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巖體三維成像是怎么做到的?
發布時間:2021-08-13 瀏覽次數:30827 來源:歐美大地

摘要:巖土工程實踐中,由于巖體結構面的存在,極大地影響了巖體的力學性能。深入開展對結構面的研究,為改善巖體的穩定性提供參考依據,具有重大意義。傳統方法采用羅盤、尺子等對結構面進行研究,存在效率低、誤差大等諸多缺點。本文介紹了一種新的方法,采用非接觸式三維成像技術,對巖體的結構面進行測量、統計、分析,解決了傳統測量方法的不足,供工程技術人員參考。

 

巖體,是指一定工程范圍內的自然地質體。巖體包含兩個基本要素,即巖石和結構面。由于結構面的存在,使得巖體和巖石的力學性質存在很大的差異。很多工程實踐中,在巖石強度很高的洞室內,仍有大量的變形破壞發生,導致巖體穩定性降低。究其原因,就是因為大量的不整合、褶皺、斷層、層理、片理、劈理、節理等結構面的存在。結構面又叫“軟弱面”,結構面的存在弱化了巖體的力學性能,決定了巖體工程的穩定性,導致了巖體的各向異性。因此,對結構面進行深入研究,對于提高巖體的穩定性具有很重要的意義。

傳統上,通常采用羅盤、錘子、放大鏡以及尺子等,對結構面進行測量。測量結束后,再返回室內人工繪圖,進行數據統計分析。傳統方法效率低下,耗時耗力,誤差大。測量的對象都是局部測點,而不是宏觀的大范圍測量。而且對于一些懸崖峭壁、無法到達的場地,無法進行實際測量,造成數據缺失,甚至存在巖石墜落傷人的風險。

鑒于傳統方法存在的諸多問題,工程科技人員不斷地嘗試,研發新的方法,對巖體結構面進行研究。本文介紹了一種新型的巖體三維成像及統計分析系統,可用于巖土工程的勘察和巖體結構的統計分析??梢宰鳛橐环N新的技術手段,供工程技術人員、科研人員使用,深入對巖體結構進行研究,為巖土工程設計人員提供科學的參考依據。

 

ShapeMetriX 3D 系統

ShapeMetriX 3D是奧地利3GSM公司研發的一套全新的系統。通過手工拍照,生成三維圖形,可以對巖體表面進行測量和統計分析,可用于對巖體表面進行地質學、巖土力學評價分析。ShapeMetriX 3D不是一款攝影測量軟件,而是為了解決工程地質、巖土工程、幾何結構等問題而開發的一套系統。

對于數據采集,采用的是一臺經過3GSM軟件標定的數碼相機來進行的。通過一臺經過標定的相機,從兩個不同角度對目標區域進行拍照。拍照前,要提前在目標范圍內放置一個標桿(如圖1) 。整個數據采集的過程大約幾分鐘(放置標桿,拍兩張照片) 。

圖1 隧道掌子面三維圖像(圓圈中是標桿)

ShapeMetriX 3D常用于隧道工程、礦業工程、巖土工程等。ShapeMetriX 3D的一個重要特點是,包含3D評價分析軟件。ShapeMetriX 3D是一整套系統,包含標定的成像系統和3D處理軟件。

拍攝照片以后,將照片拷貝到計算機上,輸入到SMX Reconstructor軟件中合成一幅三維圖像。采用的原理是由計算機視覺而衍生出的立體攝影測量技術。該技術不需要顯示參考標記,就可以確定各個照片之間的相對方向。

ShapeMetriX 3D所用的基本原理是可擴展的,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,一個基本的要求就是表面必須是不規則的結構(不平整的)。

ShapeMetriX 3D的結果是一幅三維圖像,它展現的是所記錄表面的形狀??梢杂米詭У?D軟件對這幅三維圖像進行各種測量,也可以進行各種評價分析。

與常規記錄方法的主要區別有:

  • 巖體的狀況客觀地進行展現;
  • 不用考慮場地無法進入的問題,也不用擔心測量時間的限時;
  • 可以進行多種測量,長度、距離、面積等;
  • 可以獲得計算的數據,例如可以直接得到結構面間隔。

