本發(fā)明屬于崩塌、落石防治工程技術領域，具體涉及一種傾斜攝影測量預測滾石運動軌跡模擬系統(tǒng)及其預測方法。

背景技術：

在諸多工程地質災害事故中，滾石災害僅次于滑坡、泥石流，位列第三位。滾石是指物源區(qū)的石塊由于受到某種擾動，由靜止開始，通過下滑、碰撞彈跳、滾動等運動方式到達坡底，最后在平緩的地帶靜止下來的動力學過程。當滾石的運動范圍內有人類活動或者人類構筑的設施并引起一定的損失時，就會造成滾石災害。如2016年8月5日清晨，北京市房山區(qū)霞云嶺鄉(xiāng)莊戶臺村發(fā)生山體崩塌災害，將近1萬立方米的土石從山體上崩落，掩埋了7間房屋，另有10間房屋受損。因此對于邊坡上部物源區(qū)滾石較為豐富的地區(qū)要進行合理繞避或者建立恰當?shù)臐L石撞擊防護構造來防止?jié)L石對周圍道路和建筑的損害。因此需要對滾石的運動軌跡和距離進行研究。

目前，關于邊坡滾石運動問題的研究分析方法主要可以歸納為兩類，即以實驗研究即以試驗研究為主的經驗方法和以理論推導為主的方法。試驗研究的數(shù)據(jù)具有準確、客觀、綜合的特點,但是試驗研究的數(shù)據(jù)缺乏系統(tǒng)性,并且具有區(qū)域局限性強的特點,這使得試驗方法的結果不具備廣泛的工程意義。理論推導的方法主要是以運動學和動力學理論為基礎,建立合理的數(shù)學計算模型。但是想要獲取確定的滾石運動參數(shù)并非易事，野外數(shù)據(jù)較難獲得，因此如何在野外獲取相對正確的滾石運動參數(shù)顯得十分重要，這也是崩塌、落石防治工程設計的基礎。

技術實現(xiàn)要素：

針對目前采集野外滾石運動參數(shù)較為困難的問題，本發(fā)明提供一種利用傾斜攝影測量預測滾石運動軌跡模擬系統(tǒng)及其預測方法，其利用傾斜攝影測量技術獲取滾石運動參數(shù)并進行數(shù)學建模計算，以此來推測滾石的運動軌跡和距離，從而可以制定合理繞避方式或者建立恰當?shù)臐L石撞擊防護構造。

本發(fā)明所采用的技術方案為：

一種傾斜攝影測量預測滾石運動軌跡模擬系統(tǒng)，包括無人機飛行平臺，所述無人機飛行平臺上安裝有用于高空拍攝的五拼相機系統(tǒng)，所述五拼相機系統(tǒng)通過無線傳輸裝置與外部的計算機系統(tǒng)進行通信連接，所述計算機系統(tǒng)內安裝有3d建模軟件、巖土工程專家的工程數(shù)據(jù)庫軟件和cofrac滾石分析軟件，所述計算機系統(tǒng)通過無線傳輸裝置與綜合推理機進行通信連接。

作為優(yōu)選，所述五拼相機系統(tǒng)上安裝有若干個高清鏡頭，所述高清鏡頭所對應的安裝位置分別為垂直向下、向前、向后、向左和向右。

作為優(yōu)選，所述高清鏡頭的影像地面分辨率為6cm，成圖比例為1:2000，正射航向重疊率為70％，旁向重疊率為60％，平面和高程中誤差控制在0.10m內。

本發(fā)明實施例還提供一種基于傾斜攝影測量預測滾石運動軌跡模擬系統(tǒng)的預測方法，包括以下分析步驟：

(1)通過無人機飛行平臺上的五拼相機系統(tǒng)對邊坡滾石區(qū)域進行低空傾斜攝影測量，獲取傾斜影像數(shù)據(jù)；

(2)將傾斜攝影得到的傾斜影像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)，并對傾斜影像數(shù)據(jù)進行圖像數(shù)據(jù)預處理；

(3)采用3d建模軟件進行對處理后的圖像數(shù)據(jù)進行實景三維建模，利用大規(guī)模采集的點云數(shù)據(jù)自動獲得紋理形成真實三維圖形；

(4)由三維建模形成的真實三維圖形的結果搜索工程數(shù)據(jù)庫，通過綜合推理機分析得到影響邊坡滾石運動軌跡和能量轉化的相關參數(shù)；

(5)通過運用cofrac滾石分析軟件，將得到的影響邊坡滾石運動軌跡和能量轉化的相關參數(shù)進行數(shù)值模擬，分析滾石滾落過程的能量損失與巖帶潛在的運動軌跡，得到滾石在具體數(shù)值距離的沖擊力大小。

作為優(yōu)選，采用3d建模軟件進行實景三維建模的過程中包括對點坐標、高度、距離、面積、角度、坡度的量測。

作為優(yōu)選，影響邊坡滾石運動軌跡和能量轉化的相關參數(shù)包括邊坡坡面還原系數(shù)、坡面摩擦角、坡面粗糙度、滾石自轉的角速度和滾落狀態(tài)。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明通過傾斜攝影測量預測滾石運動軌跡模擬系統(tǒng)，來獲取邊坡滾石區(qū)域內滾石的相對正確的滾石運動參數(shù)，根據(jù)獲取的滾石運動參數(shù)，以運動學和動力學理論為基礎,建立合理的數(shù)學計算模型分析邊坡滾石潛在的運動軌跡，并得到如沖擊力等相關的結論，為治理滾石提供科學依據(jù)，并有針對性的提出對滾石的防治措施，從而為周圍公路的運營和附近居民的居住提供了可靠的安全保障。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明地面多角度航空拍攝方向示意圖；

