无人机摄影测量在高陡边坡地质调查中的应用

在高陡边坡的地质调查中,测量岩体结构面的工作经常受到复杂地形的限制无法正常开展,急需一种全方位的精确测量技术。结合近年来低空低速小型无人机技术的快速发展,使用搭载单镜头的小型无人机,基于多视立体视觉算法（PMVS）和运动结构恢复算法（SfM）对目标物进行三维重建,通过现场试验和数据后处理,总结出了一套无人机摄影测量技术在高陡边坡地质调查中的应用方法,并得到了初步的研究结论：轻小型的单镜头多旋翼无人机能够采集到有效的地形数据,在三维点云中处理使用基于最小二乘法的平面拟合算法,可以提取出准确的结构面参数,进一步将这些结构面绘制在赤平极射投影图中,能实现高陡边坡的数字化岩体产状测量。     

无人机倾斜摄影技术在城市化建设中地质灾害早期识别应用

针对城市化建设中地质灾害问题,提出了一种基于无人机倾斜摄影技术的地质灾害早期识别技术与方法。以地下空间利用强度高、目前周边城市化建设频繁的锦城广场为例,通过无人机倾斜摄影处理技术流程,构建研究区高精度正射影像与三维立体实景场景。通过解译分析,提取地质灾害形变信息及范围,最后通过现场调查对解译形变区进行了实地复核、验证。结果表明,基于无人机倾斜摄影的地质灾害早期识别技术与方法具有效率高、机动性强、投入少、精度高的优势,可以方便技术人员快速解译、分析、识别城市化建设过程中地质灾害问题,具有较好的推广前景。     

无人机影像在高陡边坡危岩体调查中的应用

在高陡边坡危岩体的调查中,复杂的地形条件经常限制工作的正常开展,如何快速准确地获取地质灾害信息一直是地质灾害调查研究中的难点之一。以往的研究中对无人机遥感技术在黄土、高原等地区应用有所报道,但对西南地区高陡边坡危岩体灾害调查的研究尚无报道。文章以锦屏二级水电站出线场边坡落石灾害所在区域为例,将无人机摄影测量技术应用于高陡边坡危岩体调查中,通过无人机倾斜摄影获取高分辨率遥感影像,开展遥感影像三维建模,进行地质灾害遥感解译,总结了无人机遥感系统在高陡边坡危岩体调查的技术流程。通过三维实景模型,精确地分析了落石灾害的空间分布、失稳模式及演化过程,查明了区域内危岩隐患点的分布特征;基于三维点云模型,提取出地质灾害体的属性信息,测得落石方量为11.7 m3,采用最小二乘法进行平面拟合,得到落石两组主控结构面产状为275.4°∠31.2°、103.5°∠63.3°。实践表明,无人机遥感技术在高陡边坡地区落石灾害调查中具有明显的可行性和优越性,可以较好地应用于高陡边坡危岩体调查中。     

高陡边坡岩体结构信息无人机识别与离散元数值模拟

岩体结构特征的准确表征对边坡稳定性评价具有重要影响。由于高陡边坡岩体结构的人工编录工作开展困难,结构几何信息往往获取不全面,导致边坡数值模型构建往往不理想。以江西德兴银山铜矿露天边坡为工程背景,采用无人机与运动恢复结构法(SfM)获取边坡岩体点云模型。基于点云数据建立结构面识别和解译算法,自动获取结构面产状、迹长、间距等几何信息。对比人工测量结果,无人机测量与结构面识别能够获取更符合实际的坡面与岩体结构模型。采用非均匀有理B样条(NURBS)曲面重构和“Rhino-Griddle-3DEC”联合建模方法,结合岩体结构统计模型构建离散裂隙网络DFN能够快速建立三维离散元数值模型,从而获得更好的数值模拟计算结果,满足岩质高边坡稳定性评价的需要。     

