成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室 董秀軍

徠卡測量系統(tǒng)(上海)技術(shù)中心 戚萬權(quán)

徠卡ScanStation2激光掃描儀在水電工程地質(zhì)編錄中的應(yīng)用

成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室 董秀軍

徠卡測量系統(tǒng)(上海)技術(shù)中心 戚萬權(quán)

一、引 言

隨著社會發(fā)展對能源需求的與日俱增，近年來我國水電建設(shè)方興未艾?？墒撬婇_發(fā)往往進行于高山峽谷之中，并且由于山高坡陡，場地道路簡易，因此導(dǎo)致水電建設(shè)的勘察工作艱苦且危險，也對地質(zhì)勘察信息的獲取帶來了大量困難。

邊坡巖體結(jié)構(gòu)地質(zhì)編錄是地質(zhì)勘查的重要內(nèi)容，同時也是進行工程地質(zhì)問題分析與評價的基礎(chǔ)。在科技日新月異的今天，水電建設(shè)借助科學(xué)技術(shù)的進步取得了巨大發(fā)展，但是工程地質(zhì)編錄的主要手段仍停留在羅盤+皮尺的傳統(tǒng)方式，即通過皮尺確定結(jié)構(gòu)面的相對位置、延伸長度、厚度、間距等幾何特征，現(xiàn)場勾繪結(jié)構(gòu)面輪廓線;使用地質(zhì)羅盤獲取結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息，然后通過計算機掃描矢量化現(xiàn)場圖件。這種方法不但工作量大、效率較低，而且難以保證測量數(shù)據(jù)的準確性。另外，隨著工程建設(shè)規(guī)模越來越大，邊坡越挖越高，開挖速度越來越快，在施工過程中開挖、運渣、支護往往又是同時進行，因此很難為調(diào)查人員提供充裕的時間和安全的空間進行詳細的現(xiàn)場地質(zhì)編錄，特別是在高陡邊坡開挖過程中，現(xiàn)場獲取開挖邊坡的巖體結(jié)構(gòu)信息，難度是相當大的。

面對快速開挖形成的高陡邊坡，如何快速完成相關(guān)的地質(zhì)編錄工作，如何減少對施工的影響以及對作業(yè)人員的安全隱患，如何在艱苦的環(huán)境條件下提高水電工程前期地質(zhì)調(diào)查工作的效率和精度等問題。都需要引進快速、高效，且對地形條件有很強適宜性的現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查技術(shù)。

針對以上這一系列難題，國內(nèi)外開展了大量技術(shù)方法的研究工作，如數(shù)字攝影測量、數(shù)碼像片解譯等，并在硐室圍巖、邊坡開挖等工程的地質(zhì)編錄與隧道、坡體變形監(jiān)測等方面都有應(yīng)用。但這些技術(shù)的應(yīng)用需要配合大量的現(xiàn)場測量工作，并受光線、天氣等諸多因素影響，同時還存在一些技術(shù)上難以克服的問題，因此某些生產(chǎn)實踐中并不適用。而三維激光掃描技術(shù)的產(chǎn)生，為上述問題的解決提供了最為有效、實用和先進的技術(shù)手段。

二、徠卡ScanStation2激光掃描系統(tǒng)

徠卡ScanStation 2三維激光掃描儀是目前掃描速度最快的脈沖式激光掃描儀，其掃描速率可達50 000點/秒，也是第一部具有全站儀功能的掃描儀，具有全方位視角、高精度雙軸(傾斜)補償器、測量級的點位精度等特點。ScanStation 2三維激光掃描儀由筆記本電腦控制操作，可方便查看掃描成果，還具有一體化內(nèi)置數(shù)碼相機，可現(xiàn)場實時采集掃描物體的彩色信息，并使得彩色信息與點云數(shù)據(jù)完美結(jié)合。該掃描儀還具有先進的激光器及掃描批處理技術(shù)，其硬件設(shè)備具體參數(shù)如表1所示。

表1 ScanStation 2激光掃描儀性能參數(shù)

三、水電工程開挖邊坡地質(zhì)編錄中的應(yīng)用

某水電站左岸拱肩槽開挖邊坡高數(shù)百米，在高程1 845 m馬道處上一級開挖槽坡高10 m，長55 m，坡角60°，呈現(xiàn)陡崖狀，現(xiàn)場不具備攀爬條件。由于邊坡現(xiàn)代化施工速度迅速，現(xiàn)場地質(zhì)編錄時間有限，同時邊坡上部進行的支護施工會對坡面地質(zhì)調(diào)查人員人身安全帶來安全隱患。因此傳統(tǒng)的工程地質(zhì)編錄方式在此已經(jīng)不再適宜。

本次掃描采用徠卡ScanStation2三維激光掃描儀，并充分利用該設(shè)備點云數(shù)據(jù)采樣精度高、速度快、采樣分辨率高的特性，對該高程馬道上一級開挖邊坡進行三維點云數(shù)據(jù)采集。根據(jù)現(xiàn)場地形條件，本次采集共設(shè)置2處掃描機位點，并將兩次獲取的點云數(shù)據(jù)通過標靶拼接方式進行合并，同時對標靶點進行大地坐標測量，以便對獲取的點云數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換，使點云圖像坐標與工地現(xiàn)場實際情況相符合;考慮到本次研究內(nèi)容要求，需要獲取細小巖體結(jié)構(gòu)面空間信息，以便進行巖體結(jié)構(gòu)的精細描述。因此，考慮采樣時間限制，最終設(shè)定采樣點間距為4 mm。

