摘要：

為提高湖北省十堰市聚仙廟水庫建設期現(xiàn)場地質(zhì)勘察智能化水平，并為其導流洞支護優(yōu)化設計提供準確的地質(zhì)資料，利用SLAM三維激光掃描儀對導流洞開展圍巖編錄工作。使用ZEB Horizon掃描儀搭配ZEB Vison全景相機進行數(shù)據(jù)采集，并在進行三維點云掃描的同時拍攝全景照片。將掃描數(shù)據(jù)導入長巖實景三維地質(zhì)編錄軟件，融合匹配激光點云和全景照片，生成現(xiàn)場實景三維視圖，在實景視圖下開展地質(zhì)編錄工作，最終得到導流洞的圍巖地質(zhì)編錄圖和結(jié)構(gòu)面編錄數(shù)據(jù)表。實踐結(jié)果表明：使用SLAM技術(shù)開展地質(zhì)掃描和實景編錄可減少現(xiàn)場工作時間，提高整體工作效率，具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞：

水利水電工程； 地質(zhì)編錄； 地下洞室； SLAM； 三維激光掃描

中圖法分類號：TV221.2

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.03.007

文章編號：1006-0081（2025）03-0040-05

收稿日期：

2024-04-01

基金項目：

長江巖土工程有限公司自主科研項目（CJ2022Z11）；長江電力股份有限公司資助項目（Z422302027）

作者簡介：

王" 玨，男，工程師，博士，主要從事工程地質(zhì)調(diào)查及其信息化研究工作。E-mail：w.jue@qq.com

引用格式：

王玨，李冬冬，趙鑫，等.SLAM激光掃描在水利水電工程地質(zhì)編錄中的應用

［J］.水利水電快報，2025，46（3）：40-44，83.

0" 引" 言

地質(zhì)編錄是指用文字、圖件、表格等形式，把地質(zhì)勘探和礦山生產(chǎn)過程所觀測的地質(zhì)和礦產(chǎn)現(xiàn)象，以及綜合研究的結(jié)果，系統(tǒng)、客觀地反映出來的工作過程［1］。地質(zhì)編錄是水利水電工程建設中的一項重要任務，其成果主要應用于工程施工設計、巖體穩(wěn)定性分析以及工程加固措施等方面。地下洞室圍巖地質(zhì)編錄需要在隧洞開挖完成后、支護結(jié)構(gòu)施工之前進行，易存在塌頂、巖爆、突水突泥、瓦斯泄漏等風險。因此，為了確保人員安全并盡快進行圍巖支護，應盡量減少地質(zhì)人員在隧洞中開展編錄工作的時間。

近景攝影、三維激光掃描等技術(shù)可快速獲取現(xiàn)場影像、三維數(shù)據(jù)，地質(zhì)人員可將大量的數(shù)據(jù)處理、分析工作轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，該技術(shù)已廣泛應用于水利水電工程地質(zhì)勘測領域［2-5］。高改萍、嚴建國等［6-7］利用近景攝影測量技術(shù)，獲取地下洞室正射影像，開展地質(zhì)編錄；張厚岱［8］使用正射影像測量技術(shù)進行隧道地質(zhì)素描和巖體裂隙識別；喻鵬飛等［9］使用平行攝影測量技術(shù)獲取地下洞室的三維形態(tài)；徐俊等［10］使用三維激光掃描進行地下洞室結(jié)構(gòu)面和危巖體識別分析；張浩等［11］通過三維激光掃描獲取圍巖結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計分析。目前主要使用數(shù)碼相機和架站式掃描儀開展相關(guān)工作，通常需要間隔一定距離設站拍攝、掃描，后期還需要進行拼接處理，耗費大量時間。近年來，隨著傳感器技術(shù)和芯片計算能力的不斷進步，出現(xiàn)了基于即時定位與地圖構(gòu)建（simultaneous localization and mapping，SLAM）技術(shù)的手持式三維激光掃描儀，體積小、重量輕，一個人手持即可開展掃描工作，無須進行繁雜的點云拼接工作［12］。

