三維激光掃描技術(shù)在壩基巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查統(tǒng)計(jì)中的應(yīng)用
——以錦屏一級(jí)水電站為例

李 小 波

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

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三維激光掃描技術(shù)在壩基巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查統(tǒng)計(jì)中的應(yīng)用
——以錦屏一級(jí)水電站為例

李 小 波

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

三維激光掃描是一項(xiàng)新的測(cè)繪技術(shù)，它可以快速高效地獲取測(cè)量目標(biāo)的三維影像數(shù)據(jù)。介紹了三維激光掃描技術(shù)的基本原理，并將該項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用于錦屏一級(jí)水電站施工期間對(duì)開(kāi)挖揭示的壩基巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查測(cè)繪，突破了傳統(tǒng)的測(cè)線法、精測(cè)網(wǎng)法，實(shí)現(xiàn)了快速編錄目標(biāo)。

工程地質(zhì)；三維激光掃描；巖體結(jié)構(gòu)特征；快速編錄；錦屏一級(jí)水電站

1 概 述

錦屏一級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi)，是雅礱江下游河段五級(jí)水電開(kāi)發(fā)的第一級(jí)。壩型為混凝土雙曲拱壩，壩高305 m，水庫(kù)總庫(kù)容77.6億m3，裝機(jī)容量3 600 MW。

壩址區(qū)兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，基巖裸露，相對(duì)高差千余米，為典型的深切“V”型谷。地層巖性主要為三疊統(tǒng)雜谷腦組第3段的變質(zhì)砂巖、板巖(T2-3z3)及第2段的大理巖夾綠片巖(T2-3z2)，變質(zhì)砂巖、板巖分為6層，大理巖分為8層，地層相變較大，地層巖性較復(fù)雜，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景較復(fù)雜，壩區(qū)小斷層及層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶較發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性較差。

該水電站工程規(guī)模大，高拱壩對(duì)壩基巖體質(zhì)量要求較高，而壩基巖體結(jié)構(gòu)面性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面特征指標(biāo)(RQD、Jv、RBI)等直接影響巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)。因此，施工期復(fù)核評(píng)價(jià)壩基巖體質(zhì)量、全面開(kāi)展壩基巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查統(tǒng)計(jì)就顯得尤為重要。面對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件和較差的現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境條件，如何快速、高效地獲得這些結(jié)構(gòu)面分布、性狀成為地質(zhì)工程師關(guān)心的重要問(wèn)題。傳統(tǒng)的測(cè)線法、精測(cè)網(wǎng)法已受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，迫切需要一種便捷、高效、準(zhǔn)確的工程地質(zhì)測(cè)繪新技術(shù)和新方法的出現(xiàn)。錦屏一級(jí)水電站施工期間對(duì)開(kāi)挖揭示的壩基巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查測(cè)繪采用了地面三維激光掃描技術(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了分析處理，取得了預(yù)期的效果。

2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展為人們?cè)诳臻g信息獲取方面提供了全新的技術(shù)手段，其又被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。利用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行高效率、高質(zhì)量、低成本的空間數(shù)據(jù)采集、處理，可以有效解決數(shù)字化信息采集的難題。由于空間數(shù)據(jù)具有復(fù)雜、交錯(cuò)、變化的特性，實(shí)體對(duì)象的數(shù)據(jù)獲取工作復(fù)雜，工作量大，操作困難。正是由于三維激光掃描技術(shù)所擁有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)可以解決一些傳統(tǒng)測(cè)量方法難以解決或處理效果不理想的問(wèn)題，因此，將其應(yīng)用于工程領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 三維激光掃描技術(shù)的基本原理

