方法。为此，本发明的技术方案如下：一种铁路沿线危岩落石的快速定位及三维重建方法，包括以下步骤：s1，获取铁路沿线数字正射影像和数字高程模型数据：根据铁路设计线位资料或者既有台账资料制作线路三维中线，基于三维中线制作缓冲区，获取该区域的数字正射影像和数字高程模型数据；s2，三维可视化场景搭建：利用步骤s1获取的数字正射影像和数字高程模型数据制作三维可视化场景；s3，根据所述三维可视化场景进行危岩落石风险区粗判释：将步骤s1制作的所述铁路三维中线与步骤s2得到的三维可视化场景进行集成，通过对铁路全线进行虚拟踏勘，粗略划分出危岩落石的可疑风险区域；s4，外业实地针对性踏勘：基于步骤s3划分的可疑风险区域进行有针对性的实地踏勘；s5，重要工点分析及危岩落石风险区精判释：基于步骤s3的虚拟踏勘和步骤s4实地踏勘的结果进行分析，在三维可视化场景中确定需要进行稳定性评价和防护的危岩落石具体范围；s6，无人机精细化倾斜摄影：根据步骤s5中划定的危岩落石具体范围的地形地势情况，进行精细化低空摄影，获取高分辨率、高重叠度数码影像和高精度pos数据；s7，危岩落石实景三维模型重建：基于步骤s6中获取的高分辨影像和高精度pos数据，利用倾斜摄影测量数据处理系统进行实景三维模型重建。其中，步骤s3进行危岩落石风险区粗判释包括以下步骤：s3-1，三维场景及矢量三维中线集成；将步骤s1制作的铁路三维中线与步骤s2得到的三维可视化场景进行集成，对矢量三维中线的线型、颜色及注记进行参数设置，以清晰展示铁路在三维可视化场景中的走向、空间位置和里程段落；s3-2，基于步骤s3-1的成果进行室内辅助工程地质勘察：技术人员在三维可视化场景中沿线位从小里程至大里程进行遍历，通过目视解译的方法对铁路沿线全线进行虚拟踏勘和危岩体的地质解译，首先沿线位进行岩石露头区域的盘对和标注；然后，对露头区域进行进一步的分类，根据露头的空间位置，将露头分为线位上方和线位下方两个类别，将线位上方的露头作为关注目标，将坡向与线位走向接近垂直的目标作为危岩落石风险区域。步骤s5进行重要工点分析及危岩落石风险区精判释包括以下步骤：s5-1，根据步骤s3的内业虚拟踏勘和步骤s4实地针对性详勘的结果进行分析，分析因子包括：风险区域的坡度、岩性、是否存在节理以及岩石的倾斜和坡向与线位的夹角，根据各个因子的权重划分危险等级，对危岩落石区域的风险等级进行分级和编号。s5-2，对步骤s5-1中确定的分级、编号区域进行范围细化，结合步骤s4中获取的外业踏勘照片，在三维可视化场景中的圈画出具体需要进行实景三维重建的危岩落石体范围。优选的是，步骤s6中，所述倾斜摄影采用多旋翼无人机搭载五镜头倾斜相机进行，相机单镜头像素数不低于3600万，并配备轻型高精度pos定位定姿系统。步骤s6进行精细化倾斜摄影的步骤如下：(1)获取风险区域的高精度dsm数据，可以采用如下方式：1)收集该区域既有的激光雷达点云数据；2)采用常规方式对该区域进行无人机低空摄影测量，利用影像密集匹配获得dsm数据；(2)首先定义相机编号，所述五镜头倾斜相机的五个镜头分别朝向五个不同的角度，根据飞行方向，定义五个镜头的编号分别为p前、p后、p下、p左和p右；然后根据危岩落石实景三维建模的效果及后续参数量测的要求，确定实景三维建模的设计地面分辨率；最后计算相对航高，根据相机角度、相机参数和设计地面分辨率计算相对坡面高度h，再结合dsm中得到的风险区坡度计算出无人机航飞相对航高h，完成第一条航线的敷设；(3)第一条航线敷设完成后，根据基于步骤(1)中得到的dsm数据，根据风险区域的地势走向、坡度和坡高以及步骤(2)中计算的相对航高h和每个相机镜头的朝向角度计算每个相机的拍摄覆盖范围，分别编号为s前、s后、s下、s左和s右，分别与(2)中的相机编号相对应；依据s左的覆盖范围和设计旁向重叠度计算航线水平间隔和垂直高差，完成第二条航线的敷设；以此类推完成剩余航线的敷设；(4)按照敷设航线进行精细化倾斜航空摄影，获得高分辨率影像和高精度差分pos数据；(5)对于存在凹陷、凸出、褶皱或者弱纹理区域，采用手控无人机悬停定点拍摄的方式进行补拍，获得该区域的高分辨率影像和高精度差分pos数据。