楊 虎， 蔣軍偉

(重慶蜀通巖土工程有限公司，重慶 401120)

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基于三維激光掃描的大型危巖結(jié)構(gòu)特征分析

楊 虎， 蔣軍偉

(重慶蜀通巖土工程有限公司，重慶 401120)

三維激光掃描技術(shù)逐漸被用于野外地質(zhì)調(diào)查之中，尤其是對于人類無法到達(dá)的高陡區(qū)域。文章以重慶南川區(qū)一大型危巖體為例，利用三維激光掃描技術(shù)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征調(diào)查，并識(shí)別危巖的分布范圍。

三維激光掃描； 危巖體； 結(jié)構(gòu)特征

一些大型危巖體，往往發(fā)育于高陡斜坡上，大部分危巖體人力難以企及，傳統(tǒng)的實(shí)地調(diào)查方法難以實(shí)施，必須采用遠(yuǎn)距離、非接觸、高精度的調(diào)查手段，才能對危巖體進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，確定其幾何參數(shù)、巖體結(jié)構(gòu)特征和邊界條件等。國內(nèi)外部分學(xué)者對此類難題的研究進(jìn)行了大量探索，如數(shù)字?jǐn)z影測量、數(shù)碼相對解譯等，這些技術(shù)能將二維照片處理形成三維圖像，測量巖體結(jié)構(gòu)面方位、間距、跡長和面積等。但這些基于中心投影的測量方法，很難準(zhǔn)確地測定巖體的坐標(biāo)、高程等信息，同時(shí)對于危險(xiǎn)地段難以設(shè)置參照物，另外受天氣、光線等條件影響較大，實(shí)用性不強(qiáng)，準(zhǔn)確性不高，很難在實(shí)際工程中推廣。相比之下，利用三維激光掃描技術(shù)來進(jìn)行巖體現(xiàn)場調(diào)查具有顯著優(yōu)勢。本文以重慶甑子巖危巖體為例，采用三維激光掃描技術(shù)對其進(jìn)行了危巖分布及結(jié)構(gòu)特征調(diào)查。

1 三維激光掃描技術(shù)簡介

三維激光掃描技術(shù)是近年來發(fā)展起來了一門新技術(shù)，其被譽(yù)為“繼GPS技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命”[1-3]。該技術(shù)作為獲取空間數(shù)據(jù)的有效手段，以其快速、精確、無接觸測量等優(yōu)勢在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，能夠完整并高精度地重建掃描實(shí)物及快速獲得原始測繪數(shù)據(jù)。該技術(shù)可以真正做到直接從實(shí)物中進(jìn)行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)，無需進(jìn)行任何實(shí)物表面處理，其激光點(diǎn)云中的每個(gè)三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠。由于技術(shù)上突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，其測量精度高、速度快、逼近原形，是目前國內(nèi)外測繪領(lǐng)域研究關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)采集手段主要有[4]：單點(diǎn)采集三維坐標(biāo)的方法，如GPS高精度定位、三維坐標(biāo)測量機(jī)、全站儀系統(tǒng)等；基于光學(xué)攝影測量原理的近景攝影測量、航空攝影測量等。單點(diǎn)采集三維坐標(biāo)方法效率低、復(fù)雜場地工作時(shí)間長、對需要海量數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)面、實(shí)體描述難以詳盡，利用光學(xué)攝影原理使用軟件對數(shù)據(jù)圖像推擬獲取實(shí)體三維數(shù)據(jù)模型的方法，由于采集數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備及后期處理等原因，存在操作繁瑣、誤差較大欠穩(wěn)定的問題。三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)的技術(shù)手段有著較大的區(qū)別，該技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，能夠快速獲取物體表面海量三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這些三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)又被稱為“點(diǎn)云”。