无人机倾斜摄影技术在城市化建设中地质灾害早期识别应用

针对城市化建设中地质灾害问题,提出了一种基于无人机倾斜摄影技术的地质灾害早期识别技术与方法。以地下空间利用强度高、目前周边城市化建设频繁的锦城广场为例,通过无人机倾斜摄影处理技术流程,构建研究区高精度正射影像与三维立体实景场景。通过解译分析,提取地质灾害形变信息及范围,最后通过现场调查对解译形变区进行了实地复核、验证。结果表明,基于无人机倾斜摄影的地质灾害早期识别技术与方法具有效率高、机动性强、投入少、精度高的优势,可以方便技术人员快速解译、分析、识别城市化建设过程中地质灾害问题,具有较好的推广前景。     

高陡岩质斜坡结构面的无人机贴近采集与粗糙度分析

为了研究采样尺寸、采样间距对结构面粗糙度评价结果的影响,本文以川藏线昌都至林芝段的色曲特大桥左岸高陡斜坡结构面为研究对象。使用无人机贴近摄影测量技术获取斜坡的三维空间坐标和表面纹理数据;室内实现斜坡的三维重建以及点云化处理;从点云模型上人为提取出37个结构面信息,使用MATLAB进行结构面规则网格化重建;基于Z_2S法描述结构面粗糙度表征值在不同尺寸、不同间距下的变化规律。结果表明:结构面粗糙度的尺寸效应、间距效应明显,采样间距的增大使有效采样尺寸值减小。因此,在进行粗糙度研究时应选取较小的采样间距,采样尺寸应大于等于“真”有效采样尺寸值。此外,本文是无人机贴近摄影测量技术应用在结构面数据采集领域的一个案例,是进行结构面粗糙度特征研究的有益补充。     

基于数字近景摄影测量的岩体结构面几何信息解算模型

为了快速、全面地获取岩体随机结构面信息而提高稳定性评价工作,在数字近景摄影测量测取结构面空间坐标的基础上,应用立体几何、方位概念和投影变换理论,提出并建立了基于空间坐标的结构面迹线三维模型、任一投影展示面的迹线二维模型和详细判据的产状解算模型。迹线三维模型数据更加详实展示迹线分布状况,迹线二维模型数据又能获得任一重要投影面的迹线信息并突显迹线物理意义;应用误差理论,探讨了基于数字近景摄影测量的产状解算模型获取产状的精度。实验表明,在数字近景摄影测量建立边坡三维模型点位测量精度≤2 cm时,能够解决近似线状结构面的产状获取问题。因此,岩体结构面几何信息解算模型与数字近景摄影测量相结合,可采集到更为全面的结构面几何信息并用于岩体稳定性评价。     

采用Monte-Carlo模拟技术计算裂隙岩体的分维数

采用结构面现场测量及统计分析建立岩体结构的概率模型,进而采用Monte-Carlo模拟技术生成岩体裂隙网络模型,由生成的岩体裂隙网络模型计算岩体裂隙分布的分维数;并给出了工程应用实例。     

基于无人机摄影测量技术的高陡边坡危岩体特征构建与分析

在高陡边坡的危岩体调查中, 受限于调查人员可到达的范围, 难以获取危岩体的特征参数, 从而影响危岩体的稳定性判别。无人机摄影测量技术能够安全、快速、全面、精准的获取危岩体的特征信息。本文以鸡冠岭崩塌隐患为例, 利用无人机摄影测量技术获取坡面高精度影像, 通过提取点云数据构建三维模型, 基于最小二乘法完成平面拟合获取危岩体的体积及结构面产状信息, 并结合实际测量数据, 采用赤平极射投影法和极限平衡法定性和定量评价危岩体的稳定性。经过分析计算, 鸡冠岭崩塌四处主要危岩体的体积分别为102.86 m3、355.27 m3、236.60 m3和454.91 m3, 根据定性分析和定量计算, 危岩体均为欠稳定状态。通过本文的实践, 体现了无人机摄影测量技术在识别高位隐蔽危岩体方面的优势, 对于发展基于无人机摄影测量技术定量判定危岩体的稳定性方面具有借鉴意义。     

