三維激光掃描技術(shù)與數(shù)碼影像地質(zhì)編錄系統(tǒng)隧道圍巖信息采集應(yīng)用對比研究

宋 妍，王曉琳，李 洋，李 銳

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽 471009;2.洛陽理工學(xué)院，河南 洛陽 471023;3.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

隧道工程的地質(zhì)編錄與探礦工程中的地質(zhì)編錄雖均是為了揭露地質(zhì)現(xiàn)象，但因工作目的不同，對地質(zhì)編錄信息的提取內(nèi)容不盡相同。隧道工程掌子面地質(zhì)素描通過采集掌子面狀態(tài)、毛開挖狀態(tài)、巖石強(qiáng)度、圍巖風(fēng)化程度、裂隙寬度及形態(tài)、涌水狀態(tài)等信息最終確定圍巖級別及前方工程地質(zhì)問題，發(fā)揮超前地質(zhì)預(yù)報(bào)功能以指導(dǎo)隧道施工。

地勘人員通過現(xiàn)場地質(zhì)素描、羅盤量測和照相等采集掌子面圍巖信息。由于信息無法復(fù)核、現(xiàn)場人員組織等問題，相關(guān)研究人員開發(fā)了數(shù)碼攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)，一定程度上已經(jīng)取得了令人滿意的成果。但是對圖像信息的提取，必須依靠人機(jī)互助編錄實(shí)現(xiàn)，該過程產(chǎn)生的人為誤差，成為數(shù)碼攝影地質(zhì)編錄精度控制的主控因素。三維激光掃描技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)測繪技術(shù)，其又被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，借助采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠完整并高精度地重建掃描實(shí)物的空間三維形態(tài)。已有地質(zhì)體結(jié)構(gòu)面三維激光掃描點(diǎn)云識別方法專利，利用“三點(diǎn)確定平面”法及多點(diǎn)法擬合出露明顯的邊坡結(jié)構(gòu)面，從而互助計(jì)算其產(chǎn)狀［1－3］;一些學(xué)者關(guān)注于點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三角網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面平面方程的半自動(dòng)擬合方法研究［4－5］;鮮有學(xué)者將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在施工地質(zhì)編錄中，定量評價(jià)巖石質(zhì)量［6］。以上研究均是針對具有明顯出露結(jié)構(gòu)面的邊坡工程，對于出露不明顯或僅是暴露結(jié)構(gòu)面斷面的隧道工程，三維激光掃描技術(shù)地質(zhì)編錄應(yīng)用尚屬空白。本文通過現(xiàn)場試驗(yàn)，對比數(shù)碼攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)，了解三維激光掃描技術(shù)在隧道掌子面及邊墻影像采集后的地質(zhì)信息自動(dòng)提取能力，進(jìn)而驗(yàn)證該技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用可行性。通過2種方法的對比，借鑒各自優(yōu)勢，為開發(fā)新型隧道地質(zhì)編錄系統(tǒng)開拓思路。

1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是國際上近期發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)。通過激光測距原理瞬時(shí)測得待測物體空間三維坐標(biāo)值，利用獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則場景的三維可視化模型。

目前階段，需要通過2類軟件才能使三維激光掃描儀發(fā)揮其功能:一類是掃描儀的控制軟件，另一類是數(shù)據(jù)處理軟件。前者通常是掃描儀隨機(jī)附帶的操作軟件，既可以用于獲取數(shù)據(jù)，也可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的簡單處理，如奧地利瑞格 Riegl掃描儀附帶的軟件RiSCAN Pro;而后者多為商業(yè)軟件，價(jià)格不菲，如加拿大Optech三維激光掃描數(shù)據(jù)處理軟件Polyworks、瑞士AMBERG公司的TMS(Tunnel Measure System)系統(tǒng)和Leica Cyclone軟件等。由于涉及到技術(shù)保護(hù)等原因，三維激光掃描系統(tǒng)應(yīng)用軟件幾乎均未提供二次開發(fā)功能，這為現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用帶來很多困難。

2 數(shù)碼攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)