三維激光掃描技術(shù)是基于測(cè)繪技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，但其又不同于傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)。傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)是單點(diǎn)定位高精度測(cè)量目標(biāo)，即對(duì)指定目標(biāo)中的某一點(diǎn)位進(jìn)行精確而確定的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)量，進(jìn)而得到一個(gè)單獨(dú)的或一些離散的點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這類(lèi)技術(shù)如三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、經(jīng)緯儀、全站儀、激光跟蹤儀等。而三維激光掃描儀則是對(duì)確定目標(biāo)的整體或局部進(jìn)行完整的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)量，意味著激光測(cè)量單元必須進(jìn)行全自動(dòng)、高精度的掃描測(cè)量，進(jìn)而得到完整、全面、連續(xù)、關(guān)聯(lián)的全景點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這些密集而連續(xù)的點(diǎn)數(shù)據(jù)稱為“點(diǎn)云”，從而使三維激光掃描測(cè)量技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛越，這個(gè)飛越意味著三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)可以真實(shí)地反映掃描目標(biāo)體的整體形態(tài)特征，并通過(guò)掃描測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)逼近目標(biāo)的完整原型及矢量化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。三維激光掃描技術(shù)的核心原理就是激光測(cè)距，三維激光掃描的工作過(guò)程實(shí)際上就是一個(gè)不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理的過(guò)程。

2.2 三維激光掃描系統(tǒng)分類(lèi)

三維激光掃描技術(shù)在近幾年得到了飛速的發(fā)展，已成為多領(lǐng)域、多用途的一門(mén)應(yīng)用技術(shù)。應(yīng)用于不同領(lǐng)域的三維激光掃描儀的誕生代表了三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展水平，目前應(yīng)用的三維激光掃描系統(tǒng)種類(lèi)繁多，類(lèi)型、工作領(lǐng)域不盡相同。按照不同的研究角度、工作原理等可進(jìn)行多種分類(lèi)。筆者按操作的空間位置將其劃分為四類(lèi)：機(jī)載型激光掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)、手持型激光掃描儀和特殊場(chǎng)合應(yīng)用的激光掃描儀。以下主要介紹的是在錦屏一級(jí)水電站施工期間采用的地面三維激光掃描系統(tǒng)。

地面型激光掃描系統(tǒng)是一種利用激光脈沖對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行掃描，可以大面積、快速度、高精度、大密度的取得地物的三維形態(tài)及坐標(biāo)的一種測(cè)量設(shè)備。根據(jù)測(cè)量方式還可將其劃分為兩類(lèi)：一類(lèi)是移動(dòng)式激光掃描系統(tǒng)；一類(lèi)是固定式激光掃描系統(tǒng)。

所謂移動(dòng)式激光掃描系統(tǒng)是基于車(chē)載平臺(tái)，由全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(IMU)結(jié)合地面三維激光掃描系統(tǒng)組成(圖1)。

圖1 車(chē)載激光掃描系統(tǒng)

固定式激光掃描系統(tǒng)類(lèi)似傳統(tǒng)測(cè)量中的全站儀。該系統(tǒng)由激光掃描儀及控制系統(tǒng)、內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)、后期處理軟件等組成。與全站儀不同之處在于固定式激光掃描儀采集的不是離散的單點(diǎn)三維坐標(biāo)，而是一系列的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)(圖2)。

2.3 三維激光掃描技術(shù)具有的優(yōu)勢(shì)

三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)新的測(cè)繪技術(shù)，它可以快速高效地獲取測(cè)量目標(biāo)的三維影像數(shù)據(jù)，使測(cè)繪技術(shù)人員突破傳統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法。作為一種新的地質(zhì)勘察手段和技術(shù)，三維激光掃描儀與傳統(tǒng)的工作方法相比較，其應(yīng)用前景主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)不需要接觸掃描物體，外業(yè)測(cè)繪不受光線影響；

(2)精度高，可以高精度表達(dá)研究物體的三維形態(tài)；

(3)特別適合測(cè)繪表面復(fù)雜的高陡岸坡及其地質(zhì)界線；

(4)快速和準(zhǔn)確地表達(dá)物體表面、體積、斷面等幾何信息，數(shù)據(jù)數(shù)字化，方便各專業(yè)軟件相互調(diào)用。

2.4 三維激光掃描技術(shù)使用時(shí)存在的問(wèn)題

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于水電工程地質(zhì)勘察還處在一個(gè)不斷發(fā)展、完善的過(guò)程當(dāng)中，其在技術(shù)上還有很多地方需要改進(jìn)和提高。目前使用時(shí)存在的主要問(wèn)題有：