无人机在强震区地质灾害精细调查中的应用研究

为对强震区地质灾害进行精细调查,基于无人机低空摄影测量系统能够获取高精度、高分辨率和高时效的遥感影像且具有灵活性强和不受复杂地形影响等特点。本文将无人机低空摄影测量系统应用到强震区地质灾害精细调查,探讨了强震区地质灾害无人机遥感精细调查流程及成果应用。以老虎嘴滑坡所在区域的应用为例,阐述了无人机遥感像片的获取和DEM、DOM及三维真实空间场景的制作方法,重点介绍了利用三维真实场景对地质灾害进行定性及定量分析及精确描述。实践结果表明:（1）同常规的遥感调查方法相比,该方法不仅能够获取更高分辨率和更高精度的地质灾害精细调查基础数据,而且还提高了其时效性及可靠性;（2）构建的地质灾害体三维真实空间场景突破了传统的二维地质灾害解译技术,提高了地质灾害解译的精度及准确度。本文较完整地阐述了无人机低空摄影测量系统在强震区地质灾害精细调查的流程及方法,可以较好地应用于强震区地质灾害精细调查。     

基于无人机航摄的高陡/直立边坡快速地形测量及三维数值建模方法

对复杂地形的高陡/直立边坡的地形测量及三维数值模型的建立一直是地质工作者面临的难题。近年来,无人机由于其形体小巧、机动性强以及可以获取高分辨率影像的特性在地质调查中受到了广泛的应用。本文基于低空无人机倾斜摄影技术,借助Agisoft Photoscan三维实景建模软件和基于逆向工程的Geomagic Studio强大的点云数据处理功能,结合南方CASS的地形制图功能对复杂地形的高陡/直立边坡实现快速地形成图。并利用Geomagic Studio的CAD曲面建模功能,重构复杂地形的高陡/直立边坡闭合CAD曲面模型,再通过Hypermesh强大的几何处理及网格划分能力,对CAD曲面模型进行模型切割并网格化,实现复杂地形的高陡/直立边坡的精细三维数值模型的建立,最后转化为FLAC3D可识别的文件格式进行计算分析。本文选择了浙江省神仙居景区飞天瀑景点作为实例研究,结果表明,无人机的使用使复杂地形的高陡/直立边坡实现了快速高效且精确的地形成图和三维建模。该方法具有简单实用、快速便捷且实用性强的优点。     

Robust algorithms for polyhedral modelling of fractured rock mass structure

This paper presents robust algorithms for application in polyhedral modelling of rock mass structure based on discrete fracture networks. The algorithms improve the robustness of current polyhedral modellers to challenging or degenerate geometries and geometrical errors. These issues are inevitably encountered when the fracture network realisations incorporate large numbers of fractures, or regions of densely packed fractures are modelled, or when the number of fracture network realisations interrogated is large. Several stages in the polyhedral modelling process which are sensitive to geometrical errors are reviewed and algorithms which are robust and capable of handling topological errors in the input fracture network geometry are presented.     

岩体裂隙模拟的扩展有限元法应用研究

岩体中普遍存在着断层﹑节理和裂隙等结构面,这些结构面的存在和发展对岩体的整体强度﹑变形及稳定性有极大的影响。因此,研究岩体中原生结构面的萌生﹑发展以及贯通演化过程对评估岩体工程安全性和可靠性具有非常重要的理论与现实意义。扩展有限元法（XFEM）作为一种求解不连续问题的有效数值方法,模拟裂隙时独立于网格,因此,在模拟岩体裂隙扩展﹑水力劈裂等方面具有独特优势。针对扩展有限元法的基本理论及其在岩体裂隙扩展模拟中的应用展开了研究,建立了扩展有限元法求解岩体裂隙摩擦接触、岩体裂隙破坏等问题的数值模型,并将计算模型应用于岩质边坡稳定性分析和重力坝坝基断裂破坏等工程问题。     

