基于攝影測(cè)量系統(tǒng)的巖體結(jié)構(gòu)面精細(xì)識(shí)別表征及應(yīng)用

許文濤，李曉昭,2，章楊松，朱鴻鵠，張 巍，宣程強(qiáng)

1. 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023; 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 3. 南京理工大學(xué)土木工程系，江蘇 南京 210094

自然界巖體中結(jié)構(gòu)面(裂隙/不連續(xù)面)無(wú)處不在，而存在于巖體中的結(jié)構(gòu)面對(duì)于其性質(zhì)具有重要的影響，這是巖石工程問(wèn)題(如放射性廢物深地處置、巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性、基巖大壩穩(wěn)定性等)中最棘手的瓶頸之一。國(guó)內(nèi)外對(duì)此開(kāi)展了大量研究，取得了一系列重要成果。文獻(xiàn)[1]首次提出結(jié)構(gòu)面對(duì)地質(zhì)體穩(wěn)定性起著控制作用，且結(jié)構(gòu)面的組合形態(tài)決定地質(zhì)體尤其是巖體的物理力學(xué)性質(zhì)。文獻(xiàn)[2]在巖體結(jié)構(gòu)控制論基礎(chǔ)上，借助數(shù)學(xué)力學(xué)模型發(fā)展形成“地質(zhì)—力學(xué)”分析方法，促進(jìn)了工程地質(zhì)問(wèn)題的定量研究。文獻(xiàn)[3]在結(jié)構(gòu)控制論和優(yōu)勢(shì)面觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了一套系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)面理論，該理論在工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]通過(guò)試驗(yàn)和算例，分析了結(jié)構(gòu)面控制下的邊坡穩(wěn)定性，總結(jié)了不同結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度的評(píng)估方法。文獻(xiàn)[5]探究了多結(jié)構(gòu)面組合控制模式下滑坡的破壞形式和特征。巖體結(jié)構(gòu)面控制論發(fā)展至今，已具備豐富的理論體系，涉及工程地質(zhì)、巖土工程、地質(zhì)力學(xué)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)及遙感測(cè)繪等多學(xué)科，并仍然在不斷地發(fā)展、創(chuàng)新和交叉融合。

在巖體結(jié)構(gòu)面控制論中，如何有效、準(zhǔn)確地獲取結(jié)構(gòu)面的特征參數(shù)是分析巖體特性的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)面的傳統(tǒng)測(cè)量方法主要依靠接觸式地質(zhì)羅盤、皮尺和測(cè)繩等。這些實(shí)地測(cè)量方法受限于地形條件、工作效率及工作人員作業(yè)水平，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高效準(zhǔn)確的量測(cè)。隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字圖像技術(shù)的蓬勃發(fā)展，激光掃描、攝影測(cè)量，以及遙感測(cè)繪等新興技術(shù)被廣泛應(yīng)用于獲取被測(cè)物的影像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被測(cè)物性質(zhì)的數(shù)字化表征[6-10]。文獻(xiàn)[11]利用雙目立體測(cè)量技術(shù)，提出了基于數(shù)碼攝像的隧道二維掌子面巖體結(jié)構(gòu)量化表征體系。文獻(xiàn)[12]通過(guò)三維激光掃描技術(shù)獲取露頭點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了巖體結(jié)構(gòu)面的測(cè)量與識(shí)別研究。文獻(xiàn)[13]將近距離地面數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和地面激光掃描成功應(yīng)用于巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面的測(cè)量和表征。文獻(xiàn)[14]利用小型遙控?zé)o人機(jī)，對(duì)意大利奧美亞巖坡進(jìn)行了低空攝影測(cè)量，建立了三維紋理化數(shù)字露頭模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖體結(jié)構(gòu)信息的有效描述。以上研究充分驗(yàn)證了將攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于巖體結(jié)構(gòu)面智能化識(shí)別和數(shù)字化獲取的可行性。然而，上述研究大多針對(duì)小尺度范圍內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面的識(shí)別展開(kāi)，且利用圖像識(shí)別或者雙目識(shí)別的傳統(tǒng)攝影測(cè)量方法，由于拍攝姿態(tài)、鏡頭畸變及角度偏差等因素的影響，不可避免地對(duì)結(jié)構(gòu)面識(shí)別結(jié)果帶來(lái)誤差。對(duì)于一些大范圍區(qū)域，當(dāng)存在較大尺度結(jié)構(gòu)面時(shí)，局部的小尺度測(cè)量方法只能捕獲大尺度結(jié)構(gòu)面的部分特征，這會(huì)對(duì)后續(xù)的巖體特性分析帶來(lái)嚴(yán)重的偏差和不確定性。雖然利用多源衛(wèi)星影像的攝影測(cè)量遙感技術(shù)，并結(jié)合人工智能圖像處理，可實(shí)現(xiàn)不同尺度地物信息的智能化提取及可視化再現(xiàn)[15-17]，但是，通過(guò)航空測(cè)繪結(jié)合語(yǔ)義分割技術(shù)只能識(shí)別出地物信息的直觀形貌特征。對(duì)于廣域范圍不同尺度結(jié)構(gòu)面的精細(xì)化識(shí)別測(cè)量與調(diào)查仍是一個(gè)挑戰(zhàn)，有待于進(jìn)一步的驗(yàn)證和完善。

在巖體結(jié)構(gòu)面特性研究中，另一個(gè)重要的問(wèn)題和挑戰(zhàn)就是如何合理高效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)面的識(shí)別與特征參數(shù)的表征。所謂結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)的表征，就是對(duì)結(jié)構(gòu)面信息(產(chǎn)狀、跡長(zhǎng)、密度、間距等參數(shù))，利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法探究其最合理的概率分布形式。這不僅為巖體特性評(píng)價(jià)及巖體質(zhì)量和失穩(wěn)機(jī)制的分析提供了重要信息，也為建模研究提供了基礎(chǔ)參數(shù)[18-19]。對(duì)于結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)的評(píng)估，通常采用接觸式的掃描測(cè)線法或測(cè)窗法。鑒于該方法的低效性，越來(lái)越多的研究者選擇在非接觸攝影測(cè)量基礎(chǔ)上，建立數(shù)字模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)面參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析[19-20]。文獻(xiàn)[21]開(kāi)發(fā)了用于識(shí)別和提取巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、間距、組數(shù)等參數(shù)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析軟件工具箱DiAna。文獻(xiàn)[22]在三維點(diǎn)云模型基礎(chǔ)上采用改進(jìn)的K均值聚類方法對(duì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行了分析，并利用掃描線法統(tǒng)計(jì)分析了裂隙跡線間距信息。上述技術(shù)提高了結(jié)構(gòu)面信息獲取與表征的準(zhǔn)確性，但巖體結(jié)構(gòu)面信息的獲取與表征以及巖體特性的分析多基于產(chǎn)狀單一要素展開(kāi)，并且研究對(duì)象均為小尺度的露頭、邊坡或隧道掌子面。另外，在目前的大多數(shù)研究中，產(chǎn)狀的聚簇分析、跡線的采樣統(tǒng)計(jì)均涉入了大量的人工干預(yù)，造成參數(shù)表征的主觀不確定性；人為布設(shè)測(cè)窗也不符合表征方法強(qiáng)調(diào)便捷、高效的初衷。文獻(xiàn)[19]基于地面近景攝影建立的高精度露頭三維點(diǎn)云模型，通過(guò)改進(jìn)的快速模糊聚類方法和三維數(shù)字地形測(cè)窗統(tǒng)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)的系統(tǒng)性表征，并將其應(yīng)用于裂隙網(wǎng)絡(luò)建模。這為探究多尺度結(jié)構(gòu)面信息的表征以及結(jié)構(gòu)面影響下巖體特性的分析提供了一種便捷有效的手段。