圖2是本發(fā)明的邊坡滾石多角度航拍和預測示意圖；

圖3是本發(fā)明不同形狀的滾石在不同坡面摩擦角下的滾落狀態(tài)數(shù)值模擬圖。

圖中所示：1、邊坡滾石區(qū)域，2、滾石，3、無人機飛行平臺，4、五拼相機系統(tǒng)，6、計算機系統(tǒng)，6、工程數(shù)據(jù)庫，7、綜合推理機。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1至2所示，本發(fā)明實施例提供一種傾斜攝影測量預測滾石運動軌跡模擬系統(tǒng)，包括設置無人機飛行平臺3(在對邊坡滾石區(qū)域1進行安裝無人機飛行平臺3之前，首先獲取邊坡滾石區(qū)域1的概況，如地勢朝向、主要地形分布、風向和風速、區(qū)域面積大小等信息)，在無人機飛行平臺3上安裝有用于高空拍攝的五拼相機系統(tǒng)4，五拼相機系統(tǒng)4上安裝有若干個高清鏡頭(圖中未標示)，高清鏡頭所對應的安裝位置分別為垂直向下、向前、向后、向左和向右，以便獲取邊坡滾石區(qū)域1內的滾石2的多個不同角度的滾落影像，包括正射影像和傾斜影像(參見圖1所示)。其中，高清鏡頭的影像地面分辨率為6cm，成圖比例為1:2000，正射航向重疊率為70％，旁向重疊率為60％，平面和高程中誤差控制在0.10m內，檢查點均勻分布。五拼相機系統(tǒng)4通過無線傳輸裝置(一般情況下，通過wifi進行信息傳輸)與外部的計算機系統(tǒng)5進行通信連接，將五拼相機系統(tǒng)4拍攝的高清圖像數(shù)據(jù)傳送給計算機系統(tǒng)5，在計算機系統(tǒng)5內安裝有3d建模軟件、巖土工程專家的工程數(shù)據(jù)庫軟件6和cofrac滾石分析軟件，通過計算機系統(tǒng)5內的圖像處理軟件對五拼相機系統(tǒng)4傳送回的原始圖像數(shù)據(jù)進行預處理，將處理后的圖像數(shù)據(jù)通過3d建模軟件進行實景三維建模，利用獲取的點云數(shù)據(jù)自動獲得紋理形成真實三維圖形，由三維建模的結果對工程數(shù)據(jù)庫6中與之匹配的數(shù)據(jù)參數(shù)就你行搜索，通過綜合推理機7分析得到主要影響邊坡滾石運動軌跡和能量轉化的相關參數(shù)。其中，計算機系統(tǒng)5通過無線傳輸裝置(一般情況下，通過wifi進行信息傳輸)與綜合推理機7進行通信連接。在計算機系統(tǒng)5上運用基于脈沖法的cofrac滾石分析軟件，對邊坡滾石運動軌跡進行數(shù)值模擬，分析滾石滾落過程的能量損失與巖帶潛在的運動軌跡，得到滾石在具體數(shù)值距離的沖擊力大小。

如圖1至3所示，本發(fā)明實施例提供一種基于傾斜攝影測量預測滾石運動軌跡模擬系統(tǒng)的預測方法，包括以下分析步驟：

(1)參見圖1至2所示，通過無人機飛行平臺3上的五拼相機系統(tǒng)4對邊坡滾石區(qū)域1內的滾石2的運動情況，進行低空傾斜攝影測量，獲取傾斜影像數(shù)據(jù)，其中，影像地面分辨率為6cm，成圖比例為1:2000，正射航向重疊率為70％，旁向重疊率為60％，平面和高程中誤差控制在0.10m內，并檢查點均勻分布；

(2)將傾斜攝影得到的傾斜影像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)5，并對傾斜影像數(shù)據(jù)通過圖像處理軟件進行圖像數(shù)據(jù)預處理；對原始圖像數(shù)據(jù)進行勻光、勻色、畸變糾正等預處理措施，主要的圖像數(shù)據(jù)處理流程如下：①數(shù)據(jù)預處理，包括原始影像、pos數(shù)據(jù)等；②建立數(shù)據(jù)處理工程；③導入影像進行質量檢查；④控制點量測；⑤多視角影像空三解算；⑥分區(qū)密集匹配；⑦切塊管理輸出等。

(3)采用3d建模軟件進行對處理后的圖像數(shù)據(jù)進行實景三維建模，包括進行點坐標、高度、距離、面積、角度、坡度等的量測，利用大規(guī)模采集的點云數(shù)據(jù)自動獲得紋理形成真實三維圖形；

(4)通過綜合推理機分析得到影響邊坡滾石運動軌跡和能量轉化的相關參數(shù)；根據(jù)以往做的滾石軌跡實驗和數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)和匹配的結果建立巖土工程專家系統(tǒng)的工程數(shù)據(jù)庫6，由由三維建模形成的真實三維圖形的結果搜索工程數(shù)據(jù)庫中與之匹配的相關數(shù)據(jù)信息，通過綜合推理機7分析得到主要影響邊坡滾石運動軌跡和能量轉化的相關參數(shù)，具體包括邊坡坡面還原系數(shù)、坡面摩擦角、坡面粗糙度、滾石自轉的角速度和滾落狀態(tài)等。

(5)參見圖3所示，通過運用基于脈沖法開發(fā)的cofrac滾石分析軟件，以所得的數(shù)據(jù)和能量跟蹤法為基礎，將得到的影響邊坡滾石運動軌跡和能量轉化的相關參數(shù)進行數(shù)值模擬，分析滾石滾落過程的能量損失與巖帶潛在的運動軌跡，得到滾石在具體數(shù)值距離的沖擊力大小。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。