一种高陡边坡危岩运动轨迹测量及坡段参数计算方法
技术领域
本发明涉及边坡防治领域，具体是一种高陡边坡危岩运动轨迹测量及坡段参数计算方法，可准确测量危岩实时运动轨迹和速度，计算边坡的滚动摩擦系数和碰撞恢复系数，准确模拟危岩的运动轨迹。
背景技术
边坡危岩运动研究主要分为两种方法：以试验为主的经验方法和以数学计算为主的理论方法。室内物理模型试验存在模型材料难以反映实际岩体参数的局限性，相比而言，现场试验研究具有准确、客观等特点，是确定危岩运动计算中基本物理参数的重要手段。现有的现场试验技术均在危岩上安装传感器，通过记录传感器的位置来获取危岩的运动轨迹。由于危岩在运动过程中的速度较大，特别是在高陡边坡中，危岩与岩面的撞击极易导致传感器损坏或失效。另外，现有的危岩预警技术如光敏式传感器或九轴传感器等均不能获取危岩的动态轨迹及速度。
理论计算方法主要是采用计算机软件如Rockfall辅助模拟危岩的运动轨迹，边坡不同坡段的滚动摩擦系数Rf、法向恢复系数RN和切向恢复系数RT是决定模拟结果的重要参数，以上三个参数主要是根据边坡坡面的地质力学性质进行经验估算，使得数值模拟结果具有很大的不确定性。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提出一种高陡边坡危岩运动轨迹测量及坡段参数计算方法，能高效、准确测量危岩实时运动轨迹和速度，进而通过公式反算边坡不同坡段的滚动摩擦系数和碰撞恢复系数，极大提高危岩运动模拟的准确性和可靠性。
本发明采用的技术方案如下：
一种高陡边坡危岩运动轨迹测量及坡段参数计算方法，包括如下步骤：
步骤一、利用无人机对目标边坡进行地形扫描，根据无人机扫描的图片建立目标边坡的三维点阵模型，根据三维点阵模型辨识危岩潜在发育的区域并初步判断危岩潜在的运动轨迹；
步骤二、根据步骤一所得危岩潜在的运动轨迹在边坡不同高程分别设置无人机机群，然后在边坡表面释放危岩，无人机机群实时拍摄危岩运动中的照片，通过双目立体视觉原理计算危岩的动态轨迹并获得危岩的位置，绘制危岩的运动轨迹～时间关系图；
步骤三、计算危岩运动轨迹上的实时速度；
步骤四、根据危岩运动轨迹上的实时速度反算边坡不同坡段的滚动摩擦系数和碰撞恢复系数。
进一步的，所述步骤一中在目标边坡附近设置为无人机提供定位信息的RTK基准站，通过与无人机无线通信的电脑控制无人机对危岩所在边坡进行扫描，根据无人机扫描的图片采用3D建模软件建立目标边坡的三维点阵模型。
进一步的，所述步骤二具体实施过程包括：
步骤201、设置无人机机群
无人机机群根据步骤一所得危岩潜在的运动轨迹的左右两侧，边坡每间隔50m高程设置两个无人机，无人机与地面的垂直距离50m，无人机间距50m，RTK基准站与无人机连接进行定位，操控电脑与无人机连接进行控制；
步骤202、危岩释放与实时测量
危岩选自于目标边坡坡脚散落岩块，采用另外一台无人机悬吊危岩于指定区域进行投放，测量用的无人机采用连拍方式连续获取危岩高清实时位置图像；
步骤203、危岩轨迹计算与绘制
同一高程的两个无人机组成双目立体视觉的双目，基于同一时刻获取的高清图像，采用双目视觉测距原理获取危岩的三维坐标，记录好每个三维坐标与时间的对应关系，在目标边坡三维点阵模型上绘制危岩运动轨迹的散点图，根据散点图的路径截取含目标边坡地形和危岩运动轨迹散点图的二维剖面，散点图上散点附带有时间信息，进而绘制出危岩的运动轨迹～时间关系图。
进一步的，所述步骤三计算危岩运动轨迹上的实时速度具体包括：
危岩运动模式分为滚动模式和弹跳模式，滚动模式的运动轨迹为直线，弹跳模式的运动轨迹为抛物线；
对于滚动模式，其运动轨迹为直线：
危岩滚动模式下沿直线运动速度的计算公式如下：
V、Δt分别为滚动模式下沿直线的任意时刻速度和从起始点运动起算的相对时间；ΔS、ΔT分别为滚动模式下沿直线的总位移、总时间；ΔT0.5、ΔT0.25别为滚动模式下沿直线总位移1/2处、1/4处的相对时间；
对于弹跳模式，其运动轨迹为抛物线：
抛物线运动轨迹根据初始运动方向的不同为斜上抛运动和斜下抛运动，斜抛运动水平方向做匀速直线运动，竖直方向运动分为：加速度为-g的减速运动、加速度为g的加速运动或减速～加速复合运动；
抛物线运动轨迹水平方向的速度保持不变，水平方向速度的计算公式：
VX、ΔSX、ΔT分别为弹跳模式下抛物线的水平方向速度、总位移和总时间；