优选的是，步骤s4所述实地踏勘采用手持相机或者轻小型无人机对重点区域进行全景影像拍摄的方式进行。步骤s1获取铁路沿线数字正射影像和数字高程模型数据包括以下步骤：s1-1，铁路三维中线制作：根据铁路设计线位资料或者既有台账资料制作线路三维中线文件，三维中线用离散坐标点表示，直线段小于50米一个点，曲线段小于20米一个点，记录每个中线离散点的平面坐标和高程值；s1-2，铁路线位缓冲区制作：根据铁路线位走向，基于步骤s1-1得到的铁路三维中线，按线位左右两侧各500米范围制作缓冲区；s1-3，获取缓冲区内的数字正射影像，包括铁路勘察设计阶段获取的数码航空影像、spot-5影像及/或国产高分卫星影像；s1-4，获取缓冲区内的数字高程模型数据，包括铁路勘察设计阶段获取的机载激光雷达点云制作的数字高程模型、基于1:10000或1:2000地形图制作数字高程模型、srtm数据及/或astergdem数据。本发明具有以下有益效果：(1)本发明采用了三维可视化场景辅助踏勘及高精度倾斜摄影测量的方式，解决了传统的铁路沿线危岩落石勘察手段受到现场地形地势条件限制的难题，能够远距离、准确、快速地获取山区目标危岩体的定位和物理信息，有很强的实际应用价值和广阔的应用前景；(2)本发明基于多旋翼无人机搭载五镜头倾斜相机进行精细化低空倾斜摄影测量，能够快速完成危岩落石高风险区的三维实景模型构建，倾斜模型纹理信息量丰富，便于判别和参数量测；(3)本发明采用无接触的低空遥感手段，技术先进，劳动强度低，大幅减少了危岩落石外业勘察的工作量，提升了作业效率和安全性，并为后续危岩落石的治理提供了科学依据。附图说明图1是本发明快速定位及三维重建方法的流程图；图2是本发明的五镜头倾斜相机中五个镜头的编号示意图；图3是本发明的五镜头倾斜相机的航线敷设示意图。具体实施方式如图1所示，本发明的铁路沿线危岩落石的快速定位及三维重建方法包括：s1：获取铁路沿线数字正射影像和数字高程模型数据；s2：三维可视化场景搭建；s3：根据三维场景进行危岩落石高风险区粗判释；s4：外业实地针对性踏勘；s5：重要工点分析及危岩落石高风险区精判释；s6：无人机精细化倾斜摄影；s7：危岩落石实景三维模型重建。具体实施步骤如下：s1，获取铁路沿线数字正射影像和数字高程模型数据：s1-1，铁路三维中线制作：根据铁路设计线位资料或者既有台账资料制作线路三维中线文件，三维中线用离散坐标点表示，直线段小于50米一个点，曲线段小于20米一个点，记录每个中线离散点的平面坐标和高程值；s1-2，铁路线位缓冲区制作：根据铁路线位走向，基于步骤s1-1得到的铁路三维中线按线位左右两侧各500米范围制作缓冲区；s1-3，获取缓冲区内的数字正射影像，如铁路勘察设计阶段获取的数码航空影像、spot-5影像及/或国产高分卫星影像；s1-4，获取缓冲区内的数字高程模型数据，如铁路勘察设计阶段获取的机载激光雷达点云制作的数字高程模型、基于1:10000或1:2000地形图制作数字高程模型、srtm数据及/或astergdem数据。s2，三维可视化场景搭建：利用步骤s1中获取的数字正射影像和数字高程模型数据搭建三维可视化场景；s3，根据所述三维可视化场景进行危岩落石风险区粗判释：s3-1，三维场景及矢量三维中线集成；将步骤s1制作的铁路三维中线与步骤s2得到的三维可视化场景进行集成，对矢量三维中线的线型、颜色及注记进行参数设置，能够清晰展示铁路在三维可视化场景中的走向、空间位置和里程段落等；s3-2，基于步骤s3-1的成果进行室内辅助工程地质勘察：技术人员在三维可视化场景中沿线位从小里程至大里程进行遍历，通过目视解译的方法对铁路沿线全线进行虚拟踏勘和危岩体的地质解译。首先沿线位进行岩石露头区域的盘对和标注；接下来，对露头区域进行进一步的分类，根据露头的空间位置，将露头分为线位上方和线位下方两个类别。