A Spatial Clustering Approach for Stochastic Fracture Network Modelling

Fracture network modelling plays an important role in many application areas in which the behaviour of a rock mass is of interest. These areas include mining, civil, petroleum, water and environmental engineering and geothermal systems modelling. The aim is to model the fractured rock to assess fluid flow or the stability of rock blocks. One important step in fracture network modelling is to estimate the number of fractures and the properties of individual fractures such as their size and orientation. Due to the lack of data and the complexity of the problem, there are significant uncertainties associated with fracture network modelling in practice. Our primary interest is the modelling of fracture networks in geothermal systems and, in this paper, we propose a general stochastic approach to fracture network modelling for this application. We focus on using the seismic point cloud detected during the fracture stimulation of a hot dry rock reservoir to create an enhanced geothermal system; these seismic points are the conditioning data in the modelling process. The seismic points can be used to estimate the geographical extent of the reservoir, the amount of fracturing and the detailed geometries of fractures within the reservoir. The objective is to determine a fracture model from the conditioning data by minimizing the sum of the distances of the points from the fitted fracture model. Fractures are represented as line segments connecting two points in two-dimensional applications or as ellipses in three-dimensional (3D) cases. The novelty of our model is twofold: (1) it comprises a comprehensive fracture modification scheme based on simulated annealing and (2) it introduces new spatial approaches, a goodness-of-fit measure for the fitted fracture model, a measure for fracture similarity and a clustering technique for proposing a locally optimal solution for  fracture parameters. We use a simulated dataset to demonstrate the application of the proposed approach followed by a real 3D case study of the Habanero reservoir in the Cooper Basin, Australia.     

Geometric modelling and object-oriented software concepts applied to a heterogeneous fractured network from the Grimsel rock laboratory

Discrete fracture network simulations are computationally intensive and usually time-consuming to construct and configure. This paper presents a case study with techniques for building a 3D finite element model of an inhomogeneous fracture network for modelling flow and tracer transport, combining deterministic and stochastic information on fracture aperture distributions. The complex intersected fractures represent a challenge for geometrical model design, mesh quality requirements and property allocations. For the integrated and holistic modelling approach, including the application of numerical and analytical simulation techniques, new object-oriented concepts in software engineering are implemented to ensure a resourceful and practicable software environment.     

基于GIS的岩石裂隙空间分布模式研究

文中以甘肃北山花岗岩中发育的构造裂隙(主要指节理尺度)为研究对象,应用地质统计分析理论,以裂隙面密度P21 作为地质统计分析的区域性变量,探索花岗岩岩体裂隙空间分布模式。结果表明:甘肃北山芨芨槽候选场址区域内花岗岩岩体裂隙空间分布具有明显的各向异性特征,变异主轴方向明显; 变异主轴区域内的裂隙分组地质统计特征显示,区域内第1分组裂隙并非是传统意义上的均匀随机分布,而是具有明显的空穴效应特征,应该在三维裂隙网络建模工作中予以考虑。本文在考虑本组裂隙空穴效应特征基础上,针对三维裂隙网络建模方法提出了新的建议。     

乌东德水电站右岸地下厂房随机块体特征研究

随机块体的几何特征和稳定性是水利水电工程中地下厂房支护设计的重要依据。对乌东德水电站右岸地下厂房随机块体的特征进行了深入研究。对研究区域内实测的裂隙参数进行了分组统计,确定了各组裂隙产状、迹长等参数的分布形式和大小。利用逆建模方法建立了三维裂隙网络模型,获取了各组裂隙的直径和三维密度。采用一般块体方法对地下厂房进行随机块体的识别和稳定性分析,利用GeneralBlock软件进行了10次随机实现,对10次计算结果进行了统计分析和讨论。研究结果表明,结构面与开挖面形成的随机块体集中在地下厂房的顶拱部位,10次随机实现中,地下厂房全长范围内平均每次形成的随机块体为414个;随机块体的平均体积为2.9 m³,最大块体的体积达152.0 m³;可移动块体中,大部分为稳定块体,不稳定块体均以坠落形式破坏;构成可移动块体的结构面多为3~4条,最多可达12条,其中倾W向的中等倾角裂隙是构成块体并可能造成块体失稳的最危险结构面;随机块体的平均深度为1.2 m,最大深度为8.8 m。建议支护锚杆应尽量穿透倾W向中等倾角的长大裂隙,且锚杆支护长度大于8.8 m。     

