伏 坤，王 珣，高柏松，刘 勇，徐 鑫，裴起帆

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

我国西南地区地处印度板块与欧亚板块冲撞接触带东侧，新构造运动强烈，地壳升降幅度大，山高谷深，活动断裂发育，地震频繁且震级大，山地生态环境脆弱、斜坡岩体破碎，加之降雨量充沛，导致滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害频发，对铁路工程施工及运营危害极大[1]。如成昆线、宝成线、川黔线、湘黔线等都是地质灾害频发的山区铁路运营线路，其中尤以成昆线受地质灾害影响最为严重[2]。

成昆铁路是新中国成立后在我国西南山区修建的一条重要铁路干线，全长1 096 km，1970年建成通车。沿线地质构造极为复杂，新构造运动非常强烈，部分区段位于8、9度地震区。沿线分布滑坡、泥石流、崩塌落石、岩堆等不良地质达千余处，致使通车后的几十年仍不断地整治沿线地质灾害[3]。

成昆铁路K310+668～K311+232病害段地处四川省凉山彝族自治州甘洛县埃岱镇境内，属中高山河谷地貌，地形高陡，海拔一般为960～1 650 m，高差690 m，自然坡度35°～60°。2019年7月28日该地发生持续暴雨，降雨历时30余小时，最大小时降雨达77.8 mm，总降雨164.2 mm，接近该地年降雨量的1/5。K310+857～K311+000两条冲沟内爆发坡面型泥石流病害、K311+140坡面发生高位浅表溜坍，泥石流堆积体上道淹没线路，造成铁路运输中断。经过铁路部门昼夜应急抢修，于8月2日恢复通车。2019年8月14日12时44分，成昆线K310+857再次发生高位岩体崩塌，导致线路被毁，运输再次中断[4]。

成昆铁路K310+668～K311+232病害段山高谷深、道路险峻、植被茂密，人工调查及传统监测方法无法满足地质灾害突发后应急指挥、抢险施工、铁路临时开通后行车安全等方面的使用需求[5-9]。为及时掌握病害点灾害情况，同时确保调查人员的安全。2019年8月15日，紧急抽调无人机对K310+857高位岩体崩塌灾害约1.5 km2区域开展倾斜摄影测量工作，形成真三维倾斜摄影模型成果，并采用自主研发的无人机倾斜摄影文件网络发布平台，实现成果快速网络发布及异地多方成果共享，为地质灾害关键形态参数提取、应急抢险和整治方案制定提供技术支撑。

1 无人机倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影测量技术通过在同一飞行平台上搭载影像拍摄设备，从1个垂直方向、4个相互垂直的倾斜方向等5个不同的角度采集待测区的影像，同时配合其他传感器同步获取拍摄点高度、经纬度坐标、镜头姿态、目标区纹理等数据[9]，能够更加真实地反应地物情况和地理信息。

无人机倾斜摄影测量系统主要由多旋翼无人机飞行平台系统、倾斜摄影系统、飞行导航与控制系统及后期数据处理系统组成[10]。

多旋翼无人机飞行平台系统包括无人机机体、飞行控制系统和数据实时传输与解压缩系统[11]。

倾斜摄影系统包括摄影机、摄影机控制系统和相关部件装置[12]，多旋翼无人机飞行平台及倾斜摄影系统见图1。

图1 无人机飞行平台及倾斜摄影系统

飞行导航与控制系统包括航线规划系统、无人机地面控制系统、数据接收解压缩与实时显示系统[13]。

后期数据处理系统包括图像拼接、数据校正、纹理映射、信息提取与分析等。

无人机倾斜摄影测量工作流程分为3个步骤：室内准备→现场作业→数据处理[14]，具体工作流程见图2。

图2 无人机倾斜摄影工作流程

2 无人机倾斜摄影文件网络快速发布平台

无人机倾斜摄影在实际应用过程中，受限于无人机遥感影像的数据规模大小与其文件的特点，通常以单机应用、本地化管理的模式为主，不具备网络快速发布及多方共享能力。因此，在大型应急抢险项目时难以满足各方对高清现场影像的异地、远程访问使用需求，无人机倾斜摄影的优势得不到充分发挥。

