朱永生，褚衛(wèi)江，張亞兵，李鵬飛

(1. 中國電建華東勘測設(shè)計研究院有限公司，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.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110004；4. 中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽550081)

在水利水電行業(yè)，工程規(guī)模和建設(shè)難度越來越大，尤其是分布在西南地區(qū)的水電開發(fā)多位于高陡險峻的“V”字型峽谷中，工程區(qū)域內(nèi)的復雜地形地貌條件對傳統(tǒng)測繪、地質(zhì)調(diào)查手段或方法形成嚴峻考驗，同時也催生了對新技術(shù)開發(fā)與引進的現(xiàn)實需求。目前，國內(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，且特定材料對激光光源反射不夠敏感，會造成掃描范圍內(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)面過于傾斜時容易造成較大誤差[3-5]。以上不足給這些新技術(shù)的推廣普及形成障礙。

作為近景攝影測量法的新生代技術(shù)，三維數(shù)碼攝影測量技術(shù)近年來在地質(zhì)工程領(lǐng)域的應用具有廣泛應用前景[6-7]。較之傳統(tǒng)近景攝影測量法，其技術(shù)關(guān)鍵主要在于引入了相機校驗算法，使得采用非量測數(shù)碼相機進行地質(zhì)測繪工作的構(gòu)想成為現(xiàn)實。除可以對復雜地形地貌實施非接觸性測繪；其次，該技術(shù)工作全過程數(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，三維數(shù)碼攝影測量技術(shù)的現(xiàn)實應用也會受到工作條件影響，日照、通視條件等是需要主要的因素。

在地質(zhì)工程領(lǐng)域，在國際范圍內(nèi)已得到較普遍應用的三維數(shù)碼攝影測量技術(shù)產(chǎn)品主要包括Adam 3DM(含CalibCam、Analyst兩個軟件)、Sirovision以及3G&S。2006年美國針對不同開發(fā)商提供測量技術(shù)組織了檢測試驗，還包括激光掃描應用測試和對比評價。試驗結(jié)果表明，Adam數(shù)碼照相攝影測量技術(shù)更準確、快捷與靈活，提供的模型質(zhì)量也更高。在目前階段國內(nèi)水利水電工程行業(yè)中，Adam 3DM系統(tǒng)已成功應用于白鶴灘、錦屏二級、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)碼攝影測量技術(shù)的基本原理和應用流程，并通過工程實例檢驗其適用性和成果應用，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)碼攝影測量工作原理

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

“相對定位法”與“絕對定位法”的區(qū)別在于后者能夠準確提供地質(zhì)點坐標與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等信息。工程實踐中常使用地質(zhì)羅盤測得產(chǎn)狀、標尺長度(以及其內(nèi)在的邊角關(guān)系)和控制點坐標(人工控制點或拍攝站點)等作為對攝影測量成果進行“絕對定位”的參照依據(jù)。這些參照可組合使用，因此可形成表1五種常用的絕對坐標系定義方法。方法A、E屬于“半絕對”定位方法，該適用于測算結(jié)構(gòu)面跡長、產(chǎn)狀和間距等統(tǒng)計性信息而無需準確獲得露頭點坐標的情形，此時，位置點坐標不具定位價值。在攝影測量測繪實踐應用中，通常采用精度最高的絕對坐標系定義法C，即通過全站儀精確測量巖面上的若干控制點(大于3)來控制獲得三維數(shù)字化模型成果的絕對坐標。

表1 攝影測量中絕對坐標系定義方法的比較

2 數(shù)碼攝影測量工作流程

攝影測量法地質(zhì)測繪的主要工作環(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，見圖2。

首先根據(jù)擬調(diào)查原巖出露面的特點及調(diào)查目的確定拍攝焦距，同時根據(jù)現(xiàn)場場地條件確定拍攝角度、站點及拍攝方式等。拍攝完畢后應用3DM CalibCam搜索照片像素匹配點(包括控制點來定義絕對坐標系)，開展“相對定位”或“絕對定位”操作來完成鏡頭率定和照片合成。在此基礎(chǔ)上應用3DM Analyst生成絕對(工程)坐標系三維數(shù)字化模型并據(jù)此開展地質(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用

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

3.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

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

表2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的基本原則和精度控制

拍攝時間主要依據(jù)光照條件而定，以保證拍攝部位的可視性和恒定性，過強或過弱的光照條件不利于照片自動匹配，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信息在照片間傳遞過程中的誤差，本次現(xiàn)場拍攝采用照片重疊率約為30%。受現(xiàn)場地形地貌和交通條件的限制，本次現(xiàn)場拍攝中左、右岸控制點的布置都以工作人員能安全抵達為首要原則，因此并沒有很好體現(xiàn)均勻布置的原則。不過，工作成果表明，Adam 3DM系統(tǒng)解譯依然可以獲得滿足精度要求的模型成果。對于控制點布置困難的情形，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

3.2.1照片匹配合成

在拍攝完照片以后，采用3DM CalibCam進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識別得到的右岸像素點在某一張照片中的分布情況，以及針對圖3a框選范圍內(nèi)控制點的標定操作處理示意。在完成照片自動匹配和控制點標定后，再通過照片拼接功能將左、右岸照片分別合并為一張，最后依據(jù)控制點進行“絕對定位”，將其歸位至真實坐標空間，獲得圖3c、3d所示工程坐標系下左、右岸三維數(shù)字化地形模型。

