学术前沿 | Landslide 四足滑坡调查机器人:交互式和可持续地质灾害调查

学术   2024-11-29 08:03   陕西  

滑坡研究目前正在经历一场由自动化平台推动的技术革命。基于遥感技术的协同观测和智能解释已被集成到滑坡预警系统中,在动态演变模拟和概率预报方面显示出优势。然而,地面观测仍然不可或缺地进行大量劳动,以解决随机自然条件并获得准确的定量信息,尤其是在以频繁和多样化的人类活动为特征的城市地区。本研究初步研究了机器人技术与遥感技术的整合,以确定诱发因素并提高滑坡野外调查的自动化程度。我们提出了一种采用四足机器人进行野外调查的滑坡机器人原型,旨在减少劳动力消耗并降低潜在风险,同时增强可持续感知并提高地质灾害监测中的交互式自动化。我们的结果表明,基于四足机器人勘探获得的高密度点云数据,通过细致的轨迹编目和地貌语义成分的统计分析,对岩石边坡进行数字化表征是可行的。
遥感技术与天-空-地-滑坡调查策略相结合,并结合由 (a) 地形激光扫描仪 (TLS)、(b) 移动激光扫描仪 (MLS)、(c) 在线处理箱、(d) 综合导航系统 (INS) 和 (e) 相机传感器组装的现场四足机器人。组装好的集成模块在机器人上用灰色虚线标记
基于大比例尺卫星图像的研究区域的综合地理和历史描述。a 该地区的地形变化和基础设施分布,包括 2020 年建造的一条 2.5 公里长的隧道,山区路段长 500 米。b-e 该地区 2004 年至 2022 年的土地覆盖率变化。f 通过该地区的横截面分析,山脉剖面 1-1。g 掉落的花岗岩取样。h 隧道施工期间的山体挖掘
2020 年基于 Sentinel-1 卫星数据的 InSAR 技术对斜坡的时间位移。a 累积位移作为六个成对采样点之间的相对差异,表示为 1-1' 到 6-6',位于隧道以南的场点 2 附近。b 在隧道区域采样的三对点的相应序列,标记为 7-7' 到 9-9'。c 该地区的年位移和样本点的分布

关于调查任务和导航机器人集成的设计理由。a 运动规划中与 ROS 相关的主题图示。b 用于原位观察地形激光扫描 (TLS) 数据的图形模型,以及基于即时交互式传感器的图像和点云进行实时定位和建图的处理流程

四足机器人在户外运动和探索的交互图。ab 研究者根据对场景的先验知识建立观察任务节点。c 规划并导航机器人到任务的目标位置。d 在运动中,机器人会持续感知周围环境并有效避开已识别的障碍物。e 垂直变化场景中的三维占用网格,其中绿色网格表示机器人的通行区域。f 使用 3D 占用网格图进行机器人运动规划

对滑坡中与灾害相关的组成部分的语义感知技术调查了观测结果。a 原位观测的全景立方体模型。b 使用对象检测和语义分割对滑坡情景特征的感知。c 集成对点云按强度着色的灾害语义组件的分析

协作四足机器人和无人驾驶车辆 (UAV) 在滑坡现场调查中的应用。a 在无人机的摄像头视图中实时检测到四足机器人,并根据地理参考边界框的变换引导向斜坡脚下移动。b 机器人穿过茂密的森林并执行自动调平,以在斜坡地形 (≥ 32°) 上保持平衡 (≤ 4°)。c 对情景进行原位观察,同时发现落石灾害,获得丰富的彩色点云,然后以 (d) 情景的全景立方体的形式组织这些点云

四足机器人和无人机对斜坡场景的协作描述。a 整个区域的 DSM 和 DOM 是根据机载观测重建的。b 显示了四足机器人通过原位观察获得的体积密度为 R = 0.1 m 的点云数据,以及其在斜坡脚附近的相应勘探路径。c 同样,在与机器人相同范围内,距离无人机覆盖的子区域的体积密度为 R = 0.1 m 的点云数据也被描绘了

机载 (a, b) 和机器人 (c, d) 观测的颜色和相对高度区域点云的比较

处理地质灾害现场的点云分割。原始点云源。b 使用语义组件重新组装场景。悬崖 c、树 d 和地面 e 的点云切片上的分段

地质灾害现场以及语义分割的示例结果。a 这个地方可以看到倒下的树木和岩石,特别是倾斜的树木,以及扎根在悬崖上的植被。b 原始点云数据在进行语义分割之前描绘了茂密的树木和被覆盖的悬崖。该颜色表示距俯视图 0 到 30 m 的相对高度。c-e 从原位观察中获得的图像,用于交叉验证和交互式判断

长悬崖的变形区。a 将场景点云语义分割为悬崖、地面和高色植被。b 确定了检测到的悬崖上的潜在裂缝,其中三个被专门标记用于目视调查交叉验证。c 悬崖的照片附有标明岩石裂缝的标签。d-f 与绿色、黄色和红色标记的岩石对应的重建岩石表面从左到右显示

在野外地点 1 和 2 使用低空无人机进行近距离空中观测。a 在野外地点 1 的调查,展示了悬崖上的三种典型结构:b 雨水引起的不均匀侵蚀,(c) 典型的陡峭逆冲断层,以及 (d) 裸露表面的风化纹理。e 在野外地点 2 进行调查,其中 (f) 观察到重叠结构中岩石之间的明显间隙,(g) 在隧道山的下方和上方发现了恢复活力的植被,以及 (h) 山顶上存在零散的岩石

四足机器人贡献的简要总结。a 山体滑坡机器人任务的可能任务。b 四足机器人技术在应对 NATECH 风险方面的潜在能力

尽管机器人技术发展迅速,但在专业要求和相应技术之间取得合理的平衡仍然至关重要。目前这项工作的工作致力于基础方面,例如在滑坡调查的背景下进行机器人改造和观测集成。在未来的工作中,在协调任务规划、交叉分析和验证以及进一步的动态改进方面仍有很大的进步空间。

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