本文以甘肅北山高放廢物地質(zhì)處置預(yù)選場(chǎng)址為研究對(duì)象，利用由無(wú)人機(jī)、GPS-RTK及地面近景攝影組成的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了大范圍多尺度綜合研究。通過(guò)攝影測(cè)量系統(tǒng)獲取的地物(結(jié)構(gòu)面巖體)高精度影像照片建立了場(chǎng)區(qū)數(shù)字正射影像模型(DOM)和裂隙露頭三維重構(gòu)數(shù)字表面模型(DSM)。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展了結(jié)構(gòu)面的系統(tǒng)性識(shí)別、提取和表征研究，并根據(jù)表征的結(jié)構(gòu)面參數(shù)信息探究了場(chǎng)區(qū)主要斷裂F31斷層對(duì)上盤巖體特性(完整性)的影響范圍。

1 攝影測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)特征

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)是集GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量、地面數(shù)字近景攝影測(cè)量,以及RTK移動(dòng)端(GPS-RTK)測(cè)量為一體，從不同尺度和維度進(jìn)行綜合測(cè)量及地質(zhì)調(diào)查的技術(shù)方法。圖1展示了該系統(tǒng)的具體技術(shù)特征。

圖1 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 The digital photogrammetric system

GPS-RTK由基準(zhǔn)站、流動(dòng)站和信號(hào)傳輸系統(tǒng)組成，測(cè)量一般包括靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)煞N模式。具體技術(shù)特征為：放置在已知坐標(biāo)信息位置的基準(zhǔn)站與放置在待測(cè)位置的移動(dòng)站同步采集相同衛(wèi)星信號(hào)，RTK移動(dòng)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站載波相位測(cè)量的數(shù)據(jù)(包括衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)、測(cè)站坐標(biāo)信息及載波相位觀測(cè)值)，然后利用GPS內(nèi)置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與RTK觀測(cè)數(shù)據(jù)組成差分觀測(cè)值，通過(guò)相位差分技術(shù)求解待測(cè)位置的空間三維地理位置信息(包括坐標(biāo)、高程及測(cè)量精度等)。一般情況下，一個(gè)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)鏈可覆蓋十幾千米的測(cè)量范圍。當(dāng)有障礙物嚴(yán)重阻擋數(shù)據(jù)鏈的傳播時(shí)，就需要移動(dòng)基準(zhǔn)站或者架設(shè)頻率與基準(zhǔn)站和流動(dòng)站相匹配的中繼站電臺(tái)。需要說(shuō)明的是，GPS-RTK測(cè)量時(shí)需要保持接收和跟蹤4顆以上衛(wèi)星信號(hào)，以確保測(cè)量解算的可靠度和精度。

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)由飛行控制系統(tǒng)、傳感器技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成。在飛行平臺(tái)上(固定翼或多旋翼)搭載高精度數(shù)碼相機(jī)、機(jī)載GPS、高度測(cè)距儀及航向儀等傳感器，通過(guò)設(shè)置的飛控參數(shù)和規(guī)定航線來(lái)完成既定任務(wù)的攝影測(cè)量。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量與傳統(tǒng)攝影測(cè)量原理一致，即利用共線性方程建立像點(diǎn)和物點(diǎn)的像物關(guān)系模型，利用光速法平差(bundle adjustment，BA)實(shí)現(xiàn)模型公共點(diǎn)的最佳交會(huì)，然后將全區(qū)域統(tǒng)一到同一大地坐標(biāo)系中(由已知地面控制點(diǎn)坐標(biāo)確定)。對(duì)于地面控制點(diǎn)的測(cè)量，通常采用POS(position and orientation system)系統(tǒng)輔助無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)量，主要是將GPS全球定位系統(tǒng)確定的位置高度信息、IMU慣性測(cè)量裝置獲取的姿態(tài)信息同步到采集的圖像信息中，以對(duì)位姿和場(chǎng)景特征進(jìn)行估計(jì)。然而，在大尺度飛行測(cè)量時(shí)，由于IMU和GPS位置信息的累積誤差，會(huì)導(dǎo)致姿態(tài)信息(或運(yùn)動(dòng)軌跡)的解算漂移，從而嚴(yán)重影響后續(xù)建模的準(zhǔn)確度。因此，需要結(jié)合地面控制點(diǎn)(GCP)，通過(guò)GPS-RTK測(cè)量技術(shù)獲取高精度GCP位置信息來(lái)確定飛行測(cè)量區(qū)域在大地坐標(biāo)系下的絕對(duì)位置。另外，對(duì)于大尺度無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，航線設(shè)計(jì)是高質(zhì)量成圖的關(guān)鍵，要充分考慮地形特征、地面分辨率要求、航向旁向重疊度、采樣飛行高度及飛行方向等要素。北山地區(qū)多以小山丘地形特征為主，本文根據(jù)航高計(jì)算公式(航高=(地面采樣間距×鏡頭焦距)/像元尺寸)，以及采用的定焦35 mm的Nikon D810相機(jī)技術(shù)參數(shù)，設(shè)定飛行高度為220 m，井字形航向(圖2(a))，測(cè)量時(shí)航向重疊度為70%，旁向重疊度為50%(保證主要區(qū)域不少于3張重疊數(shù))(圖2(b))，以確保地物影像細(xì)節(jié)清晰可辨、色彩飽滿。

圖2 無(wú)人機(jī)航測(cè)攝影影像采集Fig.2 Image acquisition using UAV

地面數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)是基于張祖勛院士提出的通過(guò)多視覺(jué)代替雙目視覺(jué)傳統(tǒng)攝影測(cè)量的多基線近景攝影測(cè)量技術(shù)[23]，具體技術(shù)原理與無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量相同。為了便于野外復(fù)雜條件下的測(cè)量，筆者采用非測(cè)量相機(jī)(普通數(shù)碼相機(jī))，通過(guò)靈活的旋轉(zhuǎn)多基線交向攝影方式獲取地表露頭面照片。這一測(cè)量方式并沒(méi)有嚴(yán)格意義上的測(cè)量站點(diǎn)和測(cè)量基線，測(cè)量時(shí)只需要根據(jù)被測(cè)對(duì)象的大小和地形特征選擇合適的拍攝方位和距離，然后根據(jù)選用的焦距，以拍攝距離D的1/10～1/5來(lái)確定基線長(zhǎng)度和站點(diǎn)數(shù)。在每一站點(diǎn)以15°～30°的交會(huì)角對(duì)被測(cè)物進(jìn)行多次拍攝，相鄰影像間的重疊度不小于30%～50%，且影像應(yīng)盡量與被拍攝興趣區(qū)域垂直。進(jìn)而達(dá)到對(duì)被測(cè)物多視角、多位置的全景攝影覆蓋測(cè)量，提高攝影測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

