陳 志

(中鐵十二局集團(tuán)第七工程有限公司 湖南長沙 410004)

1 前言

隧洞結(jié)構(gòu)的洞身輪廓和地質(zhì)測量對于隧洞施工具有非常重要的作用。目前洞身輪廓測量和地質(zhì)測量是分離的，需在不同階段開展。而地質(zhì)測繪技術(shù)因受儀器設(shè)備、測量方法的限制，只能通過現(xiàn)場測定產(chǎn)狀、拍攝局部圍巖影像、手工繪制地質(zhì)素描等方式開展，作業(yè)環(huán)境惡劣、主觀因素大，無法對施工過程中地質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確詳細(xì)的編錄，因此大部分項目在施工過程中存在“重輪廓、輕地質(zhì)”的不足。傾斜攝影測量技術(shù)能同時兼顧洞身地質(zhì)信息記錄的同時實現(xiàn)洞身輪廓的測量，其只需在不同視角拍攝若干張清晰的洞身影像，即可生成洞身的空間模型。該技術(shù)對確保施工安全、提高施工效率、將洞身輪廓與地質(zhì)進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，具有重要意義。

2 技術(shù)原理

2.1 傾斜攝影技術(shù)原理

傾斜攝影測量技術(shù)主要解決利用既有的多視角影像重建拍攝對象的空間模型問題，其采用多像空間前方交會的方法建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合特定控制坐標(biāo)點，從而解算影像上特征點空間坐標(biāo)數(shù)值。

以兩幅不同角度成像包含若干同名點的影像為例，傾斜攝影測量是利用像對同名像點的立體觀察，能得到兩條同名射線在空間的方向，這兩條射線在空間一定相交，其相交處必然是地面點的空間位置。在未知點的兩個聯(lián)立方程組中有3個未知數(shù)，即地面坐標(biāo)X、Y、Z，由未知點在兩幅影像上的像點坐標(biāo)x1、y1，x2、y2可列出4個方程，從而求解3個未知數(shù)。

如圖1所示，模型點相對于左方投影中心為原點的模型坐標(biāo)為:

圖1 空間前方交會示意

基于以上原理，通過Agisoft Metashape等數(shù)據(jù)后處理軟件，進(jìn)行同名點識別對齊、空間三角網(wǎng)計算與平差等過程對多張影像的每個像素進(jìn)行分析，即可得到洞身輪廓的點云和DEM模型。通過將影像的RGB值映射到點云數(shù)據(jù)上，還可得到包含影像紋理、色彩數(shù)據(jù)的全彩空間模型。

2.2 長曝光技術(shù)原理

隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、光照微弱。長曝光攝影技術(shù)是在微弱光照環(huán)境下，將相機(jī)快門一直保持開啟狀態(tài)(如單反相機(jī)中的B門模式)，物體表面反射的光線會不斷在成像元件上進(jìn)行累計，只要相機(jī)和被拍攝對象之間保持相對位置固定(采用三腳架穩(wěn)定相機(jī))、快門開啟時間足夠長(曝光時間)，便能在低照度環(huán)境下獲得明亮清晰、光照均勻的成像。

3 技術(shù)實施要點

3.1 相機(jī)視場標(biāo)定及機(jī)位估算

隧道內(nèi)進(jìn)行拍攝時光照極低，無法通過取景器觀察到可拍攝的畫面范圍，相機(jī)距離掌子面過近容易使圖像采集不完整，過遠(yuǎn)易使圖像采集不清晰，相機(jī)視場距離掌子面應(yīng)以剛好覆蓋掌子面為宜。

為縮短準(zhǔn)備時間，預(yù)先確定滿足視場全覆蓋的拍攝距離，需在洞外對相機(jī)鏡頭拍攝的范圍進(jìn)行測量，確定視場寬度和拍攝距離的關(guān)系，這個過程即為相機(jī)視場標(biāo)定。圖2給出了相機(jī)及對應(yīng)鏡頭的視場標(biāo)定過程及結(jié)果。

