一种崩塌滚石灾害情景再现方法技术

本发明专利技术公开了一种崩塌滚石灾害情景再现方法，构建整体全景三维模型及局部崩塌滚石三维模型，提取崩塌滚石灾害的地形与结构面要素；将组成滚石体的几何面均视为由一系列顶点围成的多边形面，建立滚石块体模型；通过地表等高线控制点及其材料属性重构崩塌滚石灾害情景地表三维网格，再利用地表三维网格构建滑床块体系统模型；获得崩塌体轮廓与确定性结构面的三角网格，再利用随机节理面的几何要素在崩塌体轮廓内生成三维随机节理网络，构建崩塌块体系统，得到崩塌滚石灾害情景图，实现整个灾害演化过程模拟。本发明专利技术实现了测量—模型—计算三者数据的无缝衔接与有效融合，再现了崩塌滚石灾害情景演化过程，具有技术先进、操作简便等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种崩塌滚石灾害情景再现方法
本专利技术属于防灾减灾工程与水利水电、交通、矿山等岩土工程
，更具体涉及一种崩塌滚石灾害情景再现方法，尤其适用于崩塌滚石灾害演化过程的情景分析。
技术介绍
我国特别是西部是亚洲乃至世界地质灾害最为严重的地区。在漫长的地质演化历史过程中，西部地区地壳大幅度抬升，形成了群山起伏、江河深嵌、斜坡高陡的地貌特点，使得该地区成为崩塌滚石孕育的理想场所。在降雨、地震等环境因素作用下，该地区地质演化所形成的欠稳定崩塌滚石极易发展且已经形成了大量地质灾害，严重影响水利水电、交通、矿山等重大工程，危害社会发展和人民安全，其防治工作成为保障国家安全与社会经济发展的重大需求。崩塌滚石灾害的情景再现是其防治工作的首要任务，而灾害调查与运动过程分析是情景再现的两个重要方面。在灾害调查方面，西部地区的崩塌滚石往往自然地理条件恶劣，具有高位、高隐蔽性、高寒等特点，传统的勘察方法属于接触式、单点式调查，受限明显。随着非接触式测量技术的发展，摄影测量技术在获取崩塌滚石特征参数发挥了重要作用，极大提高了崩塌滚石的灾害调查效率。在运动过程分析方面，基于滚石—地表相互作用模型的RocFall软件以及基于非连续介质理论的离散单元法较为常用，而对于崩塌滚石涉及可以视为块体系统，国际著名数学家、岩石力学家石根华博士提出的块体系统分析理论是解决该问题的有力武器。围绕这两个方面内容，学者们开展了诸多研究，而现有工作还不能较好地将摄影测量获取的崩塌滚石特征参数直接应用到崩塌滚石灾害运动过程分析，制约了崩塌滚石灾害情景再现方法的发展。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术要解决的是现有工作还不能较好地将摄影测量获取的崩塌滚石特征参数直接应用到崩塌滚石灾害运动过程分析，制约了崩塌滚石灾害情景再现方法的发展的问题。本专利技术采用的技术方案是：一种崩塌滚石灾害情景再现方法，包括如下步骤：A、基于倾斜摄影技术(例如采用无人机倾斜摄影技术)，构建整体全景三维模型及局部崩塌滚石高精度三维模型，提取崩塌滚石灾害的地形与结构面要素；B、将组成滚石体的几何面均视为由一系列顶点围成的多边形面，这些多边形面组成了滚石块体，建立滚石块体模型；C、通过地表等高线控制点及其材料属性重构崩塌滚石灾害情景地表三维网格，再利用地表三维网格构建滑床块体系统模型；D、获得崩塌体轮廓与确定性结构面的三角网格，再利用随机节理面的几何要素在崩塌体轮廓内生成三维随机节理网络，构建崩塌块体系统；E、设定三维块体系统的几何与物理信息、块体物理力学参数与三维块体系统模拟方法(例如非连续变形分析方法，简称DDA)的计算参数；F、将崩塌滚石灾害过程分为多个真实时间步，在每个时间步内，采用三维块体系统分析理论模拟崩塌滚石体与地表的碰撞、滑动与滚动以及崩塌滚石体在空中飞行多种运动模式；G、利用每个真实时间步内的块体系统模拟结果，得到崩塌滚石灾害情景图，实现整个灾害演化过程模拟。