摘要：巖土工程實(shí)踐中，由于巖體結(jié)構(gòu)面的存在，極大地影響了巖體的力學(xué)性能。深入開(kāi)展對(duì)結(jié)構(gòu)面的研究，為改善巖體的穩(wěn)定性提供參考依據(jù)，具有重大意義。傳統(tǒng)方法采用羅盤、尺子等對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行研究，存在效率低、誤差大等諸多缺點(diǎn)。本文介紹了一種新的方法，采用非接觸式三維成像技術(shù)，對(duì)巖體的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行測(cè)量、統(tǒng)計(jì)、分析，解決了傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足，供工程技術(shù)人員參考。
巖體，是指一定工程范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體。巖體包含兩個(gè)基本要素，即巖石和結(jié)構(gòu)面。由于結(jié)構(gòu)面的存在，使得巖體和巖石的力學(xué)性質(zhì)存在很大的差異。很多工程實(shí)踐中，在巖石強(qiáng)度很高的洞室內(nèi)，仍有大量的變形破壞發(fā)生，導(dǎo)致巖體穩(wěn)定性降低。究其原因，就是因?yàn)榇罅康牟徽?、褶皺、斷層、層理、片理、劈理、?jié)理等結(jié)構(gòu)面的存在。結(jié)構(gòu)面又叫“軟弱面”，結(jié)構(gòu)面的存在弱化了巖體的力學(xué)性能，決定了巖體工程的穩(wěn)定性，導(dǎo)致了巖體的各向異性。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行深入研究，對(duì)于提高巖體的穩(wěn)定性具有很重要的意義。
傳統(tǒng)上，通常采用羅盤、錘子、放大鏡以及尺子等，對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)束后，再返回室內(nèi)人工繪圖，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。傳統(tǒng)方法效率低下，耗時(shí)耗力，誤差大。測(cè)量的對(duì)象都是局部測(cè)點(diǎn)，而不是宏觀的大范圍測(cè)量。而且對(duì)于一些懸崖峭壁、無(wú)法到達(dá)的場(chǎng)地，無(wú)法進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，造成數(shù)據(jù)缺失，甚至存在巖石墜落傷人的風(fēng)險(xiǎn)。
鑒于傳統(tǒng)方法存在的諸多問(wèn)題，工程科技人員不斷地嘗試，研發(fā)新的方法，對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行研究。本文介紹了一種新型的巖體三維成像及統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)，可用于巖土工程的勘察和巖體結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析?？梢宰鳛橐环N新的技術(shù)手段，供工程技術(shù)人員、科研人員使用，深入對(duì)巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，為巖土工程設(shè)計(jì)人員提供科學(xué)的參考依據(jù)。
ShapeMetriX 3D是奧地利3GSM公司研發(fā)的一套全新的系統(tǒng)。通過(guò)手工拍照，生成三維圖形，可以對(duì)巖體表面進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析，可用于對(duì)巖體表面進(jìn)行地質(zhì)學(xué)、巖土力學(xué)評(píng)價(jià)分析。ShapeMetriX 3D不是一款攝影測(cè)量軟件，而是為了解決工程地質(zhì)、巖土工程、幾何結(jié)構(gòu)等問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的一套系統(tǒng)。
對(duì)于數(shù)據(jù)采集，采用的是一臺(tái)經(jīng)過(guò)3GSM軟件標(biāo)定的數(shù)碼相機(jī)來(lái)進(jìn)行的。通過(guò)一臺(tái)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的相機(jī)，從兩個(gè)不同角度對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行拍照。拍照前，要提前在目標(biāo)范圍內(nèi)放置一個(gè)標(biāo)桿(如圖1) 。整個(gè)數(shù)據(jù)采集的過(guò)程大約幾分鐘(放置標(biāo)桿，拍兩張照片) 。
圖1 隧道掌子面三維圖像(圓圈中是標(biāo)桿)
ShapeMetriX 3D常用于隧道工程、礦業(yè)工程、巖土工程等。ShapeMetriX 3D的一個(gè)重要特點(diǎn)是，包含3D評(píng)價(jià)分析軟件。ShapeMetriX 3D是一整套系統(tǒng)，包含標(biāo)定的成像系統(tǒng)和3D處理軟件。
拍攝照片以后，將照片拷貝到計(jì)算機(jī)上，輸入到SMX Reconstructor軟件中合成一幅三維圖像。采用的原理是由計(jì)算機(jī)視覺(jué)而衍生出的立體攝影測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)不需要顯示參考標(biāo)記，就可以確定各個(gè)照片之間的相對(duì)方向。
ShapeMetriX 3D所用的基本原理是可擴(kuò)展的，這就意味著各種尺寸的表面都可以拍照并且生成三維圖像。但是，一個(gè)基本的要求就是表面必須是不規(guī)則的結(jié)構(gòu)（不平整的）。
ShapeMetriX 3D的結(jié)果是一幅三維圖像，它展現(xiàn)的是所記錄表面的形狀?？梢杂米詭У?D軟件對(duì)這幅三維圖像進(jìn)行各種測(cè)量，也可以進(jìn)行各種評(píng)價(jià)分析。
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巖體的狀況客觀地進(jìn)行展現(xiàn)；
