數(shù)字全景鉆孔攝像技術(shù)在文物遺址保護工程中的應(yīng)用

石春娟，翟慧明

(1.山東英才高級技工學(xué)校，山東 濟南 250104; 2.中國重汽集團 濟南橋箱有限公司，山東 濟南 250104)

0 引言

重慶大足寶頂山石刻區(qū)的石像形成于公元12世紀(jì)末至13世紀(jì)中葉，共有大小石刻造像近萬余座。這些石像歷史優(yōu)悠、雕刻精美、獨具風(fēng)格，達到唐宋時代雕刻藝術(shù)的頂峰，具有不可磨滅的宗教文化與歷史藝術(shù)價值[1-2]。然而，在外動力地質(zhì)作用下，石像地基中的巖體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到很大的影響，嚴(yán)重影響了所在區(qū)域石刻造像的巖土地質(zhì)安全和歷史文物保護價值。由于水土侵蝕和地應(yīng)力作用，巖體內(nèi)部新發(fā)育的結(jié)構(gòu)面很少能夠通過巖體表層開挖等方式得到觀測評估，其余大部分的巖體結(jié)構(gòu)面埋藏于巖體內(nèi)部，無法得到有效的勘察分析。近些年來大足石刻災(zāi)害情況受到國家文物局的重視，并對大足石刻造像進行了維護，也開展了大量的勘察探測技術(shù)工程與修復(fù)保護工作[3-5]。為了更好地保護文物，需要進行巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)探測，因此，采用數(shù)字全景鉆孔攝像技術(shù)來進行大足石刻區(qū)巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)探測與研究，并對大足千手觀音石刻區(qū)附近的現(xiàn)有鉆孔進行重新觀測分析，獲取最新的鉆孔圖像數(shù)據(jù)以及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息，為大足千手觀音的勘察保護工作提供真實可靠的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

1 數(shù)字全景鉆孔攝像與測試方法

重慶大足寶頂山石刻區(qū)的地層相對單一，巖性比較簡單，構(gòu)造情況相對比較平緩，巖層的傾角相對小，基本上為近水平狀的巖層，巖體結(jié)構(gòu)面的傾角也相對較小。該區(qū)域的砂巖內(nèi)有相互交錯的層理，因此，該區(qū)域內(nèi)的巖體完整性整體較好，結(jié)構(gòu)面主要表現(xiàn)為節(jié)理，不存在斷層。

1.1 數(shù)字全景鉆孔攝像系統(tǒng)

數(shù)字全景鉆孔攝像系統(tǒng)由中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制，該系統(tǒng)采用了一種截頭的錐面鏡來實現(xiàn)鉆孔孔壁的全景反射成像，其成像原理如圖1所示。錐面鏡反射成像形成了環(huán)狀的全景圖像，通過計算機信號的逆變換和成像數(shù)據(jù)的數(shù)字化即可還原鉆孔孔壁的原始信息，并實現(xiàn)鉆孔全景圖像及其平面展開圖和虛擬巖心圖的實時同步顯示。鉆孔圖像平面展開圖全面完整地展示了鉆孔孔壁的巖體結(jié)構(gòu)特征和細(xì)節(jié)，而可以旋轉(zhuǎn)的虛擬鉆孔巖心圖則提供了相關(guān)的空間形狀和位置信息。該系統(tǒng)生動形象地展示并記錄了鉆孔孔壁的真實巖體結(jié)構(gòu)特征和巖層信息特點，實現(xiàn)了鉆孔孔壁圖像化和數(shù)字化的描述分析，極大地促進了鉆孔攝像技術(shù)的發(fā)展[6-7]。

該系統(tǒng)解決了鉆孔內(nèi)原位工程地質(zhì)信息無法準(zhǔn)確、完整地采集到的問題，在實際工程應(yīng)用中還具有如下功能特點：①孔內(nèi)實時孔壁圖像的分析處理；②能夠形成孔內(nèi)全景圖、鉆孔圖像平面展開圖和鉆孔圖像虛擬巖心圖；③具有統(tǒng)計分析能力，包括計算結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和隙寬等；④能夠?qū)μ綔y結(jié)果建立數(shù)據(jù)庫并進行保存。該系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程檢測與巖土勘察中。

圖1 數(shù)字全景鉆孔攝像系統(tǒng)工作原理Fig.1 The schematic diagram of digital panoramic borehole camera system