1.結(jié)構(gòu)面跡線空間位置獲取

通過點云數(shù)據(jù)與彩色信息相互耦合的后期處理，便可以得到彩色信息真實、采樣密度大、大地坐標值準確的點云數(shù)據(jù)影像。此時提?、瘛ⅱ蚣壗Y(jié)構(gòu)面信息已變得簡單，但是對于Ⅲ級結(jié)構(gòu)面識別與提取在某些情況下還存在一定困難。由于Ⅲ級結(jié)構(gòu)面相比之下具有隨即斷續(xù)分布、延伸長度較小及硬性接觸等特點，較難解譯識別。

筆者通過大量試驗、多次嘗試，找到了兩種Ⅲ級結(jié)構(gòu)面三維點云數(shù)據(jù)的識別、解譯提取信息的方法:①直接在點云數(shù)據(jù)表面識別結(jié)構(gòu)面;②利用外部數(shù)碼相片耦合提取。

方法①在掃描點云數(shù)據(jù)中用空間多義線對結(jié)構(gòu)面出露跡線進行描述，簡單實用、快捷，在結(jié)構(gòu)面發(fā)育、出露清晰、規(guī)整的條件下，可利用點云影像數(shù)據(jù)直接識別。但在實際工作中經(jīng)常會遇到由于結(jié)構(gòu)面短小、雜亂等情況，此方法就存在一定困難，為解決這一問題，可采用方法②。

方法②可按照如下流程進行操作:

1)由于目前掃描技術(shù)可以實現(xiàn)外部彩色相片與點云數(shù)據(jù)相耦合，因此，可以利用高清晰數(shù)碼相片分辨率高，對細小結(jié)構(gòu)面反映清楚、細致這一特點。先從外部數(shù)碼相片入手，在數(shù)碼相片上解譯細小結(jié)構(gòu)面，然后利用畫圖工具在照片上將結(jié)構(gòu)面出露跡線用不同顏色描出并分組。

2)利用坡表或人工標記點將三維點云數(shù)據(jù)與處理過的多幅照片進行耦合。

3)通過標記結(jié)構(gòu)面信息的彩色點云三維影像數(shù)據(jù)，可以清晰、準確提?、蠹壗Y(jié)構(gòu)面的空間信息。

2.結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀獲取

在Cyclone軟件中將巖體結(jié)構(gòu)面識別后，利用選取工具在結(jié)構(gòu)面出露部位點云數(shù)據(jù)中選取一個點或多個點，然后利用軟件中提供的Create Object/ Region Grow/Patch功能，對所選點的平面進行自動搜索，以最終得到擬合平面(如圖1所示)。選取點的準確性及代表性將直接影響擬合結(jié)構(gòu)面的準確性，最后由擬合平面獲取平面方程參數(shù)。

圖1 生成擬合平面并獲取參數(shù)

本文所提的三維點云數(shù)據(jù)都經(jīng)過大地坐標轉(zhuǎn)換，每個點云的坐標值都與現(xiàn)場掃描目標體真實大地坐標相對應(yīng)，由此就可以應(yīng)用幾何、數(shù)學(xué)知識求解結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。

因此，可在分組結(jié)構(gòu)面中對每組典型結(jié)構(gòu)面進行產(chǎn)狀測量。對結(jié)構(gòu)面坡表出露部位上點云數(shù)據(jù)的自動捕捉，生成一擬合平面，以此平面代表結(jié)構(gòu)面的空間延伸狀態(tài)，并獲取該平面法向矢量。由于其所在坐標系統(tǒng)為真實的大地坐標值，因此根據(jù)平面法向矢量便可得到結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀參數(shù)。根據(jù)獲取的結(jié)構(gòu)面分組產(chǎn)狀，再利用AutoCAD進一步完善在以上的操作流程中，還需注意一些細節(jié)問題:①獲取的結(jié)構(gòu)面三維數(shù)據(jù)只能反映結(jié)構(gòu)面空間幾何信息，彩色信息也只能反映部分地質(zhì)信息，現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)的總體觀察、判斷及描述是十分必要的，這點對后期的解譯也具有重要的指導(dǎo)意義;②獲取多幅外部數(shù)碼相片時，應(yīng)注意照片拍攝環(huán)境盡量一致，避免造成前后照片色差、亮度等變化過大;③外部數(shù)碼相片要完全包含掃描區(qū)域范圍;④對細小結(jié)構(gòu)面的三維點云識別，除了照片標記的跡線外同時還有注意其三維空間形態(tài)，最好是兩者相結(jié)合共同識別。

四、結(jié)論及展望

基于三維點云數(shù)據(jù)對巖體結(jié)構(gòu)進行快速輔助地質(zhì)編錄工作的研究，是傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查方法的有益補充，并提供了巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查的一種新方法。實踐表明該方法速度快、精度高，具有很強的適用性和極高的應(yīng)用推廣價值。

三維激光掃描技術(shù)在水電工程領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間，大力發(fā)展三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查方法相結(jié)合的技術(shù)方法與手段有著重要的研究意義。著眼未來“數(shù)字水電”、“三維可視化”等先進技術(shù)發(fā)展方向，三維激光掃描技術(shù)必將掀起一輪地質(zhì)調(diào)查方法的技術(shù)革新。

(本專欄由徠卡測量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)