抛物线运动轨迹竖直方向的速度随时间而变化，根据运动轨迹的不同，三种不同运动轨迹的计算方法分述如下：
(1)对于单一加速运动的斜下抛运动，任一时刻竖直方向速度的计算公式：
VY、ΔSY、ΔT分别为弹跳模式下抛物线的水平方向速度、总位移和总时间，Δt为弹跳模式中从起跳点运动起算的相对时间；
(2)对于单一减速运动的斜上抛运动轨迹，任一时刻竖直方向速度的计算公式：
VY、ΔSY、ΔT分别为弹跳模式下抛物线的水平方向速度、总位移和总时间，Δt为弹跳模式中从起跳点运动起算的相对时间；
(3)对于加速～减速复合运动的斜上抛运动，以危岩2斜上抛最高点为分界点，将运动轨迹分为单一加速运动和单一减速运动，然后分别采用(1)和(2)计算公式进行计算。
进一步的，所述步骤四具体包括：
危岩滚动模式下的坡面滚动摩擦系数计算公式：
Rfi、θi为第i段坡面滚动摩擦系数和坡角，Vsta、Vend、ΔS分别为滚动模式下沿直线运动的起始速度、终点速度和总位移；
危岩弹跳模式下的坡面碰撞恢复系数计算公式：
法向恢复系数计算公式：
RNi＝(VYAcosθi-VXAsinθi)/(VYBcosθi-VXBsinθi)
切向恢复系数计算公式：
RTi＝(VYAsinθi+VXAcosθi)/(VYBsinθi+VXBcosθi)
RNi、RTi为第i段坡面法向、切向恢复系数，VXB、VYB分别为第i段坡面危岩碰撞前的水平方向、竖直方向速度，VXA、VYA分别为第i段坡面危岩碰撞后的水平方向、竖直方向速度，θi为第i段坡面的坡角。
进一步的，对于危岩没有发生滚动运动的坡段，该坡段危岩滚动模式下的坡面摩擦系数无法解算，采用无人机悬吊危岩至该坡段表面释放，使危岩先在该坡段发生直线运动，并计算其滚动摩擦系数；
对于危岩没有发生弹跳运动的坡段，该坡段危岩弹跳模式下的坡面碰撞恢复系数无法解算，采用无人机悬吊危岩至该坡段表面一定高度释放，使危岩先在该坡段发生弹跳运动，并计算其碰撞恢复系数。
本发明所达到的有益效果如下：
1、本发明采用RTK基准站对无人机进行厘米级定位，两个无人机从不同的位置连续获取危2的图像，并基于双目视觉原理计算危岩运动过程中的实时位置，可连续测量并记录危岩运动的动态轨迹，具有较强的实用性和可操作性；
2、本发明提出了通过危岩运动的动态轨迹计算危岩动态速度的公式和方法，准确计算不同高程的危岩冲击能量，便于精准评估危岩的危害程度并设置防护栅栏的位置及型号；
3、本发明提出了通过危岩动态速度计算边坡不同坡段参数的公式和方法，相比经验估算，能极大提高危岩运动模拟的准确性和可靠性。
附图说明
图1为本发明危岩运动轨迹测量系统的结构示意图；
图2为本发明危岩运动轨迹描述示意图；
图3为本发明危岩运动速度描述示意图；
图4为本发明无人机悬挂危岩时的示意图；
图5为本发明滚动运动模式下坡面滚动摩擦系数计算示意图；
图6为本发明弹跳运动模式下坡面碰撞恢复系数计算示意图。
图中：1—边坡，2—危岩，3—无人机，4—危岩运动轨迹，5—RTK基准站，6—计算机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种高陡边坡危岩运动轨迹测量及坡段参数计算方法，包括如下步骤：
步骤一、利用无人机对目标边坡进行地形扫描，根据无人机扫描的图片建立目标边坡1的三维点阵模型，根据三维点阵模型辨识危岩潜在发育的区域并初步判断危岩潜在的运动轨迹。
具体的，在目标边坡附近设置RTK基准站5，RTK基准站5用于为无人机3提供精准定位。无人机3连接上RTK基准站5后，通过与无人机无线通信的电脑6控制无人机3对危岩2所在边坡1进行扫描，根据无人机3扫描的图片，采用3D建模软件建立目标边坡1的三维点阵模型，根据三维点阵模型人工辨识危岩潜在发育的区域并初步判断危岩2潜在的运动轨迹。
步骤二、根据步骤一所得危岩2潜在的运动轨迹在边坡1不同高程分别设置无人机机群，然后在边坡1表面释放危岩2，无人机机群实时拍摄危岩2运动中的照片，通过双目立体视觉原理计算危岩2的动态轨迹获得危岩2的位置，绘制危岩2的运动轨迹～时间关系图。
所述步骤二具体实施过程如下：
步骤201、设置无人机机群：
无人机机群根据步骤一所得危岩2潜在的运动轨迹的左右两侧，边坡1每间隔50m高程设置两个无人机3，无人机3与地面的垂直距离50m，无人机3间距50m。RTK基准站5与无人机3连接进行定位，操控电脑6与无人机3连接进行控制。