(1)受安全激光功率的局限，掃描距離和范圍有限；

(2)特定材料對(duì)激光光源反射不夠敏感，造成掃描范圍內(nèi)出現(xiàn)盲區(qū)，如潮濕的地表和綠色植被對(duì)掃描結(jié)果都有較大的影響；

(3)三維激光掃描儀是一個(gè)黑箱系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)難以檢驗(yàn)和檢校；

(4)需對(duì)所獲取的各類(lèi)地質(zhì)界線進(jìn)行少量的野外補(bǔ)充描述；

(5)處理數(shù)據(jù)量大，需要采用特殊的軟件，工程地質(zhì)應(yīng)用軟件還有待進(jìn)一步完善和研發(fā)。

3 三維激光掃描技術(shù)在錦屏一級(jí)水電站大壩壩基巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查統(tǒng)計(jì)中的應(yīng)用

錦屏一級(jí)水電站施工期間，在對(duì)開(kāi)挖揭示的壩基巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查測(cè)繪時(shí)采用了地面三維激光掃描，并對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了解譯分析，取得了壩基巖體結(jié)構(gòu)面分布圖和巖體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)Jv等值線圖。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)三維激光掃描

錦屏一級(jí)水電站施工期間，隨開(kāi)挖進(jìn)度分梯段對(duì)壩基巖體結(jié)構(gòu)面采用了三維激光掃描。掃描儀為徠卡公司最新推出的STATION-2型(該儀器為目前掃描速度較快的脈沖式激光掃描儀，其掃描速率可達(dá)50 000點(diǎn)/s)。該儀器內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)并可配套使用高清晰的外置數(shù)碼相機(jī)。借鑒古建筑恢復(fù)中所使用的“點(diǎn)云貼圖”技術(shù)，可以獲得工作面清晰的數(shù)字式彩色影像信息。在這張影像圖上，可以準(zhǔn)確識(shí)別和解譯出長(zhǎng)度20 cm以上的裂隙，包括其跡線位置和產(chǎn)狀。三維激光掃描現(xiàn)場(chǎng)操作流程如下：

(1)根據(jù)掃描對(duì)象，選擇合理的掃描儀站點(diǎn)，合理的站點(diǎn)不但可以提高效率，減少遮擋空位，而且可以提高掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量，改善點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接精度；

(2)掃描儀器的架設(shè)通過(guò)粗調(diào)腳架及微調(diào)掃描儀底座使主機(jī)氣泡居中；

(3)連接電源，啟動(dòng)掃描控制軟件，配置掃描儀相關(guān)參數(shù)，進(jìn)入控制界面；

(4)根據(jù)掃描目標(biāo)放置控制標(biāo)靶，一個(gè)掃描站點(diǎn)最少放置3個(gè)標(biāo)靶，并由測(cè)量人員用全站儀測(cè)量標(biāo)靶的坐標(biāo)；

(5)圈定掃描范圍，獲取掃描間距，設(shè)定采樣間距，開(kāi)始獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)?？蓪?shí)時(shí)查看掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)及彩色信息情況，隨時(shí)調(diào)整掃描參數(shù)；

(6)采用高清數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍照。

3.2 三維激光掃描數(shù)據(jù)的分析與處理

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?、解譯、分析，以獲取其所包含的重要地質(zhì)信息。操作流程如下：

(1)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。三維激光掃描設(shè)備在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中默認(rèn)設(shè)備的中心點(diǎn)為坐標(biāo)零點(diǎn)，其坐標(biāo)系統(tǒng)的空間展布與掃描儀的空間位置直接相關(guān)，是一套以掃描設(shè)備為中心的相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)。因此，應(yīng)將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到與工程實(shí)際相符的大地坐標(biāo)；

(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間拼接；

(3)在數(shù)碼照片上進(jìn)行斷層、裂隙和綠片帶的初步識(shí)別和解譯；

(4)采用“點(diǎn)云貼圖”技術(shù)，將帶有初步解譯信息的彩色照片“蒙貼”于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)上，生成三維彩色影像；

(5)對(duì)三維彩色影像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查對(duì)解譯信息進(jìn)行校核和修正，然后生成三維CAD圖件；