圖2 相機(jī)及鏡頭視場標(biāo)定

標(biāo)定方法為:在墻上沿水平方向固定卷尺，架設(shè)相機(jī)于三腳架上并使其水平，相機(jī)視線垂直于墻面。將相機(jī)鏡頭拉至最短焦距(18 mm)、開至最大光圈(F3.5)，拍攝一張照片，測量并記錄相機(jī)焦平面距墻面距離；改變相機(jī)至墻面距離，反復(fù)按此程序拍攝至少3次。數(shù)據(jù)處理時，放大照片，找到每張照片畫幅兩端尺面刻度差即為實測視場寬度，可得到至少三組拍攝距離與視場寬度的數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合出最優(yōu)直線，則直線方程即為拍攝距離與視場寬度的關(guān)系。由圖2標(biāo)定方程可知，相機(jī)距離掌子面距離D與相機(jī)視場寬度B關(guān)系為:B＝1.277 3·DB－90.121。若相機(jī)成像的高寬比為2∶3，則視場高度H與D的關(guān)系為:H＝2B/3＝0.851 5·DH－60.081。若掌子面最大寬度B＝8 m、H＝6 m按上述標(biāo)定方程可知DB＝6.3 m，DH＝7.1 m，D取DB與DH的大值，即相機(jī)距離掌子面約需7.1 m，故拍攝時將相機(jī)架設(shè)于掌子面后方7.5 m處即可。

3.2 像控點和校核點標(biāo)記及測量

相機(jī)采集的圖像可在無外部參考坐標(biāo)的情況下完成模型重建，該模型只能保證相對精度，無法指導(dǎo)實際施工，因此需要在前期于洞身上布設(shè)若干控制點，通過后期把圖像上的點位刺入，將成果統(tǒng)一到施工所用坐標(biāo)系中。其中像控點數(shù)量不得少于3個，并按隧道內(nèi)情況加設(shè)備用點，防止點位丟失。另外需在洞身側(cè)壁上隨機(jī)測取若干復(fù)核點，用以校核成果精度和測站接駁。

像控點、備用點、校核點的標(biāo)記及測量可在掌子面周邊眼放樣時一并完成。點位布設(shè)靈活，無嚴(yán)格要求，只需分布在掌子面范圍且不共線即可。

3.3 機(jī)位布置

按上述確定的D值布置相機(jī)。相機(jī)按拍攝順序，需先后按中央機(jī)位、左側(cè)方機(jī)位、右側(cè)方機(jī)位進(jìn)行布置，必要時可自行增加機(jī)位補(bǔ)攝。每次布置應(yīng)調(diào)整相機(jī)朝向，使各機(jī)位拍攝的圖像能完全覆蓋掌子面。各機(jī)位布置如圖3所示。

圖3 圖像采集機(jī)位布置示意

3.4 圖像采集范圍復(fù)核

隧道內(nèi)光照極低，無法通過相機(jī)取景器直接觀察拍攝區(qū)域。為避免拍攝區(qū)域偏移導(dǎo)致掌子面圖像采集不完整，在拍攝前需進(jìn)行圖像采集區(qū)域復(fù)核。復(fù)核掌子面左右區(qū)域是否進(jìn)入相機(jī)視場時，采用聚光手電照射掌子面左(右)側(cè)邊界位置，掌子面會出現(xiàn)光斑，通過取景器可觀察光斑位置。若光斑未出現(xiàn)在取景器中，微調(diào)云臺，相機(jī)水平旋轉(zhuǎn)，直至光斑進(jìn)入取景器為止。上下區(qū)域復(fù)核方法與此相同。

3.5 圖像采集頻率

按以上影像采集方法，每隔一定循環(huán)進(jìn)尺采集一次圖像，每次采集圖像張數(shù)約5～6張?？紤]成像質(zhì)量，每次采集的圖像在保證模型精度前提下，可生成有效模型10 m，按常規(guī)全斷面循環(huán)進(jìn)尺2.5～3 m控制，最多3～4個循環(huán)進(jìn)尺采集一次斷面，必要時進(jìn)行加密。

4 數(shù)字模型生產(chǎn)及應(yīng)用

4.1 通用型點云數(shù)據(jù)建立

采用Agisoft PhotoScan軟件對采集的原始圖像進(jìn)行處理，生產(chǎn)并輸出通用型點云模型(LAS數(shù)據(jù)交換格式)，以供點云加工和數(shù)據(jù)分析，如圖4所示。其中左圖為空間位置點云，右圖為映射了影像紋理的點云，下圖為點云的空間正平面投影。