Visualization of the El Berrocal granite: application to rock engineering

This paper outlines the visualization of the El Berrocal granite using a computer-based geological modelling system, EarthVision, and discusses the application of this visualization to engineering aspects of waste disposal in crystalline rocks. The El Berrocal Project was an international study with the aim of understanding and modelling the migration processes which have controlled the distribution of naturally occurring radionuclides in a fractured granitic environment. EarthVision was used to provide three-dimensional geological models of the site structure and properties. Modelling of the site structure concentrated on the development of visualizations of the main discontinuities in the granite. These included a model of the main mineralized structures, a model of the regional fracture network, models of local fracture networks between borehole clusters and a visualization of the mineralogy of the fractures in individual boreholes. These fracture models were visualized with the boreholes and access gallery to the mine. In addition, the fracture network in the region of a large scale tracer test was visualized with the injection and extraction zones for the tracer test. Three-dimensional interpolations of the rock and fluid structure were undertaken. A model of the hydraulic conductivity illustrated large-scale variations in hydraulic conductivity and channelling effects in the tracer test zone. A model of the sulphate concentrations in the groundwater illustrated the interpolation of spatial data based on structural domains. The visualizations of the geology of the El Berrocal granite illustrate that, despite limitations, geological modelling can be a powerful and graphic tool in rock engineering. The use of computer visualizations can be provide the three-dimensional structural framework for computations, can aid decision making during the construction phase of waste repositories and can be useful in understanding and analysing the results of numerical calculations.     

基于广义RQDt的岩石质量空间分布规律研究

自然界中的岩石通常含有大量复杂交错的结构面,造成岩石质量在三维空间中存在明显的各向异性。作为评价岩石质量的重要参数,岩石质量指标(广义RQDt)被广泛应用于岩体工程。结合三维裂隙网络模拟法和测线法,对岩体质量在三维空间不同方向上的分布规律进行研究:首先根据研究域岩体的裂隙统计参数及分布规律,利用Monte-Carlo法生成三维随机裂隙网络;然后通过在研究域内布置监测点和测线的方式来计算监测点处RQDt值随空间方位的变化,得到岩石质量空间分布图,以此来直观描述岩体质量沿空间不同方向的分布。将该法应用于某工程坝区岩体质量评估,表明该方法简单且具有较强的实用价值,可较全面描述岩体质量在空间方向上的分布规律。     

An extended finite volume method and fixed-stress approach for modeling fluid injection–induced tensile opening in fractured reservoirs

Fluid injection–induced tensile opening is modeled using an extended finite volume method (XFVM). An embedded fracture strategy is used for the flow problem, that is, the fractures are discretized using finite volume segments without resolving the grid around them. Further, the discontinuities across fractures are modeled using special basis functions. The fracture openings due to enhanced fluid pressure and the associated shear slip due to traction free boundary condition on the fracture segments are both modeled using these special discontinuity basis functions. Mass transfer between fractures and matrix is modeled using the pressure difference. The enhancement of fracture storativity due to tensile opening leads to stronger coupling between flow and mechanics. An iterative scheme relying on the fixed-stress approach for fractures, which conserves the stress dependent terms over each iteration of the flow problem, has been introduced. Tensile opening has been simulated for single fractures embedded in two- and three-dimensional matrices. The convergence criterion for sequentially implicit fixed-stress scheme for fractures embedded in elastic media is established and has been validated numerically. Further, for 2D simulations, the effect of the matrix permeability for fracture propagation due to tensile opening has been studied.