1.2 全景鉆孔圖像特征及其測試方法

利用數(shù)字全景鉆孔攝像系統(tǒng)對不同位置的鉆孔進行數(shù)字全景攝像，獲得孔內(nèi)視頻圖像。在利用系統(tǒng)分析軟件進行視頻圖像分析后，主要可以得到以下3種結(jié)果圖像：①孔內(nèi)實時全景圖像；②鉆孔圖像平面展開圖；③鉆孔圖像虛擬巖心圖。這3種圖像可以統(tǒng)稱為鉆孔圖像，文中所述的鉆孔圖像主要是指孔內(nèi)全景圖像的平面展開圖。

孔內(nèi)實時全景圖像是數(shù)字全景鉆孔攝像系統(tǒng)獲得的原始視頻圖像數(shù)據(jù)，也是其他各種結(jié)果圖像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。圖2所示為實際鉆孔測試視頻的截圖圖像，圖中包括了位于圖像中央的羅盤指針和右上角的深度值，該羅盤指針用于指示當(dāng)前位置下鉆孔攝像探頭所處的方位。

鉆孔圖像平面展開圖是由全景圖像經(jīng)變換后形成的鉆孔孔壁全景圖，如圖3所示。該圖真實地反映了鉆孔孔壁四周的巖性、巖體色彩及其結(jié)構(gòu)面等情況，圖像頂部的字母用于指示方位，展開圖的左邊標(biāo)識了此處鉆孔孔壁的實際深度。

圖2 孔內(nèi)實時全景圖像Fig.2 Panoramic image of borehole vedio

圖3 鉆孔圖像平面展開Fig.3 The expanded image of borehole panoramic image

虛擬巖心圖是以旋轉(zhuǎn)三維巖心的形式展現(xiàn)出來的孔壁圖像，如圖4所示,在系統(tǒng)軟件中可以通過旋轉(zhuǎn)按鈕完成整個鉆孔孔壁圖像的觀測。

另外，該數(shù)字全景鉆孔攝像系統(tǒng)還提供了一套專門的分析軟件用以實現(xiàn)鉆孔圖像巖體結(jié)構(gòu)工程參數(shù)獲取，這些參數(shù)包括結(jié)構(gòu)面和破碎帶的深度、方位、幾何特征等，可以直接從分析軟件中得出并存入數(shù)據(jù)庫加以保存使用，如圖5所示。

圖4 鉆孔圖像虛擬巖心Fig.4 Panoramic image schematic diagram

圖5 軟件分析部分結(jié)果展示(結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和隙寬)Fig.5 Partial results of software analysis (cracks and gaps)

1.3 結(jié)構(gòu)面特征計算方法與工程應(yīng)用

為了準(zhǔn)確測量石刻區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，假定z軸為鉆孔的中心軸，x軸和y軸的平面位于地表面，其正向分別指向東和北?；谠撟鴺?biāo)系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)面平面上取3個不共線的點P1、P2、P3，由此可得該平面上的2個向量V1、V2，并求出該平面的單位法向量N，若N的z分量小于零，則取其相反向量N0={x0,y0,z0}，因此，該結(jié)構(gòu)面的傾角可以由β=arccosz0計算得到。假定向量Np={xp,yp}為單位法向量N0在xy平面上的投影，那么，該結(jié)構(gòu)面的傾向α可以由

計算得到。另外，由于結(jié)構(gòu)面在平面展開圖上呈現(xiàn)正弦曲線狀的圖像，如圖5所示，最小值點的方位表示該結(jié)構(gòu)面的傾向，而其傾角(β)也可以由該正弦曲線的最大和最小值點之間的垂直距離(h)與鉆孔直徑(d)之比的反正切函數(shù)求得，即：

β=arctan (h/d)。

鉆孔圖像巖體結(jié)構(gòu)面的隙寬可以利用結(jié)構(gòu)面曲線帶上下邊界二個點之間的距離獲得。整個測量過程是在平面展開圖中進行的，系統(tǒng)分析軟件給出了專門用于測量二點距離的對話框。由于平面展開圖中的點仍是空間坐標(biāo)，測得的隙寬是二點的空間距離,因此，結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和隙寬在系統(tǒng)軟件的幫助下只需用鼠標(biāo)在平面展開圖上進行簡單操作即可實現(xiàn)。該系統(tǒng)獲得的鉆孔圖像展開圖橫向分辨率為1 024 dpi，垂向(深度)測量精度可達1 mm。

