基于數(shù)字化近景攝影設(shè)備的深部裂隙巖體變形測(cè)量方法研究

陳曉東，冶存璽

(青海地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，青海西寧 810001)

1 引 言

深部裂隙巖體變形測(cè)量是巖體力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、工程探測(cè)學(xué)等領(lǐng)域的重要研究課題之一，能夠精準(zhǔn)、可靠、完整地測(cè)量深部裂隙巖體變形的數(shù)據(jù)，對(duì)于研究深部裂隙巖體的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用[1]。深部裂隙巖體變形的傳統(tǒng)測(cè)量方法主要是應(yīng)用皮尺、羅盤等物理人工手段，這類測(cè)量方法不僅效率低，而且無法保障測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，浪費(fèi)時(shí)間且消耗人力和物力[2]。

為改進(jìn)傳統(tǒng)測(cè)量方法信息數(shù)據(jù)采集不全面、測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)長(zhǎng)等不足[3]，本文結(jié)合國內(nèi)外對(duì)深部裂隙巖體變形測(cè)量的研究現(xiàn)狀，應(yīng)用目前較為先進(jìn)的數(shù)字化近景攝影設(shè)備對(duì)深部裂隙巖體變形信息進(jìn)行測(cè)量。

運(yùn)用數(shù)字化近景攝影儀器快速采集深部裂隙巖體變形結(jié)構(gòu)信息，并且將所獲取的相關(guān)信息通過數(shù)字化手段傳送到相關(guān)單位進(jìn)行結(jié)果分析[4]。數(shù)字化近景攝影設(shè)備具備操作簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)度高、安裝測(cè)量方便等優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于深部裂隙巖體的變形數(shù)據(jù)測(cè)量有著廣闊的前景?；诖?，本文應(yīng)用免棱鏡激光全站儀和數(shù)碼像機(jī)作為數(shù)字化近景攝影裝備，對(duì)深部裂隙巖體變形進(jìn)行測(cè)量[5]。

2 基于數(shù)字化近景攝影設(shè)備的深部裂隙巖體的信息獲取

深部裂隙巖體的結(jié)構(gòu)面物理性質(zhì)是研究巖體變形信息的重要評(píng)估項(xiàng)目，包括巖體變形的級(jí)別、巖體變形的參數(shù)以及數(shù)據(jù)仿真技術(shù)實(shí)施[6]。因此，在進(jìn)行深部裂隙巖體的變形數(shù)據(jù)信息測(cè)量前，首先需要對(duì)深部裂隙巖體的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行信息采集。

本文主要應(yīng)用免棱鏡激光全站儀和數(shù)碼像機(jī)作為數(shù)字化近景攝影裝備，為了確保數(shù)據(jù)信息獲取的準(zhǔn)確性，首先要校驗(yàn)免棱鏡激光全站儀，以消除誤差[7]。

免棱鏡激光全站儀主要運(yùn)用被測(cè)物體的自然光反射的光線進(jìn)行距離測(cè)量，當(dāng)其接收不到被測(cè)物體的自然反射光時(shí)，依靠自身的光束進(jìn)行信息的獲取。免棱鏡激光全站儀具有光束模塊，可以放射出一種與望遠(yuǎn)鏡同軸的紅外線激光，這種紅外線激光的波段可以調(diào)節(jié)，隨著被測(cè)物體的自然光束強(qiáng)弱改變自身光束的強(qiáng)度。

本文采用的免棱鏡激光全站儀主要應(yīng)用反射棱鏡對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行成像，反射棱鏡中所成的圖像均被放大在人眼的視覺角度，呈現(xiàn)一種放大狀態(tài)。反射棱鏡的成像波長(zhǎng)為0.36 μm，成像頻率為50 Hz，測(cè)量準(zhǔn)確度為0.9 m，在應(yīng)用免棱鏡激光全站儀進(jìn)行數(shù)字化近景攝影的有效范圍可達(dá)100 m[8]。

在被測(cè)物體的100 m范圍內(nèi)架設(shè)免棱鏡激光全站儀與數(shù)碼像機(jī)，分別觀測(cè)兩種不同儀器的視角用于確定深部裂隙巖體的結(jié)構(gòu)[9]。免棱鏡激光全站儀的工作原理如圖1所示。