總體而言，對(duì)于大范圍巖體結(jié)構(gòu)面的測(cè)量測(cè)繪，無(wú)人機(jī)航測(cè)可便捷、快速獲取大尺度巖體結(jié)構(gòu)面信息。然而由于地形起伏等限制，對(duì)于局部區(qū)域(較小尺度)結(jié)構(gòu)面的立體(三維)信息不能有效精準(zhǔn)解譯；而地面近景攝影測(cè)量技術(shù)可精確獲取中小尺度(百米尺度以內(nèi))范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)面信息，但是獲取大尺度結(jié)構(gòu)信息的建模技術(shù)和工作量是一個(gè)挑戰(zhàn)。GPS-RTK結(jié)合全站儀作為上述兩種攝影測(cè)量方法中GCP位置信息精準(zhǔn)測(cè)量的一種手段，確保了大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的可靠度和精度；同時(shí)作為一種獲取點(diǎn)數(shù)據(jù)的測(cè)量方式，也可用于結(jié)構(gòu)面的高精度測(cè)量。總之，由無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量、地面多基線近景攝影測(cè)量以及GPS-RTK高精度點(diǎn)位測(cè)量組成的測(cè)量系統(tǒng)互為補(bǔ)充，可從多尺度、多視角獲取巖體結(jié)構(gòu)信息，為不同尺度結(jié)構(gòu)面的精細(xì)識(shí)別與表征提供有效的技術(shù)方法。

2 數(shù)字模型重構(gòu)技術(shù)特征

地物數(shù)字模型的重構(gòu)是基于攝影測(cè)量獲取的二維照片或者帶有空間屬性的點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行，主要有GPS-RTK數(shù)字跡線模型，以及攝影測(cè)量數(shù)字模型。

2.1 GPS-RTK數(shù)字跡線模型

考慮到北山地區(qū)線狀結(jié)構(gòu)面多以直線形出露，因此本文采用GPS-RTK技術(shù)測(cè)量局部典型區(qū)域巖體線狀結(jié)構(gòu)面特征點(diǎn)(跡線首尾兩點(diǎn)以及中間的顯著出露點(diǎn))的方法，獲得跡線三維點(diǎn)數(shù)據(jù)信息。通過(guò)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)以直線形式相連，即可得到測(cè)區(qū)結(jié)構(gòu)面跡線三維空間分布。以北山某百米尺度典型線狀結(jié)構(gòu)面發(fā)育露頭為例，其GPS-RTK測(cè)量的跡線空間分布如圖3(a)所示。為了對(duì)結(jié)構(gòu)面跡線分布特征進(jìn)行有效的表達(dá)，且便于進(jìn)行特征參數(shù)的提取以及統(tǒng)計(jì)分析，需要建立可布設(shè)數(shù)字測(cè)線或測(cè)窗的數(shù)字地面模型(digital terrain model,DTM)載體。DTM的構(gòu)建，通常采用不規(guī)則三角網(wǎng)(triangulated irregular network，TIN)通過(guò)將一系列空間點(diǎn)組成三角形，由一系列邊連接形成連續(xù)、不重疊三角面組成三角網(wǎng)，進(jìn)而完成曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的表達(dá)(圖3(b))。需要說(shuō)明的是，在TIN模型構(gòu)建中，生成的三角形需要滿足Delaunay準(zhǔn)則，也就是三角平面的幾何特征和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)面由三角形3個(gè)頂點(diǎn)的空間坐標(biāo)值決定，這就使得TIN模擬較小區(qū)域具有起伏特征地形表面形態(tài)具有一定的優(yōu)勢(shì)(精度高)[24]。目前基于Delaunay三角網(wǎng)生成TIN的方法有很多，本文主要利用GPS-RTK測(cè)量的結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)(也可視為地形數(shù)據(jù))基于Delaunay三角網(wǎng)劃分準(zhǔn)則通過(guò)C語(yǔ)言自主編程生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)TIN模型的構(gòu)建和可視化(圖3(b)、(c))，也可在ArcGIS中基于Delaunay三角測(cè)量生成TIN模型。在得到TIN地形模型后，將空間分布的跡線疊加到TIN模型上，完成GPS-RTK數(shù)字跡線模型的構(gòu)建。

圖3 GPS-RTK獲取的數(shù)字跡線以及結(jié)構(gòu)面三維跡線模型Fig.3 Trace distribution obtained by GPS-RTK and 3D trace model for discontinuities

考慮到地形起伏因素對(duì)于結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)評(píng)估帶來(lái)的不確定性和困難，本文在構(gòu)建TIN地形表面模型基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)地形模型進(jìn)行矢量化處理，以不同形狀的網(wǎng)格(如矩形)在模型表面進(jìn)行空間差值，生成連續(xù)且擬合良好的矩形網(wǎng)格地形曲面(可作為符合地形起伏特征的數(shù)字測(cè)窗)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面信息的數(shù)字化統(tǒng)計(jì)(圖3(d))。由于生成的網(wǎng)格地形曲面，網(wǎng)格大小可根據(jù)統(tǒng)計(jì)需要而改變，因此這一方法也為跡線空間分布的分形維數(shù)特征研究提供了方便。

GPS-RTK數(shù)字跡線模型可提供局部小尺度范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)面信息的精細(xì)化表征，但是大范圍進(jìn)行結(jié)構(gòu)面信息提取和識(shí)別時(shí)，逐一測(cè)量跡線特征點(diǎn)需要開(kāi)展大量的野外工作。因此，本文在現(xiàn)場(chǎng)工作中仍然借鑒GPS-RTK高精度位置點(diǎn)信息定位測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，探索利用攝影測(cè)量技術(shù)便捷高效的優(yōu)勢(shì)，改進(jìn)測(cè)量方法以進(jìn)一步提高野外測(cè)量工作效率和結(jié)構(gòu)面信息解譯精度，并減少以往測(cè)量方法僅利用部分結(jié)構(gòu)面跡線點(diǎn)來(lái)解讀結(jié)構(gòu)面信息的不確定性。

2.2 攝影測(cè)量數(shù)字表面模型

巖體結(jié)構(gòu)面的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的形式主要有無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量和地面近景攝影測(cè)量。攝影測(cè)量獲取二維照片的最終目的就是建立或者還原被測(cè)地物三維結(jié)構(gòu)信息。如第1節(jié)所述，筆者開(kāi)展野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)選用的是非測(cè)量相機(jī)，因此可利用運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)(SfM)方法通過(guò)對(duì)攝取影像進(jìn)行特征匹配，建立特征點(diǎn)之間的特征關(guān)系求取相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)[25]。因而在野外作業(yè)時(shí)無(wú)須事先知道相機(jī)的位置、拍攝角度以及與目標(biāo)物的距離等參數(shù)，這最大限度地提升了野外工作的靈活性，使得攝影測(cè)量結(jié)合SfM方法建立被測(cè)物數(shù)字表面模型的技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。本文主要采用增量式SfM法構(gòu)建和恢復(fù)被測(cè)物表面三維模型，主要步驟有：①構(gòu)建初始稀疏點(diǎn)；②點(diǎn)云加密稠密化；③曲面重構(gòu)和紋理映射。