數(shù)碼攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)以攝影測量理論和施工地質(zhì)素描為基礎(chǔ)，聯(lián)合應(yīng)用近景攝影測量技術(shù)、圖像處理技術(shù)、GIS技術(shù)、CAD技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對獲取的影像進(jìn)行快速處理，高效、準(zhǔn)確地提取地質(zhì)編錄要素，生成規(guī)范的施工地質(zhì)編錄成果圖，并實(shí)現(xiàn)編錄要素的有效管理與查詢檢索輸出。該類系統(tǒng)最初應(yīng)用在大型邊坡工程地質(zhì)信息編錄中，現(xiàn)已成功應(yīng)用在隧道邊墻等影像信息編錄［7－9］。

硐室攝影地質(zhì)編錄的作業(yè)流程為:數(shù)字影像獲取—影像預(yù)處理—影像幾何校正—影像增強(qiáng)—影像鑲嵌制作硐室數(shù)字影像展示圖—機(jī)助地質(zhì)編錄(信息提取與特征描述)—空間數(shù)據(jù)庫管理(圖形、圖像、屬性)—成果輸出。硐室攝影地質(zhì)編錄的關(guān)鍵是制作硐室影像展示圖，即將像片影像投影至目標(biāo)柱面后的影像展示圖，使其成為攝影地質(zhì)編錄的底圖;其次是以影像展示圖為底圖進(jìn)行機(jī)助編錄。

3 圍巖信息采集

選擇某隧道進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，該區(qū)域上覆地層為第四系中更新統(tǒng)的殘坡積土，分布不連續(xù)，主要分布在坡腳和隧道進(jìn)出口等處，下伏基巖為太古界混合片麻巖?；旌掀閹r呈灰褐色、青灰色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，主要礦物成分以云母為主，工程性質(zhì)較好。本區(qū)地表溝谷發(fā)育，隧址區(qū)地下水類型屬松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，地下水主要分布于混合片麻巖層裂隙中，受多年大氣降水和褶皺地質(zhì)構(gòu)造影響，在節(jié)理裂隙不甚發(fā)育段匯集，形成地下含水體。該區(qū)域主要通過自然降水補(bǔ)給，降水相對集中，全年累計(jì)蒸發(fā)量大于累計(jì)降水量。試驗(yàn)段隧道為Ⅲ級圍巖。

3.1 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用

現(xiàn)場試驗(yàn)隧道采用全斷面鉆爆法施工，現(xiàn)場情況如圖1所示。三維激光掃描設(shè)備使用FARO(Focus3D)的相位法測量。

圖1 現(xiàn)場操作及掌子面情況Fig.1 Three-dimensional laser scanning in site

通過現(xiàn)場試驗(yàn)表明:

1)現(xiàn)場通風(fēng)環(huán)境較好，沒有粉塵及水霧對激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)造成干擾，點(diǎn)云成像較為清晰，原始圖像采集效果非常好，如圖2所示。

2)利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)可以通過檢測數(shù)據(jù)中激光回波信號差異及點(diǎn)云空間坐標(biāo)計(jì)算對隧道異狀進(jìn)行互助判別，標(biāo)示出異狀的范圍、里程、斷面位置等重要信息，如裂縫、滲水和破損等。

選擇具有代表性的掌子面3處點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖2(a)所示。由于點(diǎn)云數(shù)量龐大，從3處區(qū)域中選取具有代表性點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對于有水區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖3所示，其回波強(qiáng)度散點(diǎn)圖與相對應(yīng)點(diǎn)云z坐標(biāo)散點(diǎn)圖在分布上有相似處，即以條帶形分布。與現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，隨著z坐標(biāo)絕對值增大，掌子面底部圍巖逐步由干燥過渡到潮濕。水對回波強(qiáng)度的影響比較明顯，隨表面水量增加回波強(qiáng)度降低。對于無水區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖4所示，其回波強(qiáng)度散點(diǎn)圖與點(diǎn)云y坐標(biāo)散點(diǎn)圖在分布上有相似處，即成不規(guī)則面。通過坐標(biāo)比對，點(diǎn)云回波強(qiáng)度與距激光發(fā)射點(diǎn)的距離及巖體表面曲率有關(guān)，遠(yuǎn)離激光發(fā)射點(diǎn)的點(diǎn)云回波強(qiáng)度小，近于激光發(fā)射點(diǎn)的點(diǎn)云回波強(qiáng)度大。對于石英與片麻巖交界處的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖5所示，由于不同巖體反射面特性差異，回波強(qiáng)度值不同，即片麻巖回波強(qiáng)度值小于石英回波強(qiáng)度值。對比分析3個(gè)點(diǎn)云強(qiáng)度圖，大部分片麻巖的回波強(qiáng)度集中在1 200附近，有規(guī)律可循。