圖1 免棱鏡激光全站儀的工作原理示意圖 Fig.1 Working principle of prism-free laser total station

免棱鏡激光全站儀在出廠時(shí)已經(jīng)經(jīng)過嚴(yán)格的誤差校正，但是在應(yīng)用過程中依然需要進(jìn)行校驗(yàn)。首先，需要檢驗(yàn)儀器的外觀是否有異樣，例如螺絲松動(dòng)、水平制動(dòng)和垂直制動(dòng)不靈敏、光束旋轉(zhuǎn)軸不光滑等；其次，再檢查免棱鏡激光全站儀的光束方向是否出現(xiàn)偏差；最后，再進(jìn)行測(cè)距檢查[10]。深部裂隙巖體結(jié)構(gòu)面只需要應(yīng)用免棱鏡激光全站儀在被測(cè)物體上建立一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)中所測(cè)量出來的距離水平、數(shù)值方向的值實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)運(yùn)算，運(yùn)算后的數(shù)據(jù)經(jīng)過投影成像形成數(shù)據(jù)信息，再結(jié)合數(shù)碼像機(jī)中所拍攝的圖像進(jìn)一步確定深部裂隙巖體結(jié)構(gòu)面的信息精準(zhǔn)度[11]。

設(shè)定免棱鏡激光全站儀的測(cè)量點(diǎn)為O(三維坐標(biāo)的原點(diǎn))，X軸平行于A、B的水平連線，通過測(cè)量點(diǎn)O分別對(duì)A、B兩點(diǎn)進(jìn)行連線，分別得出水平方向XA、垂直方向YA、斜距的位置距離ZA，三個(gè)方向的位置距離測(cè)量公式如下：

XA=SAsinβ·sin?
YA=SAsinβ·cos?
ZA=SAcosβ

(1)

式中：SA為斜距，經(jīng)過免棱鏡激光全站儀中讀取的不同角度對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行信息讀取，即可獲得深部裂隙巖體的結(jié)構(gòu)面信息，將免棱鏡激光全站儀與計(jì)算機(jī)設(shè)備相連接，便可以實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)到科研總部[1]。

圖2所示為測(cè)量公式采用的空間極坐標(biāo)。

圖2 測(cè)量公式采用的空間極坐標(biāo)Fig.2 Space polar coordinates by measurement formula

3 基于數(shù)字化近景攝影設(shè)備的深部裂隙巖體變形測(cè)量

基于獲得的深部裂隙巖體結(jié)構(gòu)面的相關(guān)測(cè)量信息，再次應(yīng)用數(shù)字化近景攝影設(shè)備對(duì)深部裂隙巖體變形信息進(jìn)行測(cè)量，相關(guān)測(cè)量流程如圖3所示。

圖3 基于數(shù)字化近景攝影的深部裂隙巖體變形測(cè)量流程Fig.3 Deformation measurement process of deep fractured rock mass based on digital close-range photography

應(yīng)用免棱鏡激光全站儀與數(shù)碼像機(jī)對(duì)深部裂隙巖體變形進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為了保障測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，需要先進(jìn)行設(shè)備控制測(cè)量，確保在測(cè)量過程中不會(huì)因?yàn)橛布驅(qū)е聹y(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差[12]。免棱鏡激光全站儀在測(cè)量時(shí)需要設(shè)置大量的導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)作為觀察路徑，主要根據(jù)免棱鏡激光全站儀的布設(shè)位置變化而改變導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)的控制測(cè)量，確保導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)之間處于互通狀態(tài)。導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)可以作為免棱鏡激光全站儀的坐標(biāo)點(diǎn)輸入信息計(jì)數(shù)程序中，在計(jì)數(shù)程序中具備節(jié)點(diǎn)的定位軟件，利用定位軟件得到導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的控制網(wǎng)絡(luò)圖，如圖4所示(D1～D5分別為導(dǎo)線節(jié)點(diǎn))：

圖4 導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的控制網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Control network of traverse nodes

根據(jù)圖4中導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)的位置，分析免棱鏡激光全站儀在被測(cè)物體中的位置，即可得到深部裂隙巖體中導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)坐標(biāo)點(diǎn)，確保了測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。測(cè)得的控制網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息結(jié)果如表1所示。

表1 控制網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息Tab.1 Coordinateinformationofcontrolnetworktraversenode序號(hào)坐標(biāo)點(diǎn)X/mY/mZ/mD1100.0100.0100.0D2103.2112.0113.4D3121.5132.9145.5D498.3120.0142.3D5147.2120.3153.1