首先，在經(jīng)過(guò)特征匹配的圖像中選取最優(yōu)的種子圖像通過(guò)對(duì)極關(guān)系進(jìn)行初始位姿求解[26]，然后不斷添加新的圖像依次進(jìn)行特征匹配。對(duì)于新圖像中匹配到的特征點(diǎn)通過(guò)空中三角測(cè)量，恢復(fù)和計(jì)算同名像點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)構(gòu)建初始稀疏點(diǎn)云。對(duì)于運(yùn)動(dòng)恢復(fù)過(guò)程中會(huì)可能出現(xiàn)的一部分噪聲，采用光束法平差(BA)減小誤差累積，提高初始特征點(diǎn)云的保真度?；赟fM構(gòu)建的稀疏點(diǎn)云，利用多視圖聚簇(CMVS)法對(duì)圖像進(jìn)行聚簇分析，然后采用基于面片模型的三維重建算法(PMVS)通過(guò)匹配、擴(kuò)展、過(guò)濾3個(gè)階段完成密集匹配的同時(shí)生成稠密三維點(diǎn)云[27]；最后基于Matlab平臺(tái)自主編程實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的可視化以及表面模型的重構(gòu)和渲染；通過(guò)控制點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換即可得到具有真實(shí)地理信息的三維數(shù)字表面模型。以北山坑探揭露的圍巖臨空面為例(可視為結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖質(zhì)邊坡)，圖4(a)為SfM法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)攝影照片構(gòu)建的稀疏點(diǎn)云，圖4(b)為根據(jù)稀疏點(diǎn)云重構(gòu)的數(shù)字表面模型和紋理渲染。

圖4 攝影測(cè)量數(shù)字表面模型構(gòu)建Fig.4 Construction of digital surface model based on photogrammetry

三維數(shù)字模型的重構(gòu)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，Pix4Dmapper、Smart3D等均可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云重構(gòu)。目前多數(shù)研究針對(duì)SfM方法體系中算法的穩(wěn)健性、建模的精度準(zhǔn)確度以及重構(gòu)模型的完整度等方面進(jìn)行改進(jìn)來(lái)提升建模的效率和成圖質(zhì)量。但是對(duì)于復(fù)雜條件下大尺度的高精度建模，通常會(huì)由于數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜以及誤差累積等直接或間接影響建模結(jié)果。對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，通過(guò)航片或者攝影姿態(tài)調(diào)整、照片質(zhì)量控制以及重合度保證等操作均可促進(jìn)高保真建模(具體技術(shù)方法見(jiàn)第1節(jié))。

3 結(jié)構(gòu)面信息識(shí)別與表征

3.1 結(jié)構(gòu)面的識(shí)別與提取

利用GPS-RTK技術(shù)測(cè)量的結(jié)構(gòu)面，選取3個(gè)以上控制點(diǎn)(特征點(diǎn))，通過(guò)最小二乘法原理擬合結(jié)構(gòu)面平面，并通過(guò)構(gòu)建的三維數(shù)字跡線模型可輕松實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面信息的識(shí)別與表征。另一種方法是基于三維重構(gòu)DSM模型的結(jié)構(gòu)面自動(dòng)化識(shí)別。攝影測(cè)量(尤其是地面近景攝影測(cè)量)過(guò)程中由于野外復(fù)雜環(huán)境因素的影響，在生成的DSM模型中勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一些噪點(diǎn)，尤其是生長(zhǎng)在所要提取結(jié)構(gòu)面上的噪點(diǎn)，無(wú)法通過(guò)人工刪減等現(xiàn)有方法合理去除。為了消除噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)面識(shí)別精度的影響，本文采用拉普拉斯網(wǎng)格平滑算法，通過(guò)重置和優(yōu)化網(wǎng)格頂點(diǎn)來(lái)達(dá)到除噪和平滑DSM模型的目的。對(duì)于模型表面網(wǎng)格中一個(gè)編號(hào)為i的頂點(diǎn)Di，其周邊一階傘狀鄰接點(diǎn)為Dj，則賦予兩點(diǎn)距離權(quán)重wij的拉普拉斯平滑可表示為

(1)

為了控制平滑的程度與速率，在平滑過(guò)程中使網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)更新通過(guò)速率控制系數(shù)λ來(lái)完成，即

(2)

式中，λ的取值為0～1。對(duì)圖4(a)在λ=0.3時(shí)平滑8次得到圖5(a)效果。

基于平滑后的DSM模型，通過(guò)自動(dòng)識(shí)別(或指定)的結(jié)構(gòu)面特征點(diǎn)，利用K最近鄰算法(KNN)搜索出每一個(gè)點(diǎn)最近的k個(gè)鄰居點(diǎn)形成子平面點(diǎn)集；再通過(guò)主成分分析法(PCA)進(jìn)行優(yōu)化、降維以及刪除閾值外噪點(diǎn)等操作擬合最優(yōu)子平面，并獲得子平面的法向量和平坦度量指標(biāo)；然后對(duì)表面模型中所有點(diǎn)進(jìn)行歸類，實(shí)現(xiàn)平面的邊緣檢測(cè)和分割(如圖5(a)所示，其中綠色為平面檢測(cè)邊緣，紅色為平面結(jié)構(gòu))。為了保證結(jié)構(gòu)面識(shí)別的準(zhǔn)確性以及客觀性，選擇模型中平坦度量指標(biāo)值最小(越小，表明平坦性越好)的點(diǎn)作為種子點(diǎn)，然后比較待確定平面點(diǎn)集和種子點(diǎn)間的角間距，如果在閾值范圍(精度)要求內(nèi)，則納入同一平面，并繼續(xù)向周邊生長(zhǎng)和搜索。完成一次區(qū)域生長(zhǎng)后，進(jìn)行面域內(nèi)剩余點(diǎn)平坦度量指標(biāo)的比較，獲取新的種子點(diǎn)，然后重復(fù)執(zhí)行區(qū)域生算法直至遍歷所有點(diǎn)，進(jìn)而優(yōu)化結(jié)構(gòu)面平面的分割與搜索識(shí)別，結(jié)果如圖5(b)所示。從整體效果來(lái)看，圖5(b)的自動(dòng)化識(shí)別結(jié)構(gòu)面結(jié)果令人滿意。

圖5 基于DSM模型的結(jié)構(gòu)面識(shí)別Fig.5 Identification of structural plane based on DSM model

本文采用的方法不僅可以有效針對(duì)面狀結(jié)構(gòu)面的準(zhǔn)確識(shí)別，也可通過(guò)人機(jī)交互智能識(shí)別解決線狀結(jié)構(gòu)面的識(shí)別難題和挑戰(zhàn)[19]。對(duì)于線狀結(jié)構(gòu)面，只需通過(guò)人工設(shè)定線狀結(jié)構(gòu)面的初始種子點(diǎn)即可，這里將不再贅述，具體案例的識(shí)別結(jié)果見(jiàn)第4節(jié)。對(duì)于無(wú)人機(jī)大尺度攝影測(cè)量，同理可生成DSM、DOM和DEM，基于這些數(shù)字化模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍不同尺度結(jié)構(gòu)面的精細(xì)化識(shí)別和提取。

3.2 結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)的表征

3.2.1 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的計(jì)算和表征

巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀表征結(jié)構(gòu)面在巖體內(nèi)部的方位，是了解巖體性質(zhì)的重要參數(shù)指標(biāo)之一。GPS-RTK數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合的結(jié)構(gòu)面，以及在DSM模型中識(shí)別、擬合的結(jié)構(gòu)面如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)面的擬合與參數(shù)計(jì)算Fig.6 Fitted structural plane and parameter calculation

這里三維空間坐標(biāo)系采用右手坐標(biāo)系，X軸正方向?qū)?yīng)地理正東方向，Y軸正方向?qū)?yīng)地理正北方向，Z軸正方向?yàn)榇怪毕蛏戏较颉＝Y(jié)構(gòu)面擬合平面的表達(dá)式為