SLAM掃描技術(shù)能夠在行進過程中實現(xiàn)自動定位并獲取周圍環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，已經(jīng)在礦山測量［13-14］、鐵路勘測［15］、建筑測量［16-17］、地形圖測繪［18-19］等多個領域得到了廣泛應用，但其在水利水電工程地質(zhì)勘測領域應用還較少。因此，本文探索SLAM技術(shù)在水利水電工程地質(zhì)編錄中的應用，為類似環(huán)境下的地質(zhì)調(diào)查和數(shù)據(jù)獲取提供參考。

1" 技術(shù)原理

1.1" SLAM技術(shù)

SLAM技術(shù)基本原理是在移動的過程中不斷掃描周圍環(huán)境（圖1（a）），根據(jù)點云特征和慣性傳感器（IMU）數(shù)據(jù)判斷自身位置和構(gòu)建地圖，將相鄰的點云進行特征匹配和拼接（圖1（b）），得到連續(xù)的點云數(shù)據(jù)（圖1（c）），不斷重復上述操作，增量式構(gòu)建完整場景的三維激光點云［20-22］。

該技術(shù)優(yōu)點是無需使用GNSS信號定位、掃描方式靈活機動、自動拼接數(shù)據(jù)效率高，還可掛載于背包、車輛、無人機上，十分契合地下洞室地質(zhì)編錄的工作環(huán)境。

1.2" 設備參數(shù)

ZEB-HORIZON是一款由GeoSLAM公司開發(fā)，基于SLAM算法的移動手持式掃描儀。搭配ZEB Vision全景相機，可實現(xiàn)激光掃描的同時拍攝全景照片。GeoSLAM掃描儀和全景相機的相關(guān)參數(shù)見表1。

2" 工程概況和掃描方案

2.1" 工程概況

湖北省十堰市聚仙廟水庫是一座以供水、灌溉為主，兼顧下游河道生態(tài)用水的綜合利用小型水庫，水庫總庫容約415萬m3，大壩為堆石混凝土重力壩。地形地貌為構(gòu)造剝蝕地貌，河谷受構(gòu)造和流水作用，壩址河段呈“S”形彎曲。

施工導流洞布置在右岸，導流洞進口方向為正北，總長度約180 m，導流洞位置如圖2所示。為盡快查明導流洞工程地質(zhì)條件，并為導流洞支護優(yōu)化設計提供精準的地質(zhì)資料，減少施工和后續(xù)階段的安全風險，需盡快開展地質(zhì)調(diào)查和圍巖地質(zhì)編錄工作。

2.2" 掃描方案

利用SLAM三維激光掃描儀對導流洞開展圍巖編錄工作。該技術(shù)可一次性獲取整條導流洞的三維激光點云和全景影像數(shù)據(jù)，相比于傳統(tǒng)架站式掃描儀，不需要反復架設站次掃描，可節(jié)省大量現(xiàn)場工作和后期拼接點云的時間，為后續(xù)支護設計和施工爭取時間，提高工程建設效率。

導流洞已開挖貫通，為提高點云配準精度，在進口和出口外均設置控制點。為方便后期配準時區(qū)分進口和出口，在進口附近設置2處、出口附近設置3處控制點，控制點設置于不易發(fā)生位移的基巖或硬化地面上（圖3）。為保證全景相機拍攝照片的質(zhì)量，掃描人員掛載20余枚便攜式LED探照燈，可提供足夠的光照條件。

掃描方案采用閉環(huán)模式，確保掃描的開始和結(jié)束均于同一地點。初始階段，在導流洞進口啟動掃描儀，隨后按順序經(jīng)過設定的控制點，并將掃描儀在控制點靜置6 s以上。接著，沿著導流洞的右側(cè)移動，進行三維激光掃描，直至到達導流洞出口。在出口處，再依次經(jīng)過并采集控制點，之后沿原路返回。在返回路徑上，掃描儀繼續(xù)沿著右側(cè)掃描，直至回到起始點，隨后結(jié)束掃描并關(guān)閉設備。