目前，大多數(shù)激光掃描儀所采用的工作方式是脈沖激光測距的方法[5-7](基于激光時(shí)間漂移原理)，采用無接觸式高速激光測量，以點(diǎn)云形式獲取掃描物體表面陣列式幾何圖形的三維數(shù)據(jù)。該類儀器主要包括激光測距系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)和支架系統(tǒng)，同時(shí)集成數(shù)字?jǐn)z影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。此種工作原理的三維激光掃描儀主要采用TOF脈沖測距法(Time of Flight),是一種高速激光測時(shí)、測距技術(shù)。其獲取掃描目標(biāo)點(diǎn)云坐標(biāo)原理為：根據(jù)內(nèi)部精密的測量系統(tǒng)獲取發(fā)射出去的激光光束的水平方向角度α和垂直方向角度θ，由脈沖激光發(fā)射到反射被接收的時(shí)間計(jì)算得到掃描點(diǎn)到儀器的距離值S(圖1)，從獲取掃描反射接收的激光強(qiáng)度對掃描點(diǎn)進(jìn)行顏色灰度的匹配。對于激光掃描儀而言，采樣的是系統(tǒng)局部坐標(biāo)，掃描儀的內(nèi)部為坐標(biāo)原點(diǎn)，一般X、Y軸在局部坐標(biāo)系的水平面上，Y軸常為掃描儀描方向，Z軸為垂向方向。由此，可得掃描目標(biāo)點(diǎn)P的坐標(biāo)(Xs、Ys、Zs)的計(jì)算公式：

Xs=Scosθcos?

Ys=Scosθsin?

Zs=Ssinθ

圖1 測量點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算

2 研究區(qū)工程地質(zhì)背景

南川區(qū)位于重慶市東南部，是連接川、黔的重要門戶。甑子巖危巖體位于南川城區(qū)南側(cè)，平距約25km處，其經(jīng)度為107°08′19.15″，緯度為28°56′24.68″，其地理位置見圖2。

圖2 研究區(qū)地理位置

金佛山甑子巖危巖帶位于重慶市南川區(qū)，該區(qū)為構(gòu)造侵蝕地貌，主要為中高山區(qū)。如圖3所示，危巖區(qū)地形較為陡峭，發(fā)育兩級(jí)陡崖特征，陡崖下部為斜坡地形。一級(jí)陡崖高80～105m，分布高程為1 400～1 545m，巖性組成主要為棲霞組和茅口組一段石灰?guī)r；二級(jí)陡崖高200～215m，陡崖頂部高程為1 800m左右，巖性分布主要為茅口組三、四、五段石灰?guī)r。一、二級(jí)陡崖之間發(fā)育一陡坡，坡度30°～52°；一級(jí)陡崖坡腳為柏枝溪，溝底高程在750m左右。金佛山甑子巖危巖帶主要分布于二級(jí)陡崖之上，陡崖三面臨空，危巖較為發(fā)育。

圖3 甑子巖危巖體地形地貌特征

3 危巖分布及結(jié)構(gòu)特征

3.1 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

由于研究區(qū)邊坡地形條件極為惡劣，很多地方調(diào)查人員無法到達(dá)，而僅僅靠人工量測的數(shù)據(jù)難以獲得邊坡和危巖體完整的數(shù)據(jù)。為了得到更為準(zhǔn)確的危巖體數(shù)據(jù)，本研究采用了三維激光掃描儀(Rigel vz4000)對邊坡進(jìn)行精細(xì)的掃描。在對危巖體共設(shè)立了8個(gè)站點(diǎn)對其進(jìn)行整體掃描，然后用專門軟件對獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算拼接，得到相對位置準(zhǔn)確的三維點(diǎn)云圖。并與無人機(jī)測量的三維模型結(jié)合，對無人機(jī)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，得到更為精確的數(shù)字三維模型。

經(jīng)過三維激光掃描技術(shù)獲取研究區(qū)數(shù)字三維模型以后，利用Polyworks軟件對三維模型進(jìn)行信息提取，例如：節(jié)理裂隙的編錄(產(chǎn)狀、跡長、張開度、間距)，對危巖體進(jìn)行識(shí)別、定位、確定邊界、量取幾何參數(shù)，提取剖面線等操作，獲得危巖體分析評價(jià)的相關(guān)信息。

