利用Rocscience软件研究冻融侵蚀对岩质边坡稳定性影响
在位于加拿大安大略省汉密尔顿的Devil’s Punchbowl，一处几近垂直的沉积岩峡谷及其著名瀑布所在之地，西安大略大学（Western University）的研究团队正开展一项关于冻融侵蚀对岩质边坡稳定性影响的研究。
该团队利用基于无人机的摄影测量技术和激光雷达（LiDAR），在冻融循环的不同阶段对现场进行数据采集。每组照片都通过ShapeMetriX软件重建为三维模型，后续将导入Slide3、RocSlope3和RocFall3中进行分析，充分展示了Rocscience集成软件套件在岩质边坡稳定性评估中的优势与洞察力。
Devil’s Punchbowl 概况
Devil’s Punchbowl位于尼亚加拉断崖（Niagara Escarpment）之上，是一处高达37米的带状瀑布，其岩层色彩斑斓、清晰裸露，可追溯至4.5亿年前的沉积地层。这一地貌是在上一个冰期末期由冰川融水雕刻形成的。如今，这里已成为热门的徒步旅行目的地，峡谷中有多条步道通向谷底。
图1. Devil’s Punchbowl, 加拿大安大略省汉密尔顿（图片来源：汉密尔顿保护局）
研究团队选择此处作为研究站点主要有两个原因：
1.该区域具有显著的侵蚀与边坡失稳迹象，如从垂直岩壁渗出的地下水及坡脚处堆积的岩屑堆（talus），渗水在冬季可能结冰，春季再融化；
2.岩质边坡裸露，便于采用摄影测量技术对坡面几何形态进行测量，不受植被干扰。
现场数据采集：摄影测量与LiDAR
为了在冻融循环的不同时期获取坡面几何数据，研究团队使用了DJI Matrice 300无人机，并配备了分别用于摄影测量与激光雷达扫描的载荷。
摄影测量与LiDAR都是遥感技术，能生成现实世界的三维模型。前者通过拍摄大量重叠的二维图像构建模型，而后者则通过激光测距获取点云数据，反映坡面的空间形态。
无人机定位依靠与全球导航卫星系统（GNSS）连接的RTK基站提供地理参考信息，确保飞行路径及采集数据的空间位置准确。
图2. 搭载摄影测量与LiDAR载荷的DJI Matrice 300无人机
图3. 无人机飞行中扫描坡面几何形态
数据采集分别在以下冻融阶段进行：
2024年11月15日：瀑布水流通畅
2024年12月2日：瀑布部分结冰
2025年1月23日：瀑布完全结冰
预计在4月或5月再进行一次采集以获取融化后的数据。团队计划共生成8个模型（即4个时间点 × 2种遥感方式），并对每个模型进行稳定性分析，以评估冻融过程中边坡稳定性的变化。
数据处理流程
西安大略大学团队使用ShapeMetriX对摄影测量数据进行三维建模。虽然ShapeMetriX也支持LiDAR数据处理，但团队的激光雷达设备配有专用软件生成点云，因此另行处理。
每组摄影测量数据包含大约1800张.png格式照片，覆盖范围约为70米 × 30米。照片导入ShapeMetriX的MultiPhoto模块后，系统通过位置信息自动拼接图像并构建三维网格和表面纹理。
图4. ShapeMetriX MultiPhoto模块，用于拼接照片生成三维模型和表面纹理
图5. ShapeMetriX ModelEditor模块，用于清理和裁剪三维模型
由于边缘区域数据稀疏，模型周边常存在空洞或不完整的面。ModelEditor模块可用于清除浮动碎片并裁剪模型边界。
团队还计划使用ShapeMetriX的Analyst模块中的构造面测绘功能，提取不连续面模型。在完成表面纹理和三维模型重建后，研究人员可标注各构造面的空间位置、方位与表观尺寸等几何信息。
图6. 使用ShapeMetriX Analyst模块进行构造面测绘的示例，采用引导追踪和面积定义工具
三维模型的应用
尽管项目尚未进入建模阶段，团队计划在Rocscience软件套件中应用这些三维模型开展多种边坡稳定性评估。
Slide3中的整体稳定性分析
ShapeMetriX生成的三维边坡模型将导入Slide3作为几何输入，已识别的构造面将以.dxf文件形式导入作为薄弱面，使不连续结构得以显式建模。尽管层面可以清晰识别，垂直结构（如石灰岩中）仍需进行假设建模。Slide3可用于搜索临界滑动面并计算各模型的安全系数。
RocSlope3中的块体稳定性分析
若在结构面测绘过程中识别出有利于楔形破坏或平面破坏的结构组合，可在RocSlope3中进行三维块体稳定性分析。
ShapeMetriX与RocSlope3高度集成。三维坡面表面文件（.3grs）导入RocSlope3后可自动生成坡体体积。不连续面可以作为几何面（.dxf）导入并赋予剪切强度参数，也可以作为测量构造面导入，输入倾角、倾向、位置及尺寸（假设为圆形）信息。
RocSlope3通过极限平衡法分析由构造面交汇形成的块体，计算其滑动、抬升与坠落的安全系数。
图7. RocSlope3中ShapeMetriX导入功能，自动生成三维坡体体积
RocFall3中的落石风险评估
最后，在Slide3或RocSlope3中识别的不稳定区域可以在RocFall3中设为落石起始区，进行三维落石风险评估。
Slide3和RocSlope3中使用的坡面几何可无缝导入RocFall3。落石的属性可基于现场的岩屑分布及RocSlope3中得到的块体体积分布。落石风险评估结果将用于为汉密尔顿保护局提供风险管理建议，以决定是否需要采取保护措施。
图8. 最终三维模型兼容Slide3、RocSlope3、RocFall3及其他Rocscience三维产品
三维模型构建与地质构造测绘如今变得前所未有地便捷高效。我们希望本文能够为您阐明，基于无人机的三维建模技术结合Rocscience软件套件，如何切实支持冻融侵蚀与岩质边坡稳定性方面的实际研究工作。
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