圖4 影像生成的點云模型

4.2 開挖斷面復(fù)核

利用Geomagic Studio軟件生成的曲面模型，導(dǎo)入對照標(biāo)準(zhǔn)開挖斷面模型，可獲取實際開挖輪廓的超欠挖分布云圖，如圖5所示(為便于顯示，本例截取了洞身測量成果的任意一段，段落長度632 mm)。洞身開挖輪廓上的不同顏色代表了不同的超欠挖值，從圖5右下角統(tǒng)計表可知，最大超挖量227 mm(出現(xiàn)在拱頂)，最大欠挖量580 mm(因仰拱未開挖)，為洞身整體超欠挖情況提供了直觀且準(zhǔn)確參考。

圖5 Geomagic Studio分析的洞身輪廓分布

利用以上成果，對照導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)二次襯砌斷面模型，可獲取實際襯砌厚度分布云圖，如圖5b所示。原設(shè)計二次襯砌厚度300 mm，測量段落的設(shè)計澆筑方量3.56 m3/m×0.632 m＝2.25 m3。實測最大襯砌厚度500 mm(出現(xiàn)在拱頂)，最小襯砌厚度－289 mm(因仰拱未開挖故出現(xiàn)在仰拱部位)，統(tǒng)計顯示測量段落內(nèi)的二次襯砌線性平均厚度260 mm，按設(shè)計二次襯砌輪廓外擴(kuò)260 mm，可計算測量段落澆筑方量3.05 m3/m×0.632 m＝1.93 m3。

4.3 爆破參數(shù)核查

基于Agisoft PhotoScan軟件的點云模型對照片進(jìn)行透視和傾斜修正后可得到可度量的掌子面正射投影。由于高分辨率相機(jī)清晰記錄了掌子面炮孔布設(shè)位置，因此在后期可快速準(zhǔn)確度量出當(dāng)時炮眼布設(shè)數(shù)量和位置。掌子面正射影像炮眼布置如圖6所示，基于該圖像的周邊炮眼參數(shù)分析如表1所示。

圖6 掌子面正射影像的炮眼布置實測

表1 實測周邊眼參數(shù)

從圖6及表1可知，炮眼平均間距569 mm，變異系數(shù)0.466，變異系數(shù)偏大(周邊眼間距變異系數(shù)以不超過0.3為宜)，炮眼間距分布均勻性欠佳。掌握了真實、定量的爆破參數(shù)，結(jié)合圍巖情況，可準(zhǔn)確地對下一循環(huán)鉆爆施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4.4 地質(zhì)核查及產(chǎn)狀推定

利用Agisoft PhotoScan軟件生產(chǎn)的掌子面正射影像，可對掌子面節(jié)理分布進(jìn)行展繪和產(chǎn)狀推定。掌子面節(jié)理信息記錄于點云模型中，點云模型中的每一個點都攜帶坐標(biāo)信息、對象顏色信息，因此模型所得的掌子面正射影像不僅包含了節(jié)理常規(guī)的平面信息(如顏色、與洞身位置關(guān)系)，亦包含了節(jié)理的空間位置信息(如節(jié)理產(chǎn)狀)，可極為方便地推定掌子面前方地質(zhì)信息。正射影像記錄的掌子面節(jié)理信息如圖7所示。利用各個里程的掌子面節(jié)理分布可生成空間地質(zhì)模型及測算的節(jié)理產(chǎn)狀，如圖8所示。

圖7 基于Agisoft PhotoScan正射影像的掌子面節(jié)理分布

圖8 基于Civli 3D地質(zhì)模型推定的節(jié)理空間分布

與常規(guī)的節(jié)理面不同，本技術(shù)是對逐個斷面進(jìn)行掃描而得到節(jié)理面分布，因此其為曲面，具備更多細(xì)節(jié)特征，可以直觀準(zhǔn)確地推定地層起伏情況。

5 結(jié)束語

本技術(shù)結(jié)合了傾斜攝影測量和長曝光攝影技術(shù)的優(yōu)點，從地質(zhì)、爆破參數(shù)、成洞輪廓三方面對鉆爆施工進(jìn)行過程控制和動態(tài)調(diào)整，并可通過掌子面正射影像準(zhǔn)確獲取每循環(huán)掌子面爆破參數(shù)，結(jié)合節(jié)理產(chǎn)狀模型對掌子面圍巖節(jié)理進(jìn)行分析和前方產(chǎn)狀推定，利用洞身輪廓表面模型評估爆破效果，對指導(dǎo)隧道施工、確保施工安全具有重要意義。