深部裂隙巖體的變化主要是通過裂隙的程度來體現(xiàn)的，采用免棱鏡激光全站儀在裂隙巖體中建立空間坐標(biāo)系，通過裂隙角度測(cè)量獲得精確值，該數(shù)值是深部裂隙巖體變形的重要數(shù)據(jù)之一[13]。在深部裂隙巖體中，由于空間位置狹小，測(cè)量?jī)x器的展放范圍有限，為了能夠快速精準(zhǔn)地測(cè)量數(shù)據(jù)，本文采用免棱鏡激光全站儀的測(cè)量方向、數(shù)碼像機(jī)拍攝的內(nèi)容和深部裂隙角度的數(shù)值進(jìn)行深度分析，并限制數(shù)據(jù)差以獲取更加精準(zhǔn)的信息。其中深部裂隙巖體的角度數(shù)值可以通過平面與直線交錯(cuò)的方式測(cè)量，假設(shè)深部裂隙巖體的結(jié)構(gòu)面為平面，免棱鏡激光全站儀所發(fā)射的光束為直線，當(dāng)直線與平面產(chǎn)生一定的角度時(shí)，設(shè)直線的方向向量與平面的法向量之間的夾角為β，此時(shí)夾角的值始終保持在銳角狀態(tài)，根據(jù)兩個(gè)向量的夾角余弦坐標(biāo)表達(dá)式可以得出以下公式：

(2)

式中：X、Y、Z分別表示在水平方向、垂直方向和斜距方向的位置，m、n、p分別是各方向?qū)?yīng)的向量。當(dāng)直線與平面垂直時(shí)，直線的方向向量與平面的方向向量則處于一種平行狀態(tài)，得到的測(cè)量公式如下：

(3)

根據(jù)平面與直線之間的關(guān)系和相應(yīng)的測(cè)量公式對(duì)參數(shù)進(jìn)行代入計(jì)算，得到精準(zhǔn)的深部裂隙巖體夾角，直線與平面的夾角關(guān)系模擬圖如圖5所示。

圖5 直線與平面的夾角關(guān)系Fig.5 Simulation of angle relation between a line and a plane

測(cè)量過程中常因?yàn)樯畈苛严兜目臻g多變性以及狹小性改變免棱鏡激光全站儀的工作模式，當(dāng)免棱鏡激光全站儀發(fā)出的光束與巖體表面的夾角過小時(shí)，免棱鏡激光全站儀會(huì)出現(xiàn)光束折射的現(xiàn)象，導(dǎo)致儀器設(shè)備的成像效果降低，不能將光束信息化處理。為了避免這種情況出現(xiàn)，本文提出的測(cè)量方法中應(yīng)用了夾角限差技術(shù)，通過改變免棱鏡激光全站儀放射光束的角度與高度分別預(yù)測(cè)量巖體的結(jié)構(gòu)面，結(jié)合預(yù)測(cè)量的相關(guān)數(shù)據(jù)分析測(cè)量角度的差值所帶來的最終數(shù)據(jù)[14]。

數(shù)據(jù)分析表明，在相同的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)較接近的情況下，免棱鏡激光全站儀發(fā)出的光束角度與結(jié)構(gòu)面的角度大于50°，并且兩次測(cè)量的最終測(cè)量角度差在20°內(nèi)，這20°的測(cè)量誤差可以歸結(jié)為測(cè)量誤差或設(shè)備角度原因造成的。根據(jù)誤差產(chǎn)生的原因，有針對(duì)性地分析解決并進(jìn)行限制，便可以解決誤差問題。

儀器的高度和角度不同，與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的夾角模擬圖如圖6所示。

圖6 儀器的高度和角度不同與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的夾角Fig.6 Angle between and the height and angle of the instrument and the structural plane

4 試驗(yàn)研究

本文所研究的基于數(shù)字化近景攝影設(shè)備的深部裂隙巖體變形測(cè)量方法主要針對(duì)傳統(tǒng)方法中測(cè)量信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度低、耗時(shí)長(zhǎng)、不全面等缺陷做出改進(jìn)。為了驗(yàn)證本文方法所做出的改進(jìn)優(yōu)于傳統(tǒng)方法，設(shè)計(jì)本試驗(yàn)。為了確保試驗(yàn)過程中不出現(xiàn)偶然性，對(duì)試驗(yàn)中所應(yīng)用的設(shè)備以及試驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行了試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定，相關(guān)信息如表2所示。

