三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)在高邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

朱永生，褚衛(wèi)江，張亞兵，李鵬飛

(1. 中國(guó)電建華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122；2.浙江中科依泰斯卡巖石工程研發(fā)有限公司，浙江杭州311122；3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110004；4. 中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng)550081)

在水利水電行業(yè)，工程規(guī)模和建設(shè)難度越來(lái)越大，尤其是分布在西南地區(qū)的水電開(kāi)發(fā)多位于高陡險(xiǎn)峻的“V”字型峽谷中，工程區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜地形地貌條件對(duì)傳統(tǒng)測(cè)繪、地質(zhì)調(diào)查手段或方法形成嚴(yán)峻考驗(yàn)，同時(shí)也催生了對(duì)新技術(shù)開(kāi)發(fā)與引進(jìn)的現(xiàn)實(shí)需求。目前，國(guó)內(nèi)外已獲得了一系列技術(shù)研發(fā)成果，如三維激光掃描、雙目三維重構(gòu)、三維數(shù)碼攝影測(cè)量等。

然而，上述技術(shù)都存在由底層環(huán)節(jié)所決定的缺陷，給推廣普及應(yīng)用形成障礙。三維激光掃描受安全激光功率限制、掃描距離和范圍有限，且特定材料對(duì)激光光源反射不夠敏感，會(huì)造成掃描范圍內(nèi)出現(xiàn)盲區(qū)等[1-2]；雙目三維重構(gòu)技術(shù)在巖體結(jié)構(gòu)面過(guò)于傾斜時(shí)容易造成較大誤差[3-5]。以上不足給這些新技術(shù)的推廣普及形成障礙。

作為近景攝影測(cè)量法的新生代技術(shù)，三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)近年來(lái)在地質(zhì)工程領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣泛應(yīng)用前景[6-7]。較之傳統(tǒng)近景攝影測(cè)量法，其技術(shù)關(guān)鍵主要在于引入了相機(jī)校驗(yàn)算法，使得采用非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行地質(zhì)測(cè)繪工作的構(gòu)想成為現(xiàn)實(shí)。除可以對(duì)復(fù)雜地形地貌實(shí)施非接觸性測(cè)繪；其次，該技術(shù)工作全過(guò)程數(shù)據(jù)媒介均表現(xiàn)為電子化成果，省去了外業(yè)紙質(zhì)成果數(shù)字化這一傳統(tǒng)工作方式所需的人力投入。不過(guò)，三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用也會(huì)受到工作條件影響，日照、通視條件等是需要主要的因素。

在地質(zhì)工程領(lǐng)域，在國(guó)際范圍內(nèi)已得到較普遍應(yīng)用的三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)產(chǎn)品主要包括Adam 3DM(含CalibCam、Analyst兩個(gè)軟件)、Sirovision以及3G&S。2006年美國(guó)針對(duì)不同開(kāi)發(fā)商提供測(cè)量技術(shù)組織了檢測(cè)試驗(yàn)，還包括激光掃描應(yīng)用測(cè)試和對(duì)比評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果表明，Adam數(shù)碼照相攝影測(cè)量技術(shù)更準(zhǔn)確、快捷與靈活，提供的模型質(zhì)量也更高。在目前階段國(guó)內(nèi)水利水電工程行業(yè)中，Adam 3DM系統(tǒng)已成功應(yīng)用于白鶴灘、錦屏二級(jí)、楊房溝、丹巴和烏東德等大型水電站建設(shè)的一系列邊坡、硐室和基坑工程中[8-9]。

本文以Adam 3DM系統(tǒng)為背景，介紹數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)的基本原理和應(yīng)用流程，并通過(guò)工程實(shí)例檢驗(yàn)其適用性和成果應(yīng)用，為高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查提供新的工作方法和研究思路。

