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。可以作為一種新的技術手段，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。可以用自帶的3D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：
與常規勘測方法的主要區別有：
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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