进一步的，所述的步骤(A)具体步骤如下：步骤1：通过对崩塌滚石灾害的现场勘察，确定飞行高度、相机曝光间隔、飞行速度、航拍降落等参数，完成飞行航线设计；步骤2：利用搭载高清相机的超低空飞行从垂直、倾斜不同视角对整体地形与局部崩塌滚石进行倾斜摄影测量，获取崩塌滚石灾害的高分辨率影像；步骤3：读取崩塌滚石灾害的高分辨率影像、飞行控制数据，采用现有技术中的建模软件(例如自动批量建模软件Smart3DCapture)通过空中三角测量、加密点云、三角网构建、自动赋纹理，构建整体全景三维模型及局部崩塌滚石高精度三维模型；步骤4：针对整体全景三维模型，获得地形的等高线控制点(X、Y坐标等间距)以及各控制点的材料属性；步骤5：针对局部崩塌滚石高精度三维模型，通过测量空间点坐标参数，获得围成崩塌滚石轮廓的几何面与对应的顶点坐标；步骤6：针对切割崩塌的确定性结构面，通过测量空间点坐标参数，获得围成确定性结构面的顶点坐标；步骤7：针对切割崩塌的随机节理面，设结构面的方程表达为：sinαsinβ·x+sinαcosβ·y+cosα·z＝D其中，α为结构面倾角、β为结构面倾向，常数D表示结构面在空间中的具体位置；x、y、z为结构面上点的坐标,测量每个结构面上三个不同点的坐标，代入式(1)形成方程组，求解可获得结构面的倾向与倾角产状参数；对测量得到的所有随机节理面空间几何信息进行统计分析，获得每组优势节理面的倾向、倾角、间距、迹长与桥长等要素。进一步的，所述地形的等高线控制点(X、Y坐标等间距)以及各控制点的材料属性为基岩面或碎石或土壤或植被或路面。进一步的，所述步骤(C)详细步骤如下：步骤1：按顺序输入所有表征地形的等高线控制点(X、Y坐标等间距)以及各控制点的材料属性，并标记两条相邻等高线连接边的控制点；步骤2：利用所有地表控制点计算崩塌滚石灾害情景分析范围，确定最小高程；步骤3：利用所有的等高线控制点形成三角形网格，具体步骤如下：a)循环读取三个等高线控制点，直至遍历结束；b)以这三个控制点组成一个三角形网格，计算其外接圆半径与圆心；c)判断其他所有控制点是否在这个外接圆内，若都在该外接圆外，则该三角形为描述地表的三角形网格，否则进入步骤a)；d)根据控制点的材料属性确定该三角网格的材料属性；e)存储该三角网格的三个地表控制点及其材料属性，回到步骤a)；步骤4：根据崩塌滚石灾害情景范围的最小高程，通过降低一定高程确定滑床块体模型的底部高程；步骤5：针对每一个地表三维网格，将其三个控制点投影到滑床块体模型底部高程所在平面，获得三个投影点，利用三个控制点与投影点构建一个五面体，即为一个滑床块体；步骤6：存储基于地表三维网格构建的滑床块体，形成块体系统模型。进一步的，所述的步骤(D)详细步骤如下：步骤1：将组成崩塌体轮廓与确定性结构面的几何面均视为由一系列顶点围成的多边形面，采用三角网格描述每一个多边形面；步骤2：以崩塌体轮廓为模型边界，获得其外接正方体，假设边长为w；步骤3：选取一组随机节理面，读入它的几何要素，包括倾角α、倾向β、间距d、迹长t、桥长b；步骤4：以这组随机节理面的倾角α、倾向β建立局部坐标系，计算局部坐标系空间中外接正方体每个维度的结构面数量nx、ny与nz：nz＝int(1.5*w/d)+2nx＝int(1.5*w/(t+b))+2ny＝int(1.5*w/(t+b))+2步骤5：将局部坐标系空间划分为nx×ny×nz个网格，每个网格中分布一条节理，用正方形表示，其中心坐标(x0，y0，z0)的计算公式为：z0＝(k+rz)*dx0＝(i+rx)*(t+b)y0＝(j+ry)*(t+b)正方形的中心到它的顶点的维度增量为：Δz＝r*rz*dΔx＝0.5*(1+r*r本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种崩塌滚石灾害情景再现方法，其特征在于包括如下步骤：/nA、基于倾斜摄影技术，构建整体全景三维模型及局部崩塌滚石三维模型，提取崩塌滚石灾害的地形与结构面要素；/nB、将组成滚石体的几何面均视为由一系列顶点围成的多边形面，这些多边形面组成了滚石块体，建立滚石块体模型；/nC、通过地表等高线控制点及其材料属性重构崩塌滚石灾害情景地表三维网格，再利用地表三维网格构建滑床块体系统模型；/nD、获得崩塌体轮廓与确定性结构面的三角网格，再利用随机节理面的几何要素在崩塌体轮廓内生成三维随机节理网络，构建崩塌块体系统；/nE、设定三维块体系统的几何与物理信息、块体物理力学参数与三维块体系统模拟方法的计算参数；/nF、将崩塌滚石灾害过程分为多个真实时间步，在每个时间步内，采用三维块体系统分析理论模拟崩塌滚石体与地表的碰撞、滑动与滚动以及崩塌滚石体在空中飞行多种运动模式；/nG、利用每个真实时间步内的块体系统模拟结果，得到崩塌滚石灾害情景图，实现整个灾害演化过程模拟。/n