Ax+By+Cz+D=0

(3)

式中，A、B和C是擬合平面法向量的3個(gè)分量；D是從原點(diǎn)到平面的垂直距離。

對(duì)平面M的法向量N(A,B,C)進(jìn)行歸一化處理獲得該平面的單位正向法向量n(a,b,c)。因此，定義擬合平面和它在水平面上的夾角為結(jié)構(gòu)面的真實(shí)地理傾角α，計(jì)算公式如下

(4)

同樣，定義擬合平面的方向向量M在水平面上投影線與Y軸(正北)方向的夾角為結(jié)構(gòu)面的真實(shí)地理傾向β，計(jì)算公式如下

(5)

這里需要指出，如果a>0且b>0，則式(5)中P=0；如果a>0且b<0，則P=360°；其他情況下，P=180°。

獲得結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀后，利用筆者改進(jìn)的快速模糊聚類方法，即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)狀的聚簇分析，求取最優(yōu)中心產(chǎn)狀，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀優(yōu)勢(shì)分組[19]。后續(xù)跡線參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析均是根據(jù)產(chǎn)狀的優(yōu)勢(shì)分組分別進(jìn)行。

3.2.2 結(jié)構(gòu)面跡線參數(shù)的計(jì)算和表征

本節(jié)主要針對(duì)結(jié)構(gòu)面跡線參數(shù)的跡長(zhǎng)、間距和密度展開(kāi)，這些均是對(duì)巖體特性評(píng)價(jià)和網(wǎng)絡(luò)模型建立的基礎(chǔ)參數(shù)。由于結(jié)構(gòu)面跡線存在一定程度的彎曲，因此根據(jù)跡線上多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)式(6)進(jìn)行跡線長(zhǎng)度求解

l=

(6)

式中，n表示每條跡線的三維控制點(diǎn)(特征點(diǎn))坐標(biāo)數(shù)目；(xi，yi，zi)表示第i個(gè)三維跡線控制點(diǎn)坐標(biāo)。對(duì)于近似直線型跡線，取首位兩端點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算即可。

結(jié)構(gòu)面的間距表示相鄰結(jié)構(gòu)面間的法向距離，直接反映了巖體的完整性及宏觀力學(xué)性質(zhì)。對(duì)于結(jié)構(gòu)面間距的測(cè)量主要依靠測(cè)線法，在模型中進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先布設(shè)一個(gè)與待側(cè)面垂直的測(cè)線面，兩個(gè)面的交線為測(cè)線(沿地形起伏的曲線)，則相鄰跡線與測(cè)線交點(diǎn)間的距離即為跡線的視間距。跡線分布具有三維空間屬性，因此假設(shè)跡線與測(cè)線的交點(diǎn)為(x,y,z)，則測(cè)線上相鄰兩跡線與測(cè)線交點(diǎn)間的真間距為

(zj-zi)nz|

(7)

為了便于計(jì)算及減小累積誤差，n0(nx,ny,nz)可為待測(cè)跡線組結(jié)構(gòu)面中心產(chǎn)狀的單位法向量。

結(jié)構(gòu)面密度按照不同表征形式可分為線密度、面密度和體密度。線密度由測(cè)線法得到，面密度為出露面跡線的密度，通常由測(cè)窗法得到，體密度是巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面所占的比例，通常通過(guò)面密度估計(jì)得出。在密度屬性表征中，面密度要比線密度更能合理表征跡線的密度分布特征，且圓形測(cè)窗較其他統(tǒng)計(jì)測(cè)窗能很好地減小統(tǒng)計(jì)偏差。目前被廣泛采用的面密度評(píng)估方法為Mauldon法[28]，即利用圓形采樣統(tǒng)計(jì)測(cè)窗或者符合地形特征的矩形數(shù)字統(tǒng)計(jì)測(cè)窗，通過(guò)計(jì)數(shù)跡線與測(cè)窗的相交(位置關(guān)系)形式，對(duì)面密度ρ以及平均跡長(zhǎng)l進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)估，如式(8)所示

(8)

式中，r為圓形測(cè)窗的半徑；m為圓形測(cè)窗中含有的完整跡線數(shù)目；n為與圓形測(cè)窗相交的跡線數(shù)目；N0表示首尾兩端都不在統(tǒng)計(jì)測(cè)窗內(nèi)的跡線數(shù)；N2表示首尾兩端均在統(tǒng)計(jì)測(cè)窗內(nèi)的跡線數(shù)；N為與統(tǒng)計(jì)測(cè)窗相交的跡線數(shù)。

需要說(shuō)明的是，在最終確定結(jié)構(gòu)面參數(shù)的評(píng)估統(tǒng)計(jì)方案之前，必須對(duì)統(tǒng)計(jì)測(cè)窗的布設(shè)方式、半徑及個(gè)數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的評(píng)估。也就是在露頭模型上布設(shè)多個(gè)統(tǒng)計(jì)測(cè)窗，改變其個(gè)數(shù)以及半徑，觀察每一次的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。對(duì)這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行不確定性分析，當(dāng)在某一半徑區(qū)間內(nèi)改變測(cè)窗半徑大小，統(tǒng)計(jì)結(jié)果均趨于穩(wěn)定，且測(cè)窗統(tǒng)計(jì)得到的平均跡長(zhǎng)與露頭模型中實(shí)際的平均跡長(zhǎng)相當(dāng)，則認(rèn)為此時(shí)的統(tǒng)計(jì)方案為最佳統(tǒng)計(jì)方案，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)面的最終評(píng)估。顯然，基于DSM模型的數(shù)字統(tǒng)計(jì)測(cè)窗(如圖3(d)的矩形網(wǎng)格地形曲面測(cè)窗)可為這一問(wèn)題的研究提供便捷。

4 工程應(yīng)用實(shí)踐

4.1 工程概況

工程實(shí)例選擇甘肅北山典型結(jié)構(gòu)面出露的花崗巖場(chǎng)址區(qū)域。該區(qū)域地形以小山丘為主，巖體類型由片麻巖黑云母二長(zhǎng)花崗巖和黑云母花崗閃長(zhǎng)巖組成，主要由花崗巖侵入形成，巖體性質(zhì)較單一，是核廢料處置庫(kù)的天然良好備選地點(diǎn)。具體的場(chǎng)址特性介紹見(jiàn)文獻(xiàn)[29—31]。場(chǎng)址區(qū)域發(fā)育大量不同尺度巖體結(jié)構(gòu)面，對(duì)巖體特性、巖體穩(wěn)定機(jī)制以及水文地質(zhì)工程地質(zhì)特性具有重要的影響。本文采用攝影測(cè)量系統(tǒng)，利用無(wú)人機(jī)、地面近景攝影以及GPS-RTK，從不同視角、尺度和維度對(duì)結(jié)構(gòu)面的有效識(shí)別及特征參數(shù)的分布規(guī)律進(jìn)行綜合研究。場(chǎng)區(qū)地面近景攝影測(cè)量點(diǎn)位和無(wú)人機(jī)航測(cè)DOM、DEM數(shù)字模型如圖7所示。對(duì)于生成的DOM可利用ArcMap平臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)面紋路進(jìn)行人機(jī)交互識(shí)別，然后輸出數(shù)據(jù)開(kāi)展結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律研究。