1 三維數(shù)碼攝影測(cè)量工作原理

三維數(shù)碼攝影測(cè)量法的基本原理在于通過(guò)鑒別多張照片中相同目標(biāo)點(diǎn)，將透視中心和目標(biāo)點(diǎn)連線(xiàn)并反向投影得到其三維坐標(biāo)(圖1a)，進(jìn)而融合生成三維地形(DTM)和高程(DEM)模型，并據(jù)此開(kāi)展地質(zhì)信息數(shù)字化提取。透視中心坐標(biāo)X、Y和Z及偏轉(zhuǎn)角度ω、φ和κ(圖1b)采用“相對(duì)定位法”或“絕對(duì)定位法”經(jīng)“后方交會(huì)”計(jì)算處理得到。

“相對(duì)定位法”與“絕對(duì)定位法”的區(qū)別在于后者能夠準(zhǔn)確提供地質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等信息。工程實(shí)踐中常使用地質(zhì)羅盤(pán)測(cè)得產(chǎn)狀、標(biāo)尺長(zhǎng)度(以及其內(nèi)在的邊角關(guān)系)和控制點(diǎn)坐標(biāo)(人工控制點(diǎn)或拍攝站點(diǎn))等作為對(duì)攝影測(cè)量成果進(jìn)行“絕對(duì)定位”的參照依據(jù)。這些參照可組合使用，因此可形成表1五種常用的絕對(duì)坐標(biāo)系定義方法。方法A、E屬于“半絕對(duì)”定位方法，該適用于測(cè)算結(jié)構(gòu)面跡長(zhǎng)、產(chǎn)狀和間距等統(tǒng)計(jì)性信息而無(wú)需準(zhǔn)確獲得露頭點(diǎn)坐標(biāo)的情形，此時(shí)，位置點(diǎn)坐標(biāo)不具定位價(jià)值。在攝影測(cè)量測(cè)繪實(shí)踐應(yīng)用中，通常采用精度最高的絕對(duì)坐標(biāo)系定義法C，即通過(guò)全站儀精確測(cè)量巖面上的若干控制點(diǎn)(大于3)來(lái)控制獲得三維數(shù)字化模型成果的絕對(duì)坐標(biāo)。

表1 攝影測(cè)量中絕對(duì)坐標(biāo)系定義方法的比較

2 數(shù)碼攝影測(cè)量工作流程

攝影測(cè)量法地質(zhì)測(cè)繪的主要工作環(huán)節(jié)包括拍攝模式優(yōu)選、數(shù)碼圖像拍攝、鏡頭率定、照片融合、構(gòu)建三維數(shù)字化地形模型(DTM)、空間數(shù)據(jù)提取和數(shù)據(jù)利用等，見(jiàn)圖2。

首先根據(jù)擬調(diào)查原巖出露面的特點(diǎn)及調(diào)查目的確定拍攝焦距，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件確定拍攝角度、站點(diǎn)及拍攝方式等。拍攝完畢后應(yīng)用3DM CalibCam搜索照片像素匹配點(diǎn)(包括控制點(diǎn)來(lái)定義絕對(duì)坐標(biāo)系)，開(kāi)展“相對(duì)定位”或“絕對(duì)定位”操作來(lái)完成鏡頭率定和照片合成。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用3DM Analyst生成絕對(duì)(工程)坐標(biāo)系三維數(shù)字化模型并據(jù)此開(kāi)展地質(zhì)數(shù)據(jù)采集處理，如獲得地形信息，以及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、間距及尺寸分布等成果。

3 在如美水電站高邊坡中應(yīng)用

如美中壩址兩岸邊坡呈現(xiàn)中國(guó)西南地區(qū)典型的深切峽谷地貌(V字形)，近河床部位由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及河流的下蝕作用多形成陡坎或陡壁，對(duì)定量描述坡面結(jié)構(gòu)面信息造成了一定困難，可研階段采用3DM三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)陡峭高邊坡開(kāi)展了結(jié)構(gòu)面參數(shù)(產(chǎn)狀、跡長(zhǎng)、間距等)測(cè)繪與調(diào)查[10]。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