三維激光掃描技術(shù)在工程地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用始終局限在點(diǎn)云坐標(biāo)的各種計(jì)算上，而對于回波強(qiáng)度的應(yīng)用仍屬空白。回波強(qiáng)度及測距結(jié)果受反射物材質(zhì)、顏色、光源、距離、傳播介質(zhì)和設(shè)備型號等影響，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)界定［10］，不同情況下各種影響因素的權(quán)重也不同，這為回波強(qiáng)度屬性的開發(fā)應(yīng)用帶來極大困難。回波強(qiáng)度承載的信息如同人類的觸覺，可以感受反射物體表面的干與濕、光滑與粗糙、均勻與破碎等，在光線不足的情況下可以替代數(shù)碼攝影。綜合現(xiàn)場試驗(yàn)其他點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以初步認(rèn)為點(diǎn)云的回波強(qiáng)度在隧道工程地質(zhì)信息采集具有一定的應(yīng)用價(jià)值。由于山嶺隧道巖體變化復(fù)雜，需要結(jié)合大量的實(shí)測數(shù)據(jù)方可總結(jié)出規(guī)律，還需要經(jīng)驗(yàn)豐富的人員在實(shí)測中不斷完善。

3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Polyworks是一款通用3D測量軟件平臺，可以用來分析掌子面及邊墻點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從中提取相關(guān)信息，但是當(dāng)巖體受爆破、開挖等施工影響時(shí)，軟件現(xiàn)有的算法無法有效地消化點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息。自動(dòng)點(diǎn)云識別計(jì)算所得到的圍巖結(jié)構(gòu)信息結(jié)果經(jīng)常需要人工去噪，否則一些重要的圍巖信息將被自動(dòng)過濾或被其他貌似有效的數(shù)據(jù)覆蓋。三角網(wǎng)格類型對于圍巖結(jié)構(gòu)特征描述十分重要，而軟件中提供的簡單網(wǎng)格修飾計(jì)算方法限制了使用者對掌子面或拱頂?shù)慕庾g，最終導(dǎo)致許多偏差。

圖6為某隧道掌子面鈣化剪切帶連續(xù)3次掃描后隧道軸向展示效果圖，圖7為3次掃描后推斷節(jié)理走向及間距效果圖。僅憑一次掌子面掃描結(jié)果推測圍巖產(chǎn)狀，在結(jié)構(gòu)面等出露不明顯的情況下實(shí)現(xiàn)難度較大［11］。

3.2 CCD數(shù)碼相機(jī)地質(zhì)編錄系統(tǒng)應(yīng)用

圖8為現(xiàn)場隧道影像采集側(cè)墻圖像生成的三維效果圖，圖中黑線為以底圖手工繪畫的結(jié)構(gòu)線。通過邊墻結(jié)構(gòu)線繪制該線與掌子面位置關(guān)系，如圖9所示。

現(xiàn)場應(yīng)用表明:

1)在現(xiàn)場照明充足、通風(fēng)效果良好的情況下，數(shù)碼相機(jī)圖像采集不受影響，經(jīng)過幾何糾正、條帶鑲嵌形成的編錄底圖可以清晰顯示圍巖地質(zhì)信息，如裂隙間距、長度和產(chǎn)狀等。

2)通過人機(jī)互助，可以在底圖進(jìn)行編錄繪制結(jié)構(gòu)、節(jié)理、風(fēng)化帶等地質(zhì)信息以及計(jì)算巖層厚度等，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)狀信息的自動(dòng)計(jì)算，相關(guān)屬性信息人工輸入，信息查詢、統(tǒng)計(jì)，輸出CAD地質(zhì)素描圖，EXCEL報(bào)表等。