與常規勘測方法的主要區別有:

  • 一幅三維圖像不是一組三維表面測量,而是實實在在的照片;
  • 拍攝照片無需特殊的技能(會用數碼相機即可)。

 

ShapeMetriX 3D系統采用手持式拍照,無需三腳架,支持變焦鏡頭,可對不同距離的待測目標進行三維成像。

利用ShapeMetriX 3D系統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相同的點P(u,v),確定了兩個方向和兩個點,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P(X,Y,Z),這個點就確定了。與此類推,兩幅照片上的所有點在三維空間都可以都可以確定相應的三維點,所有的三維點就形成了一個三維面。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的位置都是無需知道的。

圖2 三維表面成像的原理

這種三維圖像得到的是局部坐標系統,沒有其它信息。也可以加入現有的目標信息,例如對于隧道,可以加入弧度信息。如果輸入指南針方向數據,模型就可以大致對準真北方向。

模型如果需要加入地理坐標信息,最少需要知道圖像區域內三個控制點的坐標信息,這三個點的坐標可以通過全站儀或者更精確的GPS 測得( 見圖3) 。最終的結果,就會根據這幾個控制點的坐標轉換成相應的坐標系統。

圖3 一座采石場的巖質邊坡三維圖像

圖4 一座采石場的巖質邊坡三維圖像

圖4中(a)為一座采石場的巖質邊坡三維圖像。這個三維圖像是由很多三維點(b)加上照片組成的。用自帶的三維評價分析軟件,可以便捷地進行地質制圖(d),也可以繪制巖體結構球形圖(e),并且確定結構面間距(f),可以快速地對巖體結構面進行評價分析。

 

輸出結果

通常,可以從三維圖像中得到幾何數據。采用系統自帶的JMX Analyst 軟件可以對三維圖像進行查看,也可以進行一些評價分析,如圖5~6。

圖5 某露天礦坑巖質邊坡的三維圖像系統自動繪制節理面

圖6 軟件計算及查看

幾何測量與巖土工程測量

①長度( 距離,間隔) ,m;

②面積,m2;

③不連續面或整個巖質邊坡( 傾向、傾角) 的空間方向;

④不連續跡和地層( 傾向、傾角) 的空間方向。

計算得到的參數

①間距( 平均間距、法向間距、簇間距、總間距);

②沿輪廓線的間距;

③跡的不連續性,單位/m

④不連續簇的空間差異;

⑤體積,單位m2。

輸出的數據

①三維圖像數據,VRML文件和OBJ文件;

②幾何數據,DXF文件,可用于CAD;

③測量的數據,CSV文件( 可用于Excel) 和DXF 文件( 可用于CAD);

④三維圖像截圖,JPG文件。

 

 

應用領域

ShapeMetriX 3D可以在多種工程領域得到應用,包括:

隧道開挖

隧道掌子面三維制圖,巖土數據采集,工程管理,地質資料保存;

地下采礦

變形監測,巖土數據采集,支護結構分析;

露天采礦

礦區圖的更新,確定開挖的體積,穩定性評價( 例如巖質邊坡);

巖土工程

大致相關性的確定,室內分析和原位分析。

 

# 結語 #

對于巖土工程而言,研究巖體的結構面是非常重要的。巖體開挖、支護設計方案都是根據巖體結構面的參數來制定的。傳統的巖體結構面測量方法效率低,存在很多問題。ShapeMetriX 3D系統的出現,解決了這些問題。與傳統的測量方法相比,ShapeMetriX 3D 采用移動非接觸式巖體測量,不需要專業的勘測技術,使用簡單、靈活,利用變焦照相機手動拍照,快速、安全地進行數據采集。ShapeMetriX 3D系統按一定的規則描述巖體結構狀況,整套系統不僅僅只是一臺測量設備,而且帶有軟件,可以進行分析評價。該系統提高了地質測量的效率、質量和安全性,可供巖土工程技術人員參考。

- End -

參考文獻:鄭江. 巖體三維成像系統在巖土工程中的應用[J]. 四川建材, 2021, 47(3):93-95.

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