2 應(yīng)用結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

在大足千手觀音石刻區(qū)的鉆孔中，利用以上數(shù)字全景鉆孔攝像系統(tǒng)對石刻區(qū)的鉆孔孔壁進行數(shù)字全景攝像和鉆孔圖像數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。下面給出部分有代表性的分析結(jié)果。

ZK2孔深17 m，孔徑91 mm，由于深度編碼器在孔口，探頭玻璃窗口距離深度編碼器為0.7 m，該鉆孔的起測深度為0.7 m(即攝像是從地面0.7 m處開始)，由于孔口裝有套管且孔底有沉渣，實際探測深度為3.7～16.2 m。此次共發(fā)現(xiàn)6條結(jié)構(gòu)面和節(jié)理分界面，圖6為其中一處鉆孔圖像，可以看出在3.7～5.5 m處出現(xiàn)較為發(fā)育的結(jié)構(gòu)面。從ZK2整個測量段來看，結(jié)構(gòu)面大多為中等，寬度較大，多數(shù)位于巖性較好的巖石與較差巖石的分界面上。

ZK3孔深16 m，孔徑91 mm，由于7.5 m處有水，實際探測深度為2.2～15.2 m。從圖像上看，結(jié)構(gòu)面較不發(fā)育，寬度較小(圖7)。在總長約13 m的測量段中，節(jié)理結(jié)構(gòu)面在NE、NW方向上分布較多，產(chǎn)狀以緩傾角為主，占所有統(tǒng)計節(jié)理的80%左右。

同樣，在孔深16 m、孔徑91 mm的ZK10中共發(fā)現(xiàn)4條結(jié)構(gòu)面、2處破碎及空洞區(qū)域，如圖8所示。該鉆孔的節(jié)理結(jié)構(gòu)面主要在NW及SE方向上分布較多，產(chǎn)狀以緩傾角為主，結(jié)構(gòu)面寬度大小分布主要在10～50 mm之間。

ZK17孔深20 m，孔徑91 mm，由于孔內(nèi)水位大致在9.55 m，孔口套管，實際探測深度為1.7～20 m，共18.3 m?？字泄舶l(fā)現(xiàn)10條結(jié)構(gòu)面，圖9為部分孔段的鉆孔圖像虛擬巖心。在此鉆孔中，結(jié)構(gòu)面大多未發(fā)育，寬度較小，巖石巖性相對較差。

對所有鉆孔圖像數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1。結(jié)合原始資料和數(shù)字全景鉆孔攝像系統(tǒng)的統(tǒng)計結(jié)果可知，該勘察區(qū)域內(nèi)主要存在3組構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀分別為：①走向NW280°～310°，傾角近直立；②走向近EW，傾角近直立；③走向NE20°～40°，傾向NW，傾角65°～80°。這些構(gòu)造結(jié)構(gòu)面間距相對大，密度一般為每10 m一條，結(jié)構(gòu)面的張開度較大并且延伸較長。大足石刻區(qū)內(nèi)除構(gòu)造裂隙外，還發(fā)育有層面結(jié)構(gòu)面和平行于陡壁的卸荷結(jié)構(gòu)面,這些結(jié)構(gòu)面相互交切，構(gòu)成了區(qū)內(nèi)的滲水系統(tǒng)，是該區(qū)域地下水的主要滲流通道和內(nèi)部儲存空間。

圖6 ZK2孔3.7～6 m段圖像Fig.6 Borehole image of 3.7～6 m in ZK2

圖7 ZK3孔2.2～4 m段圖像Fig.7 Borehole image of 2.2～4 m in ZK3

圖8 ZK10孔3.5～5.2 m段圖像Fig.8 Borehole image of 3.5～5.2 m in ZK10

圖9 ZK17孔18～20 m段圖像Fig.9 Borehole image of 18～20 m in ZK17

表1 數(shù)字全景鉆孔攝像所獲得的主要結(jié)果

3 結(jié)論

通過對大足千手觀音石刻區(qū)數(shù)字全景鉆孔圖像數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,完成了對巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)探測，獲取了其結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息。本次數(shù)字全景鉆孔攝像測試過程有效地協(xié)助了石刻區(qū)文物遺址保護工程的實施，為有關(guān)文物遺址保護工作提供了參考價值。由于鉆孔數(shù)量有限，現(xiàn)有設(shè)備也不能進行長期鉆孔監(jiān)測，今后結(jié)合聲波探測方法進行智能聯(lián)合勘察具有更全面更廣泛的意義。