本試驗(yàn)具體流程如下，首先，選取一處地形突出的深部裂隙巖體變形地形，并在此區(qū)域地形中設(shè)定成像控點(diǎn)，利用非測(cè)量攝影設(shè)備進(jìn)行成像控點(diǎn)的作業(yè)，用于檢測(cè)試驗(yàn)過程的安全性能；其次，在區(qū)域地形中建立三維空間坐標(biāo)系，并建立參數(shù)模型作為輸出文件，模型中的參數(shù)主要包括相關(guān)設(shè)備的精確度數(shù)值、深部裂隙巖體變形準(zhǔn)確值和常見誤差；最后，將免棱鏡激光全站儀進(jìn)行位置定向，經(jīng)過操控人員的調(diào)整觀測(cè)再向設(shè)備中輸入測(cè)量程序，設(shè)備定向后需要建立離散點(diǎn)對(duì)三維空間坐標(biāo)系進(jìn)行編輯生成數(shù)據(jù)表[15]。為了突出本文方法的優(yōu)勢(shì)，在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)共設(shè)定6個(gè)免棱鏡激光全站儀觀測(cè)站點(diǎn)，對(duì)免棱鏡激光全站儀觀測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，生成折線圖，并在6個(gè)免棱鏡激光全站儀中設(shè)定兩種區(qū)域殘差，如表3所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)Tab.2 Parametersofexperimentalequipment設(shè)備名稱型號(hào)工作頻率/Hz成像波長(zhǎng)/μm攝影范圍/m數(shù)碼像機(jī)索尼500.30500免棱鏡激光全站儀HG-50y500.360.9

表3 兩個(gè)區(qū)域的殘差數(shù)據(jù)Tab.3 Residualdataofthetworegions點(diǎn)名第一區(qū)域殘差X殘差/mmY殘差/mmZ殘差/mm第二區(qū)域殘差X殘差/mmY殘差/mmZ殘差/mm1-0.002350.00451-0.08920-0.052350.04451-0.589202-0.00148-0.00485-0.00465-0.04148-0.03485-0.014653-0.002550.00458-0.00475-0.062550.05458-0.03475

基于兩個(gè)不同階段的殘差數(shù)據(jù)，應(yīng)用本文方法對(duì)深部裂隙巖體變形數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)采用第一階段的數(shù)據(jù)殘差時(shí)，本文方法的測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)方法的測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

圖7 第一階段數(shù)據(jù)殘差下的試驗(yàn)對(duì)比Fig.7 Experimental comparison diagram under the first stage data residuals

當(dāng)采用第二階段的數(shù)據(jù)殘差時(shí)，本文方法的測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)方法的測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

圖8 第二階段數(shù)據(jù)殘差下的試驗(yàn)對(duì)比Fig.8 Experimental comparison diagram under the second stage data residuals

從兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果可知，本文方法在對(duì)深部裂隙巖體變形測(cè)量的覆蓋程度和效率上主要應(yīng)用免棱鏡激光全站儀與數(shù)碼像機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化近景攝影，通過數(shù)字化技術(shù)更加快速地將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和分享，利用免棱鏡激光全站儀應(yīng)用光束測(cè)量傳統(tǒng)方法無法達(dá)到的位置裂隙，完善并豐富了測(cè)量數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

近景攝影測(cè)量設(shè)備應(yīng)用廣泛，能全面且快速地實(shí)現(xiàn)地形測(cè)量。基于此，本文利用免棱鏡激光全站儀、數(shù)碼像機(jī)作為近景攝影測(cè)量設(shè)備，對(duì)深部裂隙巖體變形進(jìn)行測(cè)量。首先，應(yīng)用免棱鏡激光全站儀在被測(cè)物體上建立一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，通過觀測(cè)點(diǎn)中所測(cè)量的距離、水平，數(shù)值方向的值進(jìn)行三維坐標(biāo)運(yùn)算，將運(yùn)算后的數(shù)據(jù)經(jīng)過投影成像形成數(shù)據(jù)信息；其次，結(jié)合數(shù)碼像機(jī)所拍攝的圖像進(jìn)一步確定深部裂隙巖體結(jié)構(gòu)面的信息精準(zhǔn)度，以此實(shí)現(xiàn)深部裂隙巖體的變形測(cè)量。該方法有效解決了深部裂隙巖體變形在不同階段測(cè)量準(zhǔn)確率較低的問題。