【技术特征摘要】
1.一种崩塌滚石灾害情景再现方法，其特征在于包括如下步骤：
A、基于倾斜摄影技术，构建整体全景三维模型及局部崩塌滚石三维模型，提取崩塌滚石灾害的地形与结构面要素；
B、将组成滚石体的几何面均视为由一系列顶点围成的多边形面，这些多边形面组成了滚石块体，建立滚石块体模型；
C、通过地表等高线控制点及其材料属性重构崩塌滚石灾害情景地表三维网格，再利用地表三维网格构建滑床块体系统模型；
D、获得崩塌体轮廓与确定性结构面的三角网格，再利用随机节理面的几何要素在崩塌体轮廓内生成三维随机节理网络，构建崩塌块体系统；
E、设定三维块体系统的几何与物理信息、块体物理力学参数与三维块体系统模拟方法的计算参数；
F、将崩塌滚石灾害过程分为多个真实时间步，在每个时间步内，采用三维块体系统分析理论模拟崩塌滚石体与地表的碰撞、滑动与滚动以及崩塌滚石体在空中飞行多种运动模式；
G、利用每个真实时间步内的块体系统模拟结果，得到崩塌滚石灾害情景图，实现整个灾害演化过程模拟。


2.根据权利要求1所述的崩塌滚石灾害情景再现方法，其特征在于：所述的步骤(A)具体步骤如下：
步骤1：通过对崩塌滚石灾害的现场勘察，确定飞行高度、相机曝光间隔、飞行速度、航拍降落参数，完成飞行航线设计；
步骤2：利用飞行器搭载相机的超低空飞行从垂直、倾斜不同视角对整体地形与局部崩塌滚石进行倾斜摄影测量，获取崩塌滚石灾害的影像；
步骤3：读取崩塌滚石灾害的影像、飞行控制数据，采用现有技术中的建模软件通过空中三角测量、加密点云、三角网构建、自动赋纹理，构建整体全景三维模型及局部崩塌滚石三维模型；
步骤4：针对整体全景三维模型，获得地形的等高线控制点以及各控制点的材料属性；
步骤5：针对局部崩塌滚石三维模型，通过测量空间点坐标参数，获得围成崩塌滚石轮廓的几何面与对应的顶点坐标；
步骤6：针对切割崩塌的确定性结构面，通过测量空间点坐标参数，获得围成确定性结构面的顶点坐标；
步骤7：针对切割崩塌的随机节理面，设结构面的方程表达为：
sinαsinβ·x+sinαcosβ·y+cosα·z＝D(1)
其中，α为结构面倾角、β为结构面倾向，x、y、z为结构面上点的坐标,常数D表示结构面在空间中的具体位置；测量每个结构面上三个不同点的坐标，代入式(1)形成方程组，求解可获得结构面的倾向与倾角产状参数；对测量得到的所有随机节理面空间几何信息进行统计分析，获得每组优势节理面的倾向、倾角、间距、迹长与桥长要素。


3.根据权利要求2所述的崩塌滚石灾害情景再现方法，其特征在于：所述地形的等高线控制点以及各控制点的材料属性为基岩面或碎石或土壤或植被或路面。


4.根据权利要求1所述的崩塌滚石灾害情景再现方法，其特征在于：所述步骤(C)详细步骤如下：
步骤1：按顺序输入所有表征地形的等高线控制点以及各控制点的材料属性，并标记两条相邻等高线连接边的控制点；
步骤2：利用所有地表控制点计算崩塌滚石灾害情景分析范围，确定最小高程；
步骤3：利用所有的等高线控制点形成三角形网格，具体步骤如下：
a)循环读取三个等高线控制点，直至遍历结束；
b)以这三个控制点组成一个三角形网格，计算其外接圆半径与圆心；
c)判断其他所有控制点是否在这个外接圆内，若都在该外接圆外，则该三角形为描述地表的三角形网格，否则进入步骤a)；
d)根据控制点的材料属性确定该三角网格的材料属性；
e)存储该三角网格的三个地表控制点及其材料属性，回到步骤a)；
步骤4：根据崩塌滚石灾害情景范围的最小高程，通过降低一定高程确定滑...

【专利技术属性】
技术研发人员：付晓东，盛谦，陈健，杜文杰，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42