4.2 巖體結(jié)構(gòu)面幾何特征統(tǒng)計(jì)分析

首先根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行得到的數(shù)據(jù)，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)選取41個(gè)典型結(jié)構(gòu)面出露區(qū)域，通過(guò)DOM數(shù)字模型解譯結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)。對(duì)獲取的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)估得到場(chǎng)區(qū)統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)面的平均跡長(zhǎng)為7.35 m，統(tǒng)計(jì)面密度為0.067 1條/m2(圖7(b))，其中綠色(左側(cè)位置)為平均跡長(zhǎng)，粉色(右側(cè)位置)為面密度。這些結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征受場(chǎng)區(qū)內(nèi)主要斷裂，以及成巖、風(fēng)化等因素的直接或者間接影響，表現(xiàn)出不同的分布特征，具體體現(xiàn)在不同區(qū)域位置結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)的異同。區(qū)域斷裂帶影響下巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征，將在4.3節(jié)詳細(xì)論述。

通過(guò)無(wú)人機(jī)獲得宏觀尺度結(jié)構(gòu)面分布特征，針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域還需利用地面近景攝影測(cè)量進(jìn)行精細(xì)化研究。以場(chǎng)區(qū)某一典型結(jié)構(gòu)面出露完好的露頭為例，通過(guò)數(shù)字化建模得到該露頭的三維重構(gòu)DSM模型。在此基礎(chǔ)上依據(jù)確定的跡線特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)跡線的自動(dòng)化識(shí)別和提取，形成露頭數(shù)字化三維跡線模型，在模型上布設(shè)相應(yīng)的數(shù)字化測(cè)窗，即可進(jìn)行跡線特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析與表征(圖8)。測(cè)窗的布設(shè)采用符合地形起伏特征的聯(lián)合數(shù)字測(cè)窗統(tǒng)計(jì)法[19]，通過(guò)多次試算后，確定半徑為5.22 m的采樣測(cè)窗并進(jìn)行最終結(jié)果的統(tǒng)計(jì)評(píng)估。

圖7 區(qū)域及露頭測(cè)量方案Fig.7 Site area and outcrops survey scheme

圖8 典型花崗巖露頭三維數(shù)字化重構(gòu)模型及數(shù)字測(cè)窗Fig.8 3D digital reconstruction model of a typical granite outcrop and digital sampling window

對(duì)該露頭結(jié)構(gòu)面進(jìn)行自動(dòng)化識(shí)別和提取，得到565條有效結(jié)構(gòu)面，通過(guò)自主編程對(duì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行解譯，得到該露頭結(jié)構(gòu)面走向玫瑰圖如圖9(a)所示，主要為NNE方向。

假肢矯形器行業(yè)是為肢體殘疾人或行動(dòng)不便者提供假肢和矯形器裝配服務(wù)的特殊行業(yè)，是康復(fù)輔具產(chǎn)業(yè)的重要組成部分[13]。近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)福利事業(yè)的發(fā)展，康復(fù)輔具產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品種類日益豐富，服務(wù)質(zhì)量穩(wěn)步提升，但仍然存在市場(chǎng)秩序不規(guī)范、產(chǎn)業(yè)體系不健全、自主創(chuàng)新能力不夠強(qiáng)等問(wèn)題。國(guó)務(wù)院在《關(guān)于加快發(fā)展康復(fù)輔助器具產(chǎn)業(yè)的若干意見(jiàn)》中強(qiáng)調(diào)了進(jìn)行康復(fù)輔助器具(假肢矯形器)領(lǐng)域創(chuàng)新的重要性，并提出了加快3D打印、人工智能等新技術(shù)在康復(fù)輔具領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖9 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分布特征 Fig.9 Distribution characteristics of discontinuity orientation

利用筆者改進(jìn)的快速模糊聚類方法[19]進(jìn)行產(chǎn)狀優(yōu)勢(shì)分組，產(chǎn)狀樣本的聚簇分析結(jié)果如圖9(b)所示，可將本組產(chǎn)狀樣本劃分為4個(gè)優(yōu)勢(shì)組，優(yōu)勢(shì)分組的特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀優(yōu)勢(shì)分組

由圖9和表1可看出，該露頭結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分布主要為陡傾特征，并且存在一定數(shù)量近乎90°的陡傾角結(jié)構(gòu)面。根據(jù)布設(shè)測(cè)窗統(tǒng)計(jì)得到該露頭結(jié)構(gòu)面的跡長(zhǎng)以及面密度分布特征如圖10所示。

巖體結(jié)構(gòu)面跡長(zhǎng)、密度的主要分布有正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布，負(fù)指數(shù)分布以及伽瑪分布等。通過(guò)對(duì)圖10跡長(zhǎng)分布特征及面密度分布特征進(jìn)行最優(yōu)曲線擬合和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該測(cè)區(qū)4個(gè)結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢(shì)組的跡長(zhǎng)服從良好的對(duì)數(shù)正態(tài)分布，面密度具有服從雙參負(fù)指數(shù)分布的趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)得到的跡線特征參數(shù)見(jiàn)表2。采用3.2.2節(jié)測(cè)線法，同樣可得到該露頭4組結(jié)構(gòu)面間距分布形式有雙參負(fù)指數(shù)和對(duì)數(shù)正態(tài)。通常情況采用平均間距來(lái)表征結(jié)構(gòu)面間距特征。這些特征參數(shù)可直接應(yīng)用于巖體質(zhì)量特性的相關(guān)研究、裂隙網(wǎng)絡(luò)建模，以及斷裂影響帶范圍的評(píng)估等。另外，對(duì)場(chǎng)區(qū)花崗巖露頭進(jìn)行初步研究發(fā)現(xiàn)，較大跡長(zhǎng)出現(xiàn)的區(qū)域往往具有較小的面密度；在結(jié)構(gòu)面明顯發(fā)育區(qū)域，普遍具有較大的面密度和較小的平均跡長(zhǎng)。這將為后續(xù)利用分形理論表征結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)特性的研究提供新思路。

圖10 結(jié)構(gòu)面跡線特征參數(shù)綜合統(tǒng)計(jì)評(píng)估Fig.10 Comprehensive statistical evaluation of trace characteristic parameters

表2 結(jié)構(gòu)面跡線參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

4.3 斷裂帶影響范圍分析

區(qū)域斷裂帶的影響范圍是區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)估、工程施工設(shè)計(jì)，以及地下設(shè)施安全運(yùn)行最為關(guān)切的問(wèn)題之一。斷裂影響帶范圍的評(píng)估與確定對(duì)于整個(gè)場(chǎng)址特性的了解具有重要意義和價(jià)值。因此，在獲取結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)基礎(chǔ)上有必要對(duì)場(chǎng)區(qū)斷裂影響帶范圍進(jìn)行評(píng)估。