為高精度數(shù)字化邊坡地形模型生成及據(jù)此開(kāi)展工程坐標(biāo)系下的結(jié)構(gòu)面信息測(cè)繪采集，現(xiàn)場(chǎng)拍攝需依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地貌、氣候等條件和三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)遵循一般性原則開(kāi)展，確保照片能夠成功匹配合成，并合理選擇絕對(duì)定位方法和優(yōu)化布置參照物，以達(dá)到精度控制意圖，見(jiàn)表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的基本原則和精度控制

拍攝時(shí)間主要依據(jù)光照條件而定，以保證拍攝部位的可視性和恒定性，過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱的光照條件不利于照片自動(dòng)匹配，以及后續(xù)地質(zhì)信息的鑒別與采集處理。增大照片之間的重疊率可以幫助控制坐標(biāo)信息在照片間傳遞過(guò)程中的誤差，本次現(xiàn)場(chǎng)拍攝采用照片重疊率約為30%。受現(xiàn)場(chǎng)地形地貌和交通條件的限制，本次現(xiàn)場(chǎng)拍攝中左、右岸控制點(diǎn)的布置都以工作人員能安全抵達(dá)為首要原則，因此并沒(méi)有很好體現(xiàn)均勻布置的原則。不過(guò)，工作成果表明，Adam 3DM系統(tǒng)解譯依然可以獲得滿(mǎn)足精度要求的模型成果。對(duì)于控制點(diǎn)布置困難的情形，還可以采取其他替代方式，如在拍攝區(qū)域內(nèi)標(biāo)記明顯的固定地物(如凸起巖塊的頂端)等。

3.2 照片匹配合成與精度檢驗(yàn)

3.2.1照片匹配合成

在拍攝完照片以后，采用3DM CalibCam進(jìn)行照片匹配和三維合成，參與左、右岸模型構(gòu)建的照片數(shù)量分別為65、53張。參考圖3，以右岸高邊坡為例，圖3a、3b分別表示由程序匹配處理自動(dòng)識(shí)別得到的右岸像素點(diǎn)在某一張照片中的分布情況，以及針對(duì)圖3a框選范圍內(nèi)控制點(diǎn)的標(biāo)定操作處理示意。在完成照片自動(dòng)匹配和控制點(diǎn)標(biāo)定后，再通過(guò)照片拼接功能將左、右岸照片分別合并為一張，最后依據(jù)控制點(diǎn)進(jìn)行“絕對(duì)定位”，將其歸位至真實(shí)坐標(biāo)空間，獲得圖3c、3d所示工程坐標(biāo)系下左、右岸三維數(shù)字化地形模型。

3.2.2精度檢驗(yàn)

通過(guò)照片合成得到的數(shù)字化模型的精度通常從以下3個(gè)方面來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)：①照片像素點(diǎn)匹配過(guò)程中生成的有效地形數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量(數(shù)據(jù)點(diǎn)越多，越能保證精度)；②照片合成控制點(diǎn)坐標(biāo)或產(chǎn)狀等指標(biāo)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差別；③各照片匹配點(diǎn)最大均方根(即多少像素)控制及精度計(jì)算。其中，方法①是體現(xiàn)軟件系統(tǒng)精度和能力的基本指標(biāo)，方法②則為控制或保證測(cè)量精度的最有效途徑。

以如美中壩址區(qū)右岸為例，照片合成產(chǎn)生的數(shù)據(jù)點(diǎn)超過(guò)400萬(wàn)個(gè)，見(jiàn)圖4。考慮調(diào)查邊坡面積約為12萬(wàn)m2(400 m×300 m)，每平方米產(chǎn)生的控制點(diǎn)控制點(diǎn)達(dá)33.3個(gè)。就數(shù)據(jù)點(diǎn)密度而言，這一精度相當(dāng)或高于激光掃描地形測(cè)量。右岸控制點(diǎn)收點(diǎn)數(shù)實(shí)際為6個(gè)，表3比較了右岸控制點(diǎn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，以及兩者之間的殘差，X和Y的正值分別表示正東和正北方位，小數(shù)點(diǎn)前只保留了4位數(shù)字，Z表示高程。其中，1、3、6號(hào)點(diǎn)X坐標(biāo)誤差相對(duì)較大，最大達(dá)到0.16 m，其余都在厘米量級(jí)，滿(mǎn)足地質(zhì)測(cè)繪的要求。結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀可由3點(diǎn)(和3點(diǎn)以上)坐標(biāo)計(jì)算獲得，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的精度也因此同時(shí)得到保證。