针对上述问题，对倾斜摄影瓦片数据特征开展深入研究，结合成昆铁路K310+857高位岩体崩塌突发灾害应急抢险特点，搭建了无人机倾斜摄影文件网络快速发布平台。

2.1 平台构成

无人机倾斜摄影文件网络快速发布平台包括虚拟化基础设施集群平台、倾斜摄影瓦片数据存储及访问应用服务集群。

2.1.1 虚拟化基础设施集群平台

虚拟化基础设施集群平台基于VMvare[18]服务器虚拟化解决方案，采用共享存储、实时迁移、资源动态分配、实时监控及故障切换等技术搭建，有效整合服务器计算、存储、网络等资源，形成资源池，为倾斜摄影瓦片数据存储及应用服务集群搭建提供硬件基础。虚拟化基础设施集群平台拓扑结构见图3。

图3 虚拟化基础设施集群平台拓扑结构

2.1.2 瓦片数据存储及访问应用服务集群

针对三维倾斜摄影瓦片数据单个文件小(<1 MB)、总计数量多(千万级)、存储发布困难等特点，采用开源分布式文件管理系统[19-20]搭建后端存储平台，综合利用虚拟IP、负载均衡、高可用、缓存技术等搭建瓦片数据集群存储平台，实现倾斜摄影瓦片数据的高效存储，解决TB级倾斜摄影瓦片数据存储难题。

在搭建虚拟化基础设施集群平台、倾斜摄影瓦片数据集群的基础上，基于FastDFS API函数及通用HTTP协议，开发了瓦片数据上传、下载等Web接口服务，搭建了访问应用服务集群，实现了瓦片数据多用户高并发访问，解决了铁路突发地质灾害应急抢险期对数据快速共享的需求。倾斜摄影瓦片数据存储及访问应用服务集群拓扑结构见图4。

图4 存储及访问应用服务集群拓扑结构

2.2 平台应用

采用无人机倾斜摄影文件网络快速发布平台进行成昆铁路K310+857高位岩体崩塌灾害倾斜摄影文件网络发布的具体步骤如下。

①收集整理K310+857高位岩体崩塌灾害2019年8月15日倾斜摄影成果数据，利用单机版三维倾斜摄影软件查看成果数据的准确性，若成果无误，则进行步骤②；若成果有误，则重新收集整理、校核倾斜摄影数据。

②准备数据上传软件，并确保网络畅通。软件登录成功后，采用选择或拖动文件夹/文件的方法上传数据。当软件显示文件夹个数与本地文件夹个数一致时，表示所有文件全部上传成功(图5)。

图5 数据上传软件界面

③采用网络版三维倾斜摄影软件测试是否可以远程在线加载三维倾斜摄影数据，若成功加载，则表示三维倾斜摄影数据网络发布成功；如失败，则需查看软件错误日志，分析并检查存储及访问应用服务集群是否正常。

3 成昆铁路K310+857高位岩体崩塌灾害应用实例

采用无人机倾斜摄影+网络快速发布融合技术，对成昆铁路K310+857高位岩体崩塌灾害进行了灾后调查及长期监测，其应用情况如下。

3.1 无人机数据获取、处理与发布

在充分调研收集崩塌区域地形、天气等资料的基础上，结合GoogleEarth卫星地图，利用航线规划系统，进行了航线的规划设计，并经实地考察后确认执飞。无人机及倾斜摄影系统主要参数见表1。

表1 无人机及倾斜摄影系统主要技术参数

现场数据采集作业累计飞行5架次，飞行里程约3 km，获得航拍照片400余张，有效覆盖面积1.5 km2，航向重叠度和旁向重叠度分别达到85%和65%。

无人机倾斜摄影作业后，利用软件对所拍摄的图像进行畸变差改正、匀光匀色、影像增强、空三加密、多视影像密集匹配、纹理映射等操作，输出高质量三维倾斜摄影模型，并通过FastDFS资料文档管理终端上传至FastDFS分布式文件系统，并通过Web进行发布。

三维倾斜摄影模型数据获取、处理与发布见图6。

图6 病害点倾斜摄影模型数据获取、处理与发布

3.2 灾后信息提取与分析

通过无人机倾斜摄影文件可以获得病害点整体及局部的灾害特征，并可提取灾害关键形态参数(图7)。

图7 病害点整体及局部灾害特征(单位：m)