本文首先利用無(wú)人機(jī)的“大尺度”把控作用，從整體上對(duì)斷裂影響帶范圍進(jìn)行初步探究(圖7(b))。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和斷裂核部探槽發(fā)現(xiàn)，斷層附近破碎較嚴(yán)重，多為巖石碎屑和殘積土。因而在布設(shè)統(tǒng)計(jì)測(cè)線時(shí)以F31斷層核部為起點(diǎn)，在20～1520 m范圍內(nèi)布設(shè)垂直于斷層的6條平行測(cè)線，每條測(cè)線的有效統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)度為1500 m(圖7(b))。在如此廣域范圍內(nèi)進(jìn)行大范圍的統(tǒng)計(jì)，有助于對(duì)斷層的影響范圍進(jìn)行整體性評(píng)估。在生成的含豐富紋理的場(chǎng)區(qū)DOM模型上(圖7(b))逐次提取出與布設(shè)跡線相交的裂隙節(jié)理?？偣蔡崛〕?03條裂隙節(jié)理，有效平均跡長(zhǎng)為12.00 m；有效平均節(jié)理間距為3.76 m。這里需要說(shuō)明的是，由于布設(shè)測(cè)線經(jīng)過(guò)的區(qū)域多為較大尺度發(fā)育的結(jié)構(gòu)面，因此統(tǒng)計(jì)的平均跡長(zhǎng)值要大于41個(gè)典型區(qū)域評(píng)估的跡長(zhǎng)值；且DOM模型上統(tǒng)計(jì)的跡線間距也大于典型區(qū)域/露頭模型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從不同尺度的統(tǒng)計(jì)導(dǎo)致了兩者統(tǒng)計(jì)結(jié)果的差異，通過(guò)DOM模型統(tǒng)計(jì)的結(jié)構(gòu)面/裂隙多為大長(zhǎng)尺度，而通過(guò)DSM露頭模型統(tǒng)計(jì)的為中小尺度結(jié)構(gòu)面。對(duì)于區(qū)域斷裂帶的影響范圍，不同尺度統(tǒng)計(jì)結(jié)果雖具有差異性，但是不會(huì)對(duì)影響帶范圍評(píng)估產(chǎn)生不利影響，反而提供了不同尺度的參考和證據(jù)。通常認(rèn)為區(qū)域大斷裂直接影響其下一級(jí)以及次級(jí)結(jié)構(gòu)面的發(fā)育，對(duì)于更小級(jí)別和尺度結(jié)構(gòu)面是否具有直接的影響目前尚不清楚。因此，考慮多尺度結(jié)構(gòu)面發(fā)育規(guī)律下的斷裂帶影響范圍，更趨于客觀性和合理性。

根據(jù)DOM模型獲取的結(jié)構(gòu)面參數(shù)，繪制距斷層核部不同位置統(tǒng)計(jì)得到的跡長(zhǎng)分布圖，擬合平均跡長(zhǎng)值與距斷層距離的關(guān)系曲線特征，如圖11(a)所示。通過(guò)圖11(a)可得擬合的關(guān)系曲線在距離斷層核部150～200 m處為曲線的特征變化點(diǎn)，遠(yuǎn)離200 m之后的部分，擬合曲線趨于平緩，因此可判斷出F31斷層對(duì)上盤結(jié)構(gòu)面跡長(zhǎng)的影響范圍帶約為150～200 m。同理，對(duì)統(tǒng)計(jì)裂隙間距隨著距斷層核部距離的變化特征進(jìn)行特征關(guān)系擬合，得出擬合曲線在150～200 m區(qū)間內(nèi)逐漸趨于平穩(wěn)(圖11(b))，因此可認(rèn)為F31斷層對(duì)裂隙間距的影響帶范圍為150～200 m。于是通過(guò)DOM大尺度評(píng)估可初步判斷F31斷裂對(duì)其上盤的結(jié)構(gòu)面發(fā)育以及巖體完整性的影響范圍為150～200 m。

圖11 F31斷層影響帶參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析Fig.11 Statistical analysis of discontinuity parameters in F31 fault-affected zone

為了進(jìn)一步探究F31斷層對(duì)其上盤裂隙巖體的影響，以及評(píng)估宏觀尺度整體性判斷效果，經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)踏勘，選取F31斷層中部附近一裂隙出露完好的典型區(qū)域(沿垂直斷層向上盤延伸約200 m)進(jìn)行研究。圖12為該區(qū)域含真實(shí)地理信息以及裂隙紋理的三維重構(gòu)DSM模型。通過(guò)模型直觀判斷，可將該區(qū)域劃分成3個(gè)影響區(qū)：Ⅰ區(qū)為靠近斷層的裂隙密集發(fā)育區(qū)；Ⅱ區(qū)為裂隙發(fā)育區(qū)，該區(qū)域裂隙尺度較Ⅰ區(qū)長(zhǎng)，且發(fā)育規(guī)律(大多數(shù)裂隙具有近似的走向和產(chǎn)狀，主要為平行于斷裂方向和近乎垂直于斷裂方向兩組)；Ⅲ區(qū)域則明顯可看出裂隙發(fā)育稀疏，且裸露出完整的巖體。Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)的分界是大長(zhǎng)巖脈的出現(xiàn)，Ⅱ區(qū)與Ⅲ區(qū)的分界是完整裸露基巖的出現(xiàn)。

圖12 斷層影響帶三維數(shù)字重構(gòu)模型Fig.12 3D digital reconstruction model of fault-affected zone

圖13 結(jié)構(gòu)面面密度隨測(cè)量統(tǒng)計(jì)距離的變化特征Fig.13 The variation characteristics of fracture surface density with the measured statistical distance from the fault

圖13中起始統(tǒng)計(jì)位置距離F31斷層上盤邊緣較近，在圖中0 ～20 m區(qū)間(對(duì)應(yīng)圖12的Ⅰ區(qū))裂隙面密度最大，超過(guò)0.5條/m2。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圖片可看出該區(qū)域主要受兩組結(jié)構(gòu)面相互剪切作用，形成微小尺度裂隙(<2 m的厘米級(jí)別)，表現(xiàn)出密集的裂隙網(wǎng)絡(luò)。因此該部分為主斷層強(qiáng)烈影響區(qū)(即斷層下邊緣破碎帶)，影響范圍約為20 m。圖13的20～140 m對(duì)應(yīng)圖12的Ⅱ區(qū)，為斷層影響帶，此區(qū)域內(nèi)隨著遠(yuǎn)離斷層上盤，巖體完整性逐漸變好。對(duì)于斷層主要影響區(qū)(Ⅱ區(qū))，根據(jù)密度變化特征可分為兩個(gè)子區(qū)域：Ⅱ-1區(qū)的主要影響帶以及Ⅱ-2區(qū)的邊緣影響帶。需要說(shuō)明的是，在Ⅱ區(qū)區(qū)段內(nèi)雖有統(tǒng)計(jì)得到較小的面密度，這是由風(fēng)化作用引起露頭表面風(fēng)化而使納入統(tǒng)計(jì)的裂隙數(shù)量減少，如圖12的Ⅱ-2區(qū)的風(fēng)化區(qū)域。這部分不應(yīng)該判斷為斷層影響區(qū)的結(jié)束，而是直到Ⅲ區(qū)形成完整的基巖出現(xiàn)，這部分區(qū)域裂隙密度發(fā)育很小，通常小于0.1條/m2。因此，對(duì)于該典型區(qū)域的初步探究得出F31斷層核部對(duì)其上盤的影響帶范圍約為150 m。