但在危巖體掃描過程中，由于三維激光掃描技術(shù)為所見即所得，換句話說，因研究區(qū)內(nèi)危巖都分布在陡崖處，掃描視角僅為從下向上，故在危巖后緣平臺(tái)會(huì)出現(xiàn)掃描死角，沒有掃描數(shù)據(jù)分布，并且受植被影響。因此，危巖體后緣邊界的確定還需根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查成果綜合確定，對甑子巖進(jìn)行危巖體邊界的解譯。經(jīng)過分析研究，最后得到了甑子巖危巖體全貌和點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征(圖4)。

圖4 危巖體點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征

3.2 危巖結(jié)構(gòu)特征

經(jīng)地面調(diào)查并結(jié)合計(jì)三維激光掃描成果，由于危巖分布高度較大，人工無法全面準(zhǔn)確地測得危巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、分布位置、間距等，主要通過三維激光掃描技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，綜合分析所得。

區(qū)內(nèi)主要發(fā)育三組節(jié)理，多為近直立的陡傾裂隙，走向1°～10°、30°～40°及320°～330°(圖5)。裂隙張開度較高，填充條件較差，連通性較好，一般延伸長度約幾米，個(gè)別延伸可達(dá)幾十米。甑子巖危巖體后緣發(fā)育一條主控垂直裂縫，該裂縫為一卸荷裂縫。該斜坡為一反向坡，陡崖巖體層面傾向北西，巖體結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育。

圖5 裂隙走向節(jié)理玫瑰花圖

3.3 危巖分布特征

南川金佛山甑子巖危巖帶危巖分布及結(jié)構(gòu)特征見圖6。在本次研究范圍內(nèi)，危巖體總體分上下兩級(jí)。二級(jí)危巖高程分布在1 590～1 820 m，主要以W11、W17、W18、W19、W20、W21、W22、W29和W23 號(hào)為主；一級(jí)危巖高程分布在1 400～1 500 m 左右，主要以W16、W24、W25、W26、W27、W28、W30、W31 和W34 號(hào)危巖體為主。

圖6 三維激光掃描地形及危巖體分布

南川金佛山甑子巖危巖帶位于斜坡上部陡崖帶，由二疊系石灰?guī)r及頁巖組成，延伸方向總體為SE～NE 向，呈帶狀分布，形態(tài)呈反“L”形，危巖帶可能崩塌總規(guī)模為593.86×104m3，為特大型危巖帶。

危巖區(qū)地形較為陡峭，發(fā)育兩級(jí)陡崖，陡崖下部為斜坡地形。一級(jí)陡崖高80～105 m，分布高程為1 400～1 545 m，巖性組成主要為棲霞組和茅口組一段石灰?guī)r；二級(jí)陡崖高200～215 m，陡崖頂部高程為1 800 m 左右，巖性分布主要為茅口組三、四、五段石灰?guī)r。一、二級(jí)陡崖之間發(fā)育一陡坡，坡度30°～52°；一級(jí)陡崖坡腳為柏枝溪，溝底高程在750 m 左右。金佛山甑子巖危巖帶主要分布于二級(jí)陡崖之上，陡崖三面臨空，危巖較為發(fā)育。危巖體發(fā)育三組節(jié)理裂隙，一組產(chǎn)狀為25°∠89°，一組產(chǎn)狀310°∠90°，另一組產(chǎn)狀為300°∠5°，屬層間裂隙。三組裂隙將危巖切割成塊體狀。形成裂縫，一般寬1～200 cm，最大達(dá)6～7 m，陡崖崖腳見巖溶大泉出露，坡頂見有地表水體沿裂隙滲透。

4 結(jié)論

本文以甑子巖危巖為例，利用三維激光掃描技術(shù)對該危巖體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)特征調(diào)查，并從掃描云圖中識(shí)別出了危巖分布范圍。結(jié)果表明，該危巖體主要發(fā)育三組節(jié)理，多為近直立的陡傾裂隙，走向1°～10°、30°～40°及320°～330°。在本次研究范圍內(nèi)，危巖體總體分上下兩級(jí)。二級(jí)危巖高程分布在1 590～1 820 m，有9處危巖分布；一級(jí)危巖高程分布在1 400～1 500 m 左右，分布9處危巖體。

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楊虎(1988～)，男，本科，助理工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治工作；蔣軍偉(1988～)，男，本科，助理工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治工作。

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[定稿日期]2017-02-18