表3 右岸三維模型合成過(guò)程中控制點(diǎn)殘差單位：m

3.3 成果解譯與應(yīng)用

三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)可以為工程生產(chǎn)或科研等不同用途提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，成果表現(xiàn)方式也因此較為多樣。將數(shù)字化地形成果導(dǎo)入后，地質(zhì)信息相關(guān)解譯處理工作通過(guò)3DM Analyst軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3.1基本應(yīng)用

作為一種工程技術(shù)，三維數(shù)碼照相技術(shù)的直接作用是可以幫助進(jìn)行地表測(cè)量、快速地質(zhì)編錄，變形監(jiān)測(cè)等日常性基礎(chǔ)資料的收集，成果內(nèi)容主要包括對(duì)應(yīng)于拍攝時(shí)刻的地形測(cè)繪成果，結(jié)構(gòu)面編錄成果(露頭點(diǎn)坐標(biāo)、產(chǎn)狀)，成果表現(xiàn)方式一般是等高線(xiàn)、赤平投影等日常性制圖成果。

等高線(xiàn)是用于表示地形地貌最為廣泛的方法之一，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀也是地質(zhì)調(diào)查需獲得的另一項(xiàng)基本地質(zhì)參數(shù)。在傳統(tǒng)地質(zhì)作業(yè)中，等高線(xiàn)可通過(guò)野外測(cè)繪勾繪或利用航空立體測(cè)量數(shù)據(jù)內(nèi)插得到，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀一般采用地質(zhì)羅盤(pán)量測(cè)獲得。傳統(tǒng)方法的共同特點(diǎn)是費(fèi)事費(fèi)力，在西部水電工程建設(shè)中往往還受險(xiǎn)峻地形限制出現(xiàn)缺乏工作條件的情況。Adam 3DM三維攝影測(cè)量技術(shù)為上述問(wèn)題的解決提供了有效手段。其中，等高線(xiàn)由程序等高線(xiàn)處理功能自動(dòng)得到(輸入高程范圍與采集高程間隔即可)，程序內(nèi)置的結(jié)構(gòu)面描述方法則較為多樣，主要含有線(xiàn)條、圓盤(pán)兩種幾何對(duì)象編輯工具以反映結(jié)構(gòu)面形態(tài)(跡線(xiàn)、節(jié)理面)，同時(shí)幫助定量提取跡長(zhǎng)與產(chǎn)狀等指標(biāo)數(shù)據(jù)。以如美中壩址左岸邊坡代表性區(qū)域?yàn)槔瑘D5a給出了對(duì)數(shù)字化地形成果中的結(jié)構(gòu)面露頭進(jìn)行人工鑒別，再利用交互式線(xiàn)條編輯功能經(jīng)人工勾繪得到結(jié)構(gòu)面跡線(xiàn)在左岸高邊坡中的展布情況。程序可依據(jù)結(jié)構(gòu)面編錄成果進(jìn)行赤平投影制圖，以幫助進(jìn)行結(jié)構(gòu)面分布統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)圖5b。由此可見(jiàn)，左岸邊坡主要分布有4組優(yōu)勢(shì)性結(jié)構(gòu)面，其中2組陡傾、近乎正交，其余2組呈緩傾分布。