3.2.2精度檢驗

通過照片合成得到的數(shù)字化模型的精度通常從以下3個方面來進行檢驗：①照片像素點匹配過程中生成的有效地形數(shù)據(jù)點數(shù)量(數(shù)據(jù)點越多，越能保證精度)；②照片合成控制點坐標或產(chǎn)狀等指標計算值與實測值的差別；③各照片匹配點最大均方根(即多少像素)控制及精度計算。其中，方法①是體現(xiàn)軟件系統(tǒng)精度和能力的基本指標，方法②則為控制或保證測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)點超過400萬個，見圖4。考慮調(diào)查邊坡面積約為12萬m2(400 m×300 m)，每平方米產(chǎn)生的控制點控制點達33.3個。就數(shù)據(jù)點密度而言，這一精度相當或高于激光掃描地形測量。右岸控制點收點數(shù)實際為6個，表3比較了右岸控制點計算值與實測值，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)點前只保留了4位數(shù)字，Z表示高程。其中，1、3、6號點X坐標誤差相對較大，最大達到0.16 m，其余都在厘米量級，滿足地質(zhì)測繪的要求。結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀可由3點(和3點以上)坐標計算獲得，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的精度也因此同時得到保證。

表3 右岸三維模型合成過程中控制點殘差單位：m

3.3 成果解譯與應用

三維數(shù)碼攝影測量技術(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)字化地形成果導入后，地質(zhì)信息相關(guān)解譯處理工作通過3DM Analyst軟件來實現(xiàn)。

3.3.1基本應用

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行地表測量、快速地質(zhì)編錄，變形監(jiān)測等日常性基礎(chǔ)資料的收集，成果內(nèi)容主要包括對應于拍攝時刻的地形測繪成果，結(jié)構(gòu)面編錄成果(露頭點坐標、產(chǎn)狀)，成果表現(xiàn)方式一般是等高線、赤平投影等日常性制圖成果。

等高線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)查需獲得的另一項基本地質(zhì)參數(shù)。在傳統(tǒng)地質(zhì)作業(yè)中，等高線可通過野外測繪勾繪或利用航空立體測量數(shù)據(jù)內(nèi)插得到，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀一般采用地質(zhì)羅盤量測獲得。傳統(tǒng)方法的共同特點是費事費力，在西部水電工程建設(shè)中往往還受險峻地形限制出現(xiàn)缺乏工作條件的情況。Adam 3DM三維攝影測量技術(shù)為上述問題的解決提供了有效手段。其中，等高線由程序等高線處理功能自動得到(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，主要含有線條、圓盤兩種幾何對象編輯工具以反映結(jié)構(gòu)面形態(tài)(跡線、節(jié)理面)，同時幫助定量提取跡長與產(chǎn)狀等指標數(shù)據(jù)。以如美中壩址左岸邊坡代表性區(qū)域為例，圖5a給出了對數(shù)字化地形成果中的結(jié)構(gòu)面露頭進行人工鑒別，再利用交互式線條編輯功能經(jīng)人工勾繪得到結(jié)構(gòu)面跡線在左岸高邊坡中的展布情況。程序可依據(jù)結(jié)構(gòu)面編錄成果進行赤平投影制圖，以幫助進行結(jié)構(gòu)面分布統(tǒng)計分析，見圖5b。由此可見，左岸邊坡主要分布有4組優(yōu)勢性結(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拓展應用

Adam 3DM具有將編錄成果數(shù)據(jù)導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)拓展應用在實踐中更為普遍。在對結(jié)構(gòu)面編錄成果作針對性分析、得到分布特征的統(tǒng)計參數(shù)后，可幫助進行巖體質(zhì)量分級、構(gòu)建精細化巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型，開展結(jié)構(gòu)面影響相關(guān)巖體力學特性和巖體穩(wěn)定性數(shù)值模擬等多層次研究或應用。

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

中壩址邊坡在歷史上經(jīng)受過復雜的凍融、風化卸荷等自然營力作用，邊坡多處分布有碎裂松動巖體。以左岸某松動巖體為例，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巖體描述

現(xiàn)場調(diào)查顯示，傾倒是如美壩址區(qū)右岸卸荷的重要機制，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)更為復雜，給正確認識問題的內(nèi)在機制造成困難。以傳統(tǒng)測繪與本次攝影測量工作所得結(jié)構(gòu)面分布特征的統(tǒng)計性參數(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、含隨機節(jié)理網(wǎng)絡(luò)的數(shù)值分析模型，并開展邊坡巖體穩(wěn)定性評價的示意性成果。依據(jù)變形分布可見，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)面具有相對明顯的斷續(xù)分布特征，其對邊坡變形穩(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

本文首先對Adam 3DM三維數(shù)碼攝影測量技術(shù)的基本原理和工作步驟等環(huán)節(jié)進行了闡述，并將其應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，攝影測量技術(shù)是一種快速、精確、應用方便的地質(zhì)素描新方法。其主要優(yōu)點首先在于突破了地形地貌對地質(zhì)測繪工作的限制，使地質(zhì)工作者能夠方便地從整體和局部兩方面鑒別高邊坡地質(zhì)信息特別是結(jié)構(gòu)面分布特征;其次，應用成果豐富多樣，可以為不同意圖和多層次應用研究提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)保障，同時在降低人工成本及保障員工人身安全方面具有現(xiàn)實意義。