(6)將三維CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)出，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和結(jié)構(gòu)面參數(shù)統(tǒng)計(jì)。由于裂隙信息量非常豐富，因此可以獲得裂隙間距、Jv等巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)指標(biāo)。

圖3 右岸建基面結(jié)構(gòu)面分布圖

圖4 左岸建基面解譯-Jv等值線圖

隨開(kāi)挖進(jìn)度、分梯段對(duì)壩基巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了三維激光掃描，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)解譯、分析等數(shù)據(jù)處理，快速獲取了各梯段結(jié)構(gòu)面分布圖和Jv等值線圖。圖3為右岸建基面高程1 680～1 670 m梯段結(jié)構(gòu)面分布圖中截取的一小部分。圖4為左岸建基面高程1 765～1 750 m梯段Jv等值線圖中截取的一小部分。

將各梯段結(jié)構(gòu)面分布圖拼接在一起，即可獲得整個(gè)建基面結(jié)構(gòu)面分布情況。根據(jù)結(jié)構(gòu)面分布圖，對(duì)斷層、裂隙密集帶和綠片巖帶等軟弱巖帶即可一目了然。這些大壩建基面出露的軟弱巖帶多為Ⅲ2級(jí)或Ⅳ級(jí)巖體，已成為大壩建基面地質(zhì)缺陷，若其大面積出露則必須采取清除或置換等處理措施，通過(guò)結(jié)構(gòu)面分布圖即可對(duì)軟弱巖帶做到有的放矢的處置。

根據(jù)各梯段Jv等值線圖，對(duì)Jv值進(jìn)行各區(qū)段面積頻度統(tǒng)計(jì)。筆者僅附左、右岸大壩建基面部分梯段統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為代表(表1)進(jìn)行分析論證。

表1 建基面部分梯段Jv分布頻度匯總表

從表1中Jv值區(qū)段面積所占百分比可以得出以下結(jié)論：

(1)Ⅱ級(jí)巖體中Jv值普遍小于8，按大理巖層位2(6)層→2(5)層→2(4)層→2(3)層，Jv值總體呈逐漸減小的趨勢(shì)，亦即巖體中裂隙發(fā)育趨弱，巖體更加完整；

(2)斷層及影響帶附近巖體Jv值明顯較大；

(3)按Jv數(shù)值判斷巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型：Ⅱ級(jí)巖體結(jié)構(gòu)以厚層狀結(jié)構(gòu)或塊狀結(jié)構(gòu)為主，Ⅲ1級(jí)巖體以次塊狀為主，Ⅲ2級(jí)巖體結(jié)構(gòu)以次塊～鑲嵌結(jié)構(gòu)為主。

4 結(jié) 語(yǔ)

將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于工程地質(zhì)領(lǐng)域，可以快速、高效地獲取測(cè)繪目標(biāo)的三維影像數(shù)據(jù)，通過(guò)適當(dāng)解譯、分析，可以獲得結(jié)構(gòu)面分布、產(chǎn)狀等重要地質(zhì)信息，進(jìn)而突破了傳統(tǒng)的測(cè)繪方法。錦屏一級(jí)水電站施工期間對(duì)開(kāi)挖揭示的壩基巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查測(cè)繪采用了地面三維激光掃描技術(shù)，并對(duì)所取得的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了分析處理，獲得了結(jié)構(gòu)面分布圖和Jv等值線圖等，實(shí)現(xiàn)了快速編錄。在外業(yè)三維激光掃描過(guò)程中，需要克服上述章節(jié)提及的激光掃描技術(shù)存在的不足之處。但三維激光掃描技術(shù)具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，這些是傳統(tǒng)測(cè)繪方法難以比擬的，因此而其具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 馬立廣.地面三維激光掃描儀的分類(lèi)與應(yīng)用[J].地理空間信息,2005,3 (3)： 60-62.

[2] 毛方儒，王 磊.三維激光掃描測(cè)量技術(shù)[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2005,25(2)： 1-6.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-06-18

TV7；[TV221.2];TV22.1

B

1001-2184(2016)06-0084-04

李小波(1976-)，男，四川鄰水人，高級(jí)工程師，碩士，從事水電工程項(xiàng)目管理與地質(zhì)工作.