3.3.2拓展應(yīng)用

Adam 3DM具有將編錄成果數(shù)據(jù)導(dǎo)出為指定格式外部文件(AutoCAD、表單數(shù)據(jù))的功能，為工程設(shè)計(jì)甚至是基礎(chǔ)性研究與分析提供參數(shù)。其中，結(jié)構(gòu)面編錄成果相關(guān)拓展應(yīng)用在實(shí)踐中更為普遍。在對(duì)結(jié)構(gòu)面編錄成果作針對(duì)性分析、得到分布特征的統(tǒng)計(jì)參數(shù)后，可幫助進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)、構(gòu)建精細(xì)化巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型，開(kāi)展結(jié)構(gòu)面影響相關(guān)巖體力學(xué)特性和巖體穩(wěn)定性數(shù)值模擬等多層次研究或應(yīng)用。

以左岸為例，將圖5a中結(jié)構(gòu)面跡線(xiàn)長(zhǎng)度輸出為外部文本文件，對(duì)其數(shù)據(jù)做Excel統(tǒng)計(jì)處理后得到圖6第一組優(yōu)勢(shì)性結(jié)構(gòu)面的跡長(zhǎng)和頻率分布成果，可見(jiàn)該組結(jié)構(gòu)面跡長(zhǎng)大致服從冪率型統(tǒng)計(jì)分布特征，據(jù)此可得到節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建所需的跡長(zhǎng)描述性參數(shù)。

中壩址邊坡在歷史上經(jīng)受過(guò)復(fù)雜的凍融、風(fēng)化卸荷等自然營(yíng)力作用，邊坡多處分布有碎裂松動(dòng)巖體。以左岸某松動(dòng)巖體為例，將圖7、表4中用于描

述結(jié)構(gòu)面形態(tài)與產(chǎn)狀的圓盤(pán)信息(位置、直徑和產(chǎn)狀)輸出至外部文本文件，結(jié)合利用三維地質(zhì)模型軟件GoCAD和Excel處理得到其局部結(jié)構(gòu)面分組、間距及其塊體體積分布情況。

表4 中壩址左岸碎裂松動(dòng)巖體描述

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示，傾倒是如美壩址區(qū)右岸卸荷的重要機(jī)制，較之小灣、拉西瓦等工程中邊坡出現(xiàn)的硬巖傾倒破壞，如美壩址區(qū)出現(xiàn)的傾倒特征不符合一般規(guī)律、表現(xiàn)更為復(fù)雜，給正確認(rèn)識(shí)問(wèn)題的內(nèi)在機(jī)制造成困難。以傳統(tǒng)測(cè)繪與本次攝影測(cè)量工作所得結(jié)構(gòu)面分布特征的統(tǒng)計(jì)性參數(shù)為條件，圖8表示據(jù)此利用離散單元法程序UDEC構(gòu)建得到、含隨機(jī)節(jié)理網(wǎng)絡(luò)的數(shù)值分析模型，并開(kāi)展邊坡巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的示意性成果。依據(jù)變形分布可見(jiàn)，兩岸歷史卸荷變形主要受工程區(qū)普遍發(fā)育的兩組陡傾結(jié)構(gòu)面控制，由于緩傾結(jié)構(gòu)面具有相對(duì)明顯的斷續(xù)分布特征，其對(duì)邊坡變形穩(wěn)定性影響不顯著，且右岸傾倒變形現(xiàn)象得以正確反映。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)Adam 3DM三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)的基本原理和工作步驟等環(huán)節(jié)進(jìn)行了闡述，并將其應(yīng)用到如美水電站陡峻高邊坡地質(zhì)調(diào)查工作中。研究成果證明，攝影測(cè)量技術(shù)是一種快速、精確、應(yīng)用方便的地質(zhì)素描新方法。其主要優(yōu)點(diǎn)首先在于突破了地形地貌對(duì)地質(zhì)測(cè)繪工作的限制，使地質(zhì)工作者能夠方便地從整體和局部?jī)煞矫骅b別高邊坡地質(zhì)信息特別是結(jié)構(gòu)面分布特征;其次，應(yīng)用成果豐富多樣，可以為不同意圖和多層次應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)保障，同時(shí)在降低人工成本及保障員工人身安全方面具有現(xiàn)實(shí)意義。