3)現(xiàn)場施工由于循環(huán)進(jìn)尺較短，采集圍巖有效暴露區(qū)域圖像較少，多被初期支護(hù)覆蓋，條帶鑲嵌后可視產(chǎn)狀信息不連續(xù)。

4)掌子面影像采集涉及到空間坐標(biāo)定位等問題，現(xiàn)有系統(tǒng)還無法有效進(jìn)行掌子面產(chǎn)狀信息提取及描述，但已經(jīng)引起相關(guān)研發(fā)人員的重視，力求掌子面編錄擺脫光學(xué)觀測設(shè)備限制。

圖9 斷面圖Fig.9 Cross-sections

4 結(jié)論與體會(huì)

1)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集能力比較。同樣5～8 min采集完數(shù)據(jù)，三維激光掃描數(shù)據(jù)存儲量可達(dá)上千兆，數(shù)碼攝影編錄采集不到百兆;在現(xiàn)場燈光照射效果不理想的情況下，三維激光掃描技術(shù)不受影響，數(shù)碼攝影圖像清晰度損失嚴(yán)重;三維激光掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)全場景復(fù)制，而數(shù)碼攝影編錄系統(tǒng)只能采集隧道邊墻影像;結(jié)構(gòu)面相關(guān)屬性信息均需要人工輸入存儲。

2)地質(zhì)編錄信息提取比較。數(shù)據(jù)攝影編錄系統(tǒng)能夠清晰展示圍巖產(chǎn)狀、裂隙寬度及長度等信息，人機(jī)交互操作精度滿足工程需求;三維激光掃描技術(shù)可以根據(jù)回波強(qiáng)度閾值設(shè)定，自動(dòng)顯示圍巖滲漏水位置的影像信息，借助三角網(wǎng)格計(jì)算完成產(chǎn)狀等信息提取，對操作人員素質(zhì)要求較高，不利于現(xiàn)場人員組織。三維激光掃描技術(shù)，對于點(diǎn)云的空間坐標(biāo)開發(fā)相對完善，但對于回波強(qiáng)度的利用鑒于數(shù)據(jù)庫的開發(fā)難度，少有參與。如將兩者結(jié)合起來，利用表面采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)回波強(qiáng)度的差異來約束、修正三角網(wǎng)格計(jì)算出來的結(jié)果，或者由三角網(wǎng)格計(jì)算出來的結(jié)果驗(yàn)證回波強(qiáng)度分析結(jié)果。三維激光掃描技術(shù)在隧道及地下工程領(lǐng)域的應(yīng)用有待關(guān)注。

3)售價(jià)比較。三維激光掃描設(shè)備及商業(yè)系統(tǒng)軟件超過百萬元，推廣應(yīng)用較困難;數(shù)碼攝影編錄系統(tǒng)價(jià)位相對較低，推廣較容易。

4)精度檢校。三維激光掃描儀精度的檢校存在困難，目前檢校方法單一，基準(zhǔn)值求取復(fù)雜，精度評定不好，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件沒有統(tǒng)一化，各個(gè)廠家都有自帶軟件，互不兼容，對于點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用的二次開發(fā)成本較高，并且精度、測距與掃描速率存在矛盾關(guān)系;數(shù)碼攝影編錄系統(tǒng)相機(jī)畸變糾正相對容易，造價(jià)較低。

5)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)觀察為數(shù)碼攝影編錄底圖漫游、查詢提供了思路;邊墻影像不連續(xù)為底圖編錄帶來困難，掌子面DSM模型建立及其編錄可以有效解決該問題。

6)在目前的技術(shù)條件下，采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)編錄相對于數(shù)碼攝影編錄系統(tǒng)還有一定的距離，但在超欠挖檢測、襯砌厚度、土方量計(jì)算、掌子面擠出變形及收斂監(jiān)測等方面，三維激光掃描技術(shù)貢獻(xiàn)卓越。

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