3" 實景三維地質(zhì)編錄

3.1" 實景三維地質(zhì)編錄軟件

長巖實景三維地質(zhì)編錄軟件是長江巖土工程有限公司開發(fā)的地質(zhì)編錄軟件，可將全景照片與激光點云融合顯示，并在全景視圖下開展圖形繪制、地質(zhì)要素測量、統(tǒng)計分析等工作，快速生成施工地質(zhì)編錄圖和調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，用于邊坡、基坑、隧道等開挖面的地質(zhì)編錄工作，可提高勘測、施工地質(zhì)工作數(shù)字化水平。該技術(shù)已入選水利先進實用技術(shù)推廣目錄。

軟件使用C++語言和Qt框架開發(fā)，包含數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)可視化、圖形繪制等功能模塊，其軟件架構(gòu)如圖4所示。

3.2" 地質(zhì)編錄流程

將三維激光點云和全景照片導入長巖實景三維地質(zhì)編錄軟件，軟件可實現(xiàn)三維激光點云和全景照片的融合顯示（圖5），即全景照片顯示的位置能對應上三維空間位置。在全景視圖下開展編錄工作，編錄工作包括點云處理、圖形繪制、地質(zhì)描述、投影導出等步驟。

（1） 點云處理。主要是刪除洞口外的多余范圍，通過濾波算法清除飛點、噪點，采用重采樣算法對點云抽稀，實現(xiàn)減少點云數(shù)量、提高處理效率的作用。

（2） 圖形繪制。根據(jù)全景照片顯示的效果，識別結(jié)構(gòu)面、巖性分界線等地質(zhì)要素，利用點云坐標繪制對應的圖形。

（3） 地質(zhì)描述。觀察全景照片，錄入地質(zhì)描述，包括類型、編號、位置、粗糙程度、張開程度、填充情況等（圖6）。利用點云擬合平面，可測量結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，自動錄入傾向和傾角。

（4） 投影導出。點云繪制的圖形為三維圖形，需投影至二維平面（圖7），再通過展開、拼接等步驟，導出可以編輯的CAD圖形文件。所描述的地質(zhì)信息也可導出為表格文件，供后續(xù)分析使用。

3.3" 地質(zhì)編錄成果

經(jīng)過地質(zhì)編錄和投影導出，得到導流洞地質(zhì)編錄圖如圖8所示，洞內(nèi)節(jié)理裂隙編錄數(shù)據(jù)導出如表2所示。全洞穿越地層為武當群楊坪組第二亞組（Pyn2t2），其巖性主要為絹云鈉長石英片巖、含榴鈉長石英片巖、鈉長石英片巖。除進、出口段外，洞身巖體一般較完整，巖體強度屬中硬巖，陡傾角節(jié)理、裂隙發(fā)育，處于地下水位以下，圍巖滲水較為嚴重。

進口段和出口段圍巖為鈉長石英片巖，以弱風化為主，完整性較差，判斷為Ⅳ類圍巖，建議采取全斷面鋼拱架和噴錨支護處理。

洞身段圍巖為鈉長石英片巖，以微風化巖石為主，少量弱風化，圍巖強度屬中硬巖。巖層節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，巖體完整性一般，巖層走向與隧洞軸線交角逐漸變大，地下水以裂隙水為主。該段圍巖穩(wěn)定性較差，判斷為Ⅲ類圍巖，建議采取全斷面掛網(wǎng)和噴錨支護處理。