从图7可以得出如下结论。

(1)K310+857高位岩体崩塌灾害发生位置与线路坡面距离330 m，影响宽度为30～105 m。

(2)原坡体发生明显下坐，已出现明显的下错陡壁。

(3)崩塌体运动过程中，未完全解体，后缘陡壁右侧仍存在36 m×36 m的不稳定块体，如遭遇强降雨，极易顺坡面运动，再次发生灾害。

(4)后缘右侧高压电塔基础基岩已被崩塌体铲刮掏空，高压电塔处于不稳定状态，如再次发生崩塌灾害，高压电塔极易倒塌受损。

(5)斜坡中部残留大量巨石于松散堆积层上，巨石相距线路位置较高，势能较大，发生滑动、滚动及跳跃等可能性较大。

(6)冲沟内堆积大量松散崩塌堆积物，强降雨天气极易发生坡面泥石流次生灾害。

上述三维倾斜摄影分析结果，对K310+857突发高位岩体崩塌灾害采用以坡面清方、喷锚网、锚杆(索)框架梁、被动防护网、截排水沟等多种措施相结合的坡面整治方案设计、抢险施工组织安排提供了重要的技术支撑。

3.3 无人机长期监测结果分析

为确保抢险施工期、临时开通期行车安全，采用无人机倾斜摄影对坡体约1.5 km2区域范围进行航拍，施工期1次/1个月，运营期1次/2个月。通过人工对比分析多期三维影像，及时发现是否存在新增高位隐蔽灾害点。

目前已完成2019.9.9，2019.10.25，2019.11.19，2020.1.10共计4期无人机三维倾斜摄影，结果见图8。

图8 多期无人机倾斜摄影模型

从图8可以得出如下结论。

(1)2019.9.9期在崩塌体后缘发现1处裂缝，尚未贯通。在施工抢险期人工扰动、强降雨等因素影响下，有继续扩展的可能性，应加强该裂缝的变形观测。

(2)2019.10.25期在既有裂缝的下方发现1处清晰可见的拉裂缝，与2019.9.9期发现的裂缝夹角约45°，2条裂缝未贯通。初步判定为坡面清方人工扰动造成，后期应加强2条裂缝的变形观测；同时，从模型可以看出崩塌体周围较2019.9.9期无明显变形。

(3)从2019.11.19与2020.1.20两期三维倾斜摄影模型可以看出，2条裂缝的长度及宽度均无明显变化，崩塌体周围也无明显变形发生，说明其变形已趋于稳定。分析其原因为，2019.11.1日前已完成坡面清方及锚杆加固等工程措施，坡面已稳定，故变形未继续发生。

4 结论

本文全面介绍了无人机倾斜摄影测量技术的原理、系统构成及工作流程，针对实际应用过程倾斜摄影数据，研发了倾斜摄影数据及时共享的网络快速发布平台，并将全套技术应用于2019年8月14日成昆铁路K310+857高位岩体崩塌灾害调查及长期监测，得出如下结论。

(1)无人机倾斜摄影文件网络快速发布平台突破传统数据应用以单机、本地化管理的模式，通过构建虚拟化基础设施集群平台、瓦片数据存储及访问应用服务集群，实现TB级倾斜摄影成果文件高速存储及快速网络发布，可满足应急抢险时各方对现场高清影像异地、远程访问使用需求。

(2)将该套融合技术应用于成昆铁路K310+857高位岩体崩塌灾害调查，结果表明，三维倾斜模型精度、分辨率完全满足使用要求，且可根据三维倾斜摄影模型提取地质灾害关键形态参数，明确灾害特征，可为灾害防治方案设计、抢险施工组织安排提供可靠依据。

(3)将无人机倾斜摄影测量技术与文件网络快速发布技术用于成昆铁路K310+857高位岩体崩塌灾害长期监测，结果表明，该套技术可及时发现高位隐蔽隐患灾害点，并可通过多期对比观测，掌握裂缝变形发展规律，为评估施工影响以及临时开通期行车安全提供科学支撑。