步骤202、危岩2释放与实时测量：
危岩2选自于目标边坡1坡脚散落岩块，为便于图像识别，需在危岩1块表面涂抹上红色涂层胶。采用另外一台无人机3悬吊危岩2于指定区域进行投放(如图4所示)，测量用的无人机3采用连拍方式连续获取危岩2高清实时位置图像。
步骤203、危岩2轨迹计算与绘制：
同一高程的两个无人机3组成双目立体视觉的双目，基于同一时刻获取的高清图像，采用双目视觉测距原理获取危岩2的三维坐标，记录好每个三维坐标与时间的对应关系。在目标边坡1三维点阵模型上绘制危岩2运动轨迹4的散点图，根据散点图的路径截取含目标边坡地形和危岩2运动轨迹4散点图的二维剖面，散点图上散点附带有时间信息，进而绘制出危岩2的运动轨迹～时间关系图，如图2所示，危岩运动轨迹连续、不间断，可准确获取危岩运动过程中的动态定位信息。
步骤三、计算危岩2的运动轨迹上的实时速度：
危岩2运动模式可分为滚动模式和弹跳模式，对应地，滚动模式的运动轨迹为直线，弹跳模式的运动轨迹为抛物线。
对于滚动模式，其运动轨迹为直线：
危岩2滚动模式下沿直线运动速度的计算公式如下：
V、Δt分别为滚动模式下沿直线的任意时刻速度和从起始点运动起算的相对时间；ΔS、ΔT分别为滚动模式下沿直线的总位移、总时间；ΔT0.5、ΔT0.25别为滚动模式下沿直线总位移1/2处、1/4处的相对时间。
对于弹跳模式，其运动轨迹为抛物线：
抛物线运动轨迹根据初始运动方向的不同可分为斜上抛运动和斜下抛运动，斜抛运动水平方向做匀速直线运动，竖直方向运动可分为：加速度为-g的减速运动、加速度为g的加速运动或减速～加速复合运动。
抛物线运动轨迹水平方向的速度保持不变，水平方向速度的计算公式：
VX、ΔSX、ΔT分别为弹跳模式下抛物线的水平方向速度、总位移和总时间。
抛物线运动轨迹竖直方向的速度随时间而变化，根据运动轨迹的不同，三种不同运动轨迹的计算方法分述如下：
(1)对于单一加速运动的斜下抛运动，任一时刻竖直方向速度的计算公式：
VY、ΔSY、ΔT分别为弹跳模式下抛物线的水平方向速度、总位移和总时间，Δt为弹跳模式中从起跳点运动起算的相对时间。
(2)对于单一减速运动的斜上抛运动轨迹，任一时刻竖直方向速度的计算公式：
VY、ΔSY、ΔT分别为弹跳模式下抛物线的水平方向速度、总位移和总时间，Δt为弹跳模式中从起跳点运动起算的相对时间。
(3)对于加速～减速复合运动的斜上抛运动，以危岩2斜上抛最高点为分界点，把运动轨迹分为单一加速运动和单一减速运动，然后分别采用上述计算公式进行计算。
如图3所示，通过上述计算公式，可准确获取危岩运动轨迹上的实时速度，准确计算不同高程的危岩冲击能量，便于精准评估危岩的危害程度并设置防护栅栏的位置及型号。
步骤四、根据危岩2运动轨迹上的实时速度反算边坡不同坡段的滚动摩擦系数和碰撞恢复系数。
危岩2滚动模式下的坡面滚动摩擦系数计算公式(如图5所示)：
Rfi、θi为第i段坡面滚动摩擦系数和坡角，Vsta、Vend、ΔS分别为滚动模式下沿直线运动的起始速度、终点速度和总位移。
危岩2弹跳模式下的坡面碰撞恢复系数计算公式(如图6所示)：
法向恢复系数计算公式：
RNi＝(VYAcosθi-VXAsinθi)/(VYBcosθi-VXBsinθi)
切向恢复系数计算公式：
RTi＝(VYAsinθi+VXAcosθi)/(VYBsinθi+VXBcosθi)
RNi、RTi为第i段坡面法向、切向恢复系数，VXB、VYB分别为第i段坡面危岩碰撞前的水平方向、竖直方向速度，VXA、VYA分别为第i段坡面危岩碰撞后的水平方向、竖直方向速度，θi为第i段坡面的坡角。
对于危岩2没有发生滚动运动的坡段，该坡段危岩2滚动模式下的坡面摩擦系数无法解算，可采用无人机3悬吊危岩2至该坡段表面释放，使危岩2先在该坡段发生直线运动，并计算其滚动摩擦系数。
对于危岩2没有发生弹跳运动的坡段，该坡段危岩2弹跳模式下的坡面碰撞恢复系数无法解算，可采用无人机3悬吊危岩2至该坡段表面一定高度释放，使危岩2先在该坡段发生弹跳运动，并计算其碰撞恢复系数。
通过上述计算公式，可准确计算滚动模式或弹跳模式下不同坡段的滚动摩擦系数或碰撞恢复系数，准确模拟未知危岩的潜在危害程度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