3.4" 應用效果討論

經(jīng)過現(xiàn)場實地測試，180 m左右的導流洞，掃描時

間約25 min，后續(xù)數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)編錄、成果輸出等耗時約1 d，一個人即可完成現(xiàn)場掃描和后續(xù)數(shù)據(jù)處理等工作。根據(jù)工程經(jīng)驗，若采用傳統(tǒng)地質(zhì)編錄，通常需要2～3人配合，現(xiàn)場工作時間約2～3 d；后續(xù)數(shù)據(jù)處理、數(shù)字化轉(zhuǎn)錄等工作時間約2 d。按工時計算，使用SLAM技術(shù)開展地質(zhì)編錄所耗費工時約為傳統(tǒng)地質(zhì)編錄的1/9。相較于傳統(tǒng)地質(zhì)編錄，可節(jié)省大量現(xiàn)場工作時間和人力資源。

該測試場景的成洞條件較好，可在成洞后一次性采集全洞完整的數(shù)據(jù)并進行地質(zhì)編錄，工作效率明顯提升。若圍巖條件差，該方法也可在幾分鐘內(nèi)快速記錄不穩(wěn)定洞段的三維點云和全景影像數(shù)據(jù)，不耽誤初次支護工作。后續(xù)可與其他洞段的數(shù)據(jù)拼接，并為地質(zhì)編錄、支護設計、BIM建模、工程量計算等方面提供數(shù)據(jù)支持。

4" 結(jié)" 論

本文使用SLAM掃描儀對聚仙廟水庫的導流洞開展了三維激光掃描，并使用長巖實景三維地質(zhì)編錄軟件完成了地質(zhì)編錄工作。經(jīng)過實地測試，SLAM掃描儀可在無GNSS信號的環(huán)境下，在行走的過程中快速獲取地下洞室的三維形態(tài)和影像數(shù)據(jù)，具有快速、準確、靈活等特點。相較于傳統(tǒng)地質(zhì)編錄工作，利用SLAM激光掃描技術(shù)可大量節(jié)省現(xiàn)場工作時間和人力資源，降低相關(guān)安全風險，并可為后續(xù)工程施工節(jié)省工期，為支護設計、工作量分析等提供數(shù)據(jù)支持。同時，長巖實景三維地質(zhì)編錄軟件可以很好地將三維點云和全景影像進行融合顯示，進而完成實景三維地質(zhì)編錄，并導出地質(zhì)編錄圖、編錄數(shù)據(jù)等成果。

對于水利水電工程存在大量地下洞室的情況，使用SLAM掃描技術(shù)開展地質(zhì)編錄工作可以提高整體工作效率，提升項目的數(shù)字化和智能化程度，具備一定的推廣價值。

該研究是針對SLAM技術(shù)在水利水電工程領域地質(zhì)編錄應用的一次探索和嘗試，針對不同條件下該技術(shù)的適用性、用法、數(shù)據(jù)處理方法等，還有進一步研究的空間。

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（

編輯：高小雲(yún)

）

Application of SLAM laser scanning in geological cataloging of water resource and hydropower projects

WANG Jue1，2，LI Dongdong1，ZHAO Xin1，2，WANG Changzhong1，SONG Bin1

（1.Changjiang Geotechnical Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；" 2.National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract： In order to improve the intelligent level of on-site geological survey data during the construction period of Juxianmiao Reservoir in Shiyan City，Hubei Province，and provide accurate geological data for the optimal design of diversion tunnel support，SLAM 3D laser scanner was used to catalog the surrounding rock of the diversion tunnel.The ZEB Horizon scanner was used with the ZEB Vison panoramic camera for data acquisition and the panoramic photos were taken at the same time as the 3D point cloud scanning.The scanned data was imported into ChangYan real-scene 3D geological cataloging software，integrated and matched with laser point clouds and panoramic photos to generate a real-scene 3D view of the site.The geological cataloging work was carried out under the real-scene view，and finally the surrounding rock geological cataloging map and structural plane cataloging data table of the diversion tunnel were obtained.The results of application practice showed that the use of SLAM technology to carry out geological scanning and real-world cataloging can reduce the on-site working time and improve the work efficiency，which has a good value for promotion.

Key words：

water resource and hydropower projects； geological cataloging； underground cavern； SLAM； 3D laser scanning