總之，結(jié)合無(wú)人機(jī)大尺度以及地面攝影測(cè)量局部尺度的精細(xì)化剖析，可綜合判斷出F31斷層對(duì)其上盤的影響帶范圍約為150～200 m，其中斷層核部及其附近形成的破碎區(qū)(10 m)，斷層強(qiáng)烈影響帶為20 m(Ⅰ區(qū))，主要影響帶為80 m(Ⅱ-1區(qū))，邊緣過(guò)渡影響帶為40 m(Ⅱ-2區(qū))。F31斷層對(duì)其上盤裂隙發(fā)育特征具有趨于負(fù)指數(shù)分布特征的影響與控制模式，即隨著遠(yuǎn)離斷層核部，裂隙發(fā)育程度受到斷層影響作用力快速減弱。這里需要說(shuō)明的是，通過(guò)結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征/規(guī)律初步判定了斷裂帶對(duì)上盤裂隙發(fā)育的影響形式，而定量確定和刻畫出斷裂帶的影響范圍，還需結(jié)合地球物理探測(cè)技術(shù)開(kāi)展相應(yīng)的驗(yàn)證和補(bǔ)充研究。

5 討 論

巖體結(jié)構(gòu)面的識(shí)別和參數(shù)的表征是一個(gè)系統(tǒng)性研究科學(xué)命題，也是巖石工程領(lǐng)域研究者了解巖體相關(guān)特性的重要途徑。巖體結(jié)構(gòu)面的測(cè)量從傳統(tǒng)的基于羅盤、皮尺、塞尺等接觸式測(cè)量，發(fā)展到基于GPS-RTK的半數(shù)字化測(cè)量，隨之又通過(guò)圖像處理、攝影測(cè)量以及遙感測(cè)繪基本實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面識(shí)別測(cè)量的數(shù)字化。這一技術(shù)手段革新帶來(lái)的直接效益就是極大地提升了工作效率，將大量的野外現(xiàn)場(chǎng)工作轉(zhuǎn)換為安全高效的室內(nèi)作業(yè)；另外通過(guò)數(shù)字化方法也減少了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的一系列主客觀誤差。由于便捷和低成本，這一方法已被應(yīng)用并推廣到巖土工程、地下工程、礦山工程及建筑測(cè)繪工程等領(lǐng)域，是當(dāng)前時(shí)期研究的熱點(diǎn)[32-34]。尤其是利用高分辨相機(jī)的多基線數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量(地面近景攝影、空中無(wú)人機(jī)攝影)，將高分辨率被測(cè)物影像和SfM構(gòu)建的點(diǎn)云數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，顯著提升了被測(cè)物精細(xì)化建模的效果以及逼真紋理視覺(jué)的再現(xiàn)，使得研究走向精細(xì)化，同時(shí)提升了野外測(cè)量工作的靈活性。

在未來(lái)，相關(guān)研究將主要圍繞以下3方面開(kāi)展：①建立不同尺度、維度地物信息攝取-識(shí)別-分析-響應(yīng)的空天地內(nèi)一體化智能體系，綜合獲取和解譯巖體的相關(guān)特性；②通過(guò)地表的測(cè)量方法和理論，探索出適用于地下空間的有效測(cè)量方法，為地質(zhì)體表深一體化建模提供基礎(chǔ)；③探究通過(guò)測(cè)量可觀察區(qū)域獲取的結(jié)構(gòu)面信息推測(cè)和模擬地下未知區(qū)域巖體中結(jié)構(gòu)面分布的理論與技術(shù)，突破對(duì)地下巖體特性預(yù)測(cè)、認(rèn)知的“黑匣子”瓶頸。

另外，對(duì)于巖體結(jié)構(gòu)面的表征，由于自然巖體中結(jié)構(gòu)面的形成不完全是隨機(jī)的，而是往往受到構(gòu)造應(yīng)力、區(qū)域運(yùn)動(dòng)以及成巖成礦等因素表現(xiàn)出隨機(jī)性中的規(guī)律性或者趨勢(shì)性。目前對(duì)于巖體結(jié)構(gòu)面較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)是，將其通過(guò)產(chǎn)狀進(jìn)行優(yōu)勢(shì)分組，將一個(gè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)面分為幾個(gè)優(yōu)勢(shì)組，隨之進(jìn)行結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)的表征。然而不同尺度的結(jié)構(gòu)面之間具有不同的特征(尺度特征)。因此，未來(lái)的相關(guān)研究還應(yīng)根據(jù)大數(shù)據(jù)樣本進(jìn)一步挖掘不同尺度特征結(jié)構(gòu)面間的區(qū)別和差異，獲取更為合理的結(jié)構(gòu)面尺度特征參數(shù)，為巖體特性的評(píng)價(jià)以及巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型的科學(xué)建立提供理論依據(jù)和技術(shù)方法。

6 結(jié) 論

巖體中存在的結(jié)構(gòu)面對(duì)于巖體特性有著重要的影響，尤其是花崗巖體中存在的復(fù)雜結(jié)構(gòu)面，為相關(guān)工程帶來(lái)棘手的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。本文針對(duì)甘肅北山核廢料地質(zhì)處置庫(kù)預(yù)選區(qū)場(chǎng)址，采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)場(chǎng)區(qū)不同尺度巖體結(jié)構(gòu)面的數(shù)字化精細(xì)測(cè)量、識(shí)別與表征。主要得出以下結(jié)論。

(1) 由GPS-RTK、無(wú)人機(jī)攝影及多基線近景攝影組成的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)可有效獲取廣域范圍不同尺度結(jié)構(gòu)面信息，且針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件具有良好的工程適用性，可為地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的精細(xì)化測(cè)量調(diào)查提供一種多途徑的技術(shù)方法參考。

(2) 通過(guò)攝影測(cè)量獲取物像照片，利用SfM法進(jìn)行三維重構(gòu)的方法，將高精度照片和數(shù)字化點(diǎn)云有機(jī)結(jié)合，提升了建模的質(zhì)量及野外測(cè)量工作的靈活性；并且為結(jié)構(gòu)面的智能識(shí)別及特征參數(shù)的數(shù)字化統(tǒng)計(jì)評(píng)估提供了良好的載體，使大量的野外作業(yè)轉(zhuǎn)換為室內(nèi)作業(yè)，提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。

(3) 北山場(chǎng)區(qū)一典型露頭的分析結(jié)果表明，其結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀可分為4個(gè)優(yōu)勢(shì)組，其中陡傾角結(jié)構(gòu)面占主導(dǎo)地位；分組后結(jié)構(gòu)面的各組跡長(zhǎng)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，面密度趨于雙參負(fù)指數(shù)分布特征?？傮w而言場(chǎng)區(qū)露頭結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀可分為2～5個(gè)優(yōu)勢(shì)組，走向主要為NNE、NE和NW方向。

(4) 通過(guò)結(jié)構(gòu)面特征參數(shù)隨斷層距離的變化變異特征，可綜合判斷出場(chǎng)區(qū)典型大斷裂F31斷層對(duì)其上盤巖體完整性的影響范圍大約為150～200 m。垂直于斷層核部向下，影響區(qū)依次分為破碎區(qū)、強(qiáng)烈影響區(qū)、主要影響帶和邊緣過(guò)渡影響帶。斷層對(duì)上盤裂隙發(fā)育的總體性影響特征為負(fù)指數(shù)曲線型。隨著與斷層核部距離的增大，裂隙密度減小，而跡長(zhǎng)和間距呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這也與實(shí)際相符，靠近斷層在較強(qiáng)應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)面受強(qiáng)剪切作用表現(xiàn)為較破碎狀態(tài)；遠(yuǎn)離斷層，受到斷層影響力減弱，而在局部力學(xué)機(jī)制下，不同區(qū)域巖體表現(xiàn)出相似性和差異性。

致謝:衷心感謝野外工作期間核工業(yè)北京地質(zhì)研究院的大力支持。