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不用考慮場(chǎng)地?zé)o法進(jìn)入的問(wèn)題，也不用擔(dān)心測(cè)量時(shí)間的限時(shí)；
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可以進(jìn)行多種測(cè)量，長(zhǎng)度、距離、面積等；
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可以獲得計(jì)算的數(shù)據(jù)，例如可以直接得到結(jié)構(gòu)面間隔。
與常規(guī)勘測(cè)方法的主要區(qū)別有：
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一幅三維圖像不是一組三維表面測(cè)量，而是實(shí)實(shí)在在的照片；
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拍攝照片無(wú)需特殊的技能（會(huì)用數(shù)碼相機(jī)即可）。
ShapeMetriX 3D系統(tǒng)采用手持式拍照，無(wú)需三腳架，支持變焦鏡頭，可對(duì)不同距離的待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行三維成像。
利用ShapeMetriX 3D系統(tǒng)拍照得到了兩幅照片，這兩幅照片的方向是確定的。兩幅照片上均有一個(gè)相同的點(diǎn)P(u,v)，確定了兩個(gè)方向和兩個(gè)點(diǎn)，就可以得到兩條射線（如圖2中紅色射線）。這兩條射線在三維空間相交于一點(diǎn)P(X,Y,Z)，這個(gè)點(diǎn)就確定了。與此類推，兩幅照片上的所有點(diǎn)在三維空間都可以都可以確定相應(yīng)的三維點(diǎn)，所有的三維點(diǎn)就形成了一個(gè)三維面。將一幅照片附在三維面上，就得到了三維圖像。兩次拍照的距離以及相機(jī)的位置都是無(wú)需知道的。
這種三維圖像得到的是局部坐標(biāo)系統(tǒng)，沒(méi)有其它信息。也可以加入現(xiàn)有的目標(biāo)信息，例如對(duì)于隧道，可以加入弧度信息。如果輸入指南針?lè)较驍?shù)據(jù)，模型就可以大致對(duì)準(zhǔn)真北方向。
模型如果需要加入地理坐標(biāo)信息，最少需要知道圖像區(qū)域內(nèi)三個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)信息，這三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)可以通過(guò)全站儀或者更精確的GPS 測(cè)得( 見(jiàn)圖3) 。最終的結(jié)果，就會(huì)根據(jù)這幾個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)。
圖3 一座采石場(chǎng)的巖質(zhì)邊坡三維圖像
圖4 一座采石場(chǎng)的巖質(zhì)邊坡三維圖像
圖4中(a)為一座采石場(chǎng)的巖質(zhì)邊坡三維圖像。這個(gè)三維圖像是由很多三維點(diǎn)(b)加上照片組成的。用自帶的三維評(píng)價(jià)分析軟件，可以便捷地進(jìn)行地質(zhì)制圖(d)，也可以繪制巖體結(jié)構(gòu)球形圖(e)，并且確定結(jié)構(gòu)面間距(f)，可以快速地對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。
通常，可以從三維圖像中得到幾何數(shù)據(jù)。采用系統(tǒng)自帶的JMX Analyst 軟件可以對(duì)三維圖像進(jìn)行查看，也可以進(jìn)行一些評(píng)價(jià)分析，如圖5～6。
圖5 某露天礦坑巖質(zhì)邊坡的三維圖像系統(tǒng)自動(dòng)繪制節(jié)理面
③不連續(xù)面或整個(gè)巖質(zhì)邊坡( 傾向、傾角) 的空間方向；
④不連續(xù)跡和地層( 傾向、傾角) 的空間方向。
①三維圖像數(shù)據(jù)，VRML文件和OBJ文件；
②幾何數(shù)據(jù)，DXF文件，可用于CAD；
③測(cè)量的數(shù)據(jù)，CSV文件( 可用于Excel) 和DXF 文件( 可用于CAD)；
ShapeMetriX 3D可以在多種工程領(lǐng)域得到應(yīng)用，包括：
隧道掌子面三維制圖，巖土數(shù)據(jù)采集，工程管理，地質(zhì)資料保存；
變形監(jiān)測(cè)，巖土數(shù)據(jù)采集，支護(hù)結(jié)構(gòu)分析；
礦區(qū)圖的更新，確定開(kāi)挖的體積，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)( 例如巖質(zhì)邊坡)；
大致相關(guān)性的確定，室內(nèi)分析和原位分析。
對(duì)于巖土工程而言，研究巖體的結(jié)構(gòu)面是非常重要的。巖體開(kāi)挖、支護(hù)設(shè)計(jì)方案都是根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面的參數(shù)來(lái)制定的。傳統(tǒng)的巖體結(jié)構(gòu)面測(cè)量方法效率低，存在很多問(wèn)題。ShapeMetriX 3D系統(tǒng)的出現(xiàn)，解決了這些問(wèn)題。與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，ShapeMetriX 3D 采用移動(dòng)非接觸式巖體測(cè)量，不需要專業(yè)的勘測(cè)技術(shù)，使用簡(jiǎn)單、靈活，利用變焦照相機(jī)手動(dòng)拍照，快速、安全地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。ShapeMetriX 3D系統(tǒng)按一定的規(guī)則描述巖體結(jié)構(gòu)狀況，整套系統(tǒng)不僅僅只是一臺(tái)測(cè)量設(shè)備，而且?guī)в熊浖?，可以進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。該系統(tǒng)提高了地質(zhì)測(cè)量的效率、質(zhì)量和安全性，可供巖土工程技術(shù)人員參考。
參考文獻(xiàn)：鄭江. 巖體三維成像系統(tǒng)在巖土工程中的應(yīng)用[J]. 四川建材, 2021, 47(3):93-95.