将线位上方的露头作为关注目标(下方的露头对线位不构成威胁，因此不再关注)。坡向与线位走向接近垂直的目标作为危岩落石风险区域。s4，外业实地针对性踏勘：基于步骤s3中圈画出可疑的危岩落石风险区域进行针对性实地踏勘，实地踏勘可以采用如下方式：(1)风险等级低并且外业勘察人员容易到达的区域，可以采用现场目视判别或者手持相机拍照的方式；(2)风险等级高或者外业勘察人员不容易到达的区域，可以采用轻小型无人机现场拍摄全景影像的方式，该方式具有操作简单、影像覆盖范围广和分辨率高的特点，可以在保证作业人员安全的前提下，及时、准确和快速地获得现场第一手资料。具体的资料包括：风险区域的岩性、是否存在节理、产状和其所处位置的坡度、坡向。s5，重要工点分析及危岩落石风险区精判释：s5-1，根据步骤s3的内业虚拟踏勘和步骤s4实地针对性详勘的结果进行分析。具体分析包括以下因子：风险区域的坡度、岩性、是否存在节理以及岩石的倾斜、坡向是否与线位接近垂直。对于那些岩性为砂岩、砾岩、片麻岩等易产生节理和崩塌的岩石，其倾向和所处位置的坡向与线位的夹角接近垂直的为高风险区域。具体的各个因子的权重和等级划分如表1所示：表1其危险等级的得分为：dn＝a*0.3+b*0.3+c*0.2+d*0.1+e*0.1。根据危险等级的得分进行分级，分级的标准如表2所示：表2dn危险等级0-25四25-50三50-75二75-100一根据表1、表2对危岩落石区域的风险等级进行分级、编号。s5-2，对步骤s5-1中确定的分级、编号区域进行范围细化，结合步骤s4中获取的外业踏勘照片，在三维可视化场景中的圈画出具体需要进行实景三维重建的危岩落石体范围，以尽量减少后续倾斜摄影及实景三维重建工作量。s6，无人机精细化倾斜摄影：根据步骤s5中划定的危岩落石风险区范围，按分级编号分别进行无人机精细化倾斜摄影。倾斜摄影设备采用多旋翼无人机搭载五镜头倾斜相机(单镜头像素数不低于3600万)，配备轻型高精度pos(惯性导航系统)定位定姿系统。精细化倾斜摄影的具体步骤如下：(1)获取风险区域的高精度dsm(数字表面模型)数据，可以采用如下方式：1)收集该区域既有的激光雷达点云数据；2)采用常规方式对该区域进行无人机低空摄影测量，利用影像密集匹配获得dsm数据。(2)首先定义相机编号，倾斜相机的五个镜头分别朝向五个不同的角度，根据飞行方向，定义五个镜头的编号分别为p前、p后、p下、p左和p右，如图2所示。然后根据危岩落石实景三维建模的效果及后续参数量测的要求，确定实景三维建模的设计地面分辨率(gsd)；最后计算相对航高，由于沿飞行方向p左镜头是正朝向坡面拍摄的，因此该镜头的利用率是最高的，根据相机角度、相机参数和设计地面分辨率计算相对坡面高度h，再结合dsm中得到风险区坡度计算出无人机航飞相对航高h，如图3所示。按以上规则完成第一条航线的敷设。(3)第一条航线敷设完成后，根据基于步骤(1)中得到dsm数据，根据风险区域的地势走向、坡度和坡高以及步骤(2)中计算的相对航高h和每个相机镜头的朝向角度，计算每个相机的拍摄覆盖范围，分别编号为s前、s后、s下、s左和s右，分别与(2)中的相机编号相对应；依据s左的覆盖范围和设计旁向重叠度计算航线水平间隔和垂直高差，从而完成第二条航线的敷设；以此类推完成剩余航线的敷设。(4)按照敷设航线进行精细化倾斜航空摄影，获得高分辨率影像和高精度差分pos数据。(5)对于存在凹陷、凸出、褶皱或者弱纹理区域，采用手控无人机悬停定点拍摄的方式进行补拍，获得该区域的高分辨率影像和高精度差分pos数据。s7，危岩落石实景三维模型重建：首先，对步骤s6中获取的高分辨率影像和高精度pos数据进行数据整理，将没有用处或者拍摄范围在测区外的影像挑出去，只留下有用数据；然后利用倾斜摄影测量数据处理系统对有用数据进行实景三维模型重建；最后利用实景三维模型修饰软件对坡面模型进行修饰，从而获得利于判别和量测的危岩落石精细三维实景模型。当前第1页12