好奇！岩体三维成像是怎么做到的？-欧美大地仪器

摘要：岩土工程实践中，由于岩体结构面的存在，极大地影响了岩体的力学性能。深入开展对结构面的研究，为改善岩体的稳定性提供参考依据，具有重大意义。传统方法采用罗盘、尺子等对结构面进行研究，存在效率低、误差大等诸多缺点。本文介绍了一种新的方法，采用非接触式三维成像技术，对岩体的结构面进行测量、统计、分析，解决了传统测量方法的不足，供工程技术人员参考。

岩体，是指一定工程范围内的自然地质体。岩体包含两个基本要素，即岩石和结构面。由于结构面的存在，使得岩体和岩石的力学性质存在很大的差异。很多工程实践中，在岩石强度很高的洞室内，仍有大量的变形破坏发生，导致岩体稳定性降低。究其原因，就是因为大量的不整合、褶皱、断层、层理、片理、劈理、节理等结构面的存在。结构面又叫“软弱面”，结构面的存在弱化了岩体的力学性能，决定了岩体工程的稳定性，导致了岩体的各向异性。因此，对结构面进行深入研究，对于提高岩体的稳定性具有很重要的意义。

传统上，通常采用罗盘、锤子、放大镜以及尺子等，对结构面进行测量。测量结束后，再返回室内人工绘图，进行数据统计分析。传统方法效率低下，耗时耗力，误差大。测量的对象都是局部测点，而不是宏观的大范围测量。而且对于一些悬崖峭壁、无法到达的场地，无法进行实际测量，造成数据缺失，甚至存在岩石坠落伤人的风险。

鉴于传统方法存在的诸多问题，工程科技人员不断地尝试，研发新的方法，对岩体结构面进行研究。本文介绍了一种新型的岩体三维成像及统计分析系统，可用于岩土工程的勘察和岩体结构的统计分析。可以作为一种新的技术手段，供工程技术人员、科研人员使用，深入对岩体结构进行研究，为岩土工程设计人员提供科学的参考依据。

ShapeMetriX 3D 系统

ShapeMetriX 3D是奥地利3GSM公司研发的一套全新的系统。通过手工拍照，生成三维图形，可以对岩体表面进行测量和统计分析，可用于对岩体表面进行地质学、岩土力学评价分析。ShapeMetriX 3D不是一款摄影测量软件，而是为了解决工程地质、岩土工程、几何结构等问题而开发的一套系统。

对于数据采集，采用的是一台经过3GSM软件标定的数码相机来进行的。通过一台经过标定的相机，从两个不同角度对目标区域进行拍照。拍照前，要提前在目标范围内放置一个标杆(如图1) 。整个数据采集的过程大约几分钟(放置标杆，拍两张照片) 。

图1 隧道掌子面三维图像(圆圈中是标杆)

ShapeMetriX 3D常用于隧道工程、矿业工程、岩土工程等。ShapeMetriX 3D的一个重要特点是，包含3D评价分析软件。ShapeMetriX 3D是一整套系统，包含标定的成像系统和3D处理软件。

拍摄照片以后，将照片拷贝到计算机上，输入到SMX Reconstructor软件中合成一幅三维图像。采用的原理是由计算机视觉而衍生出的立体摄影测量技术。该技术不需要显示参考标记，就可以确定各个照片之间的相对方向。

ShapeMetriX 3D所用的基本原理是可扩展的，这就意味着各种尺寸的表面都可以拍照并且生成三维图像。但是，一个基本的要求就是表面必须是不规则的结构（不平整的）。

ShapeMetriX 3D的结果是一幅三维图像，它展现的是所记录表面的形状。可以用自带的3D软件对这幅三维图像进行各种测量，也可以进行各种评价分析。

与常规记录方法的主要区别有：

• 岩体的状况客观地进行展现；

• 不用考虑场地无法进入的问题，也不用担心测量时间的限时；

• 可以进行多种测量，长度、距离、面积等；

• 可以获得计算的数据，例如可以直接得到结构面间隔。

与常规勘测方法的主要区别有：

• 一幅三维图像不是一组三维表面测量，而是实实在在的照片；

• 拍摄照片无需特殊的技能（会用数码相机即可）。

ShapeMetriX 3D系统采用手持式拍照，无需三脚架，支持变焦镜头，可对不同距离的待测目标进行三维成像。

利用ShapeMetriX 3D系统拍照得到了两幅照片，这两幅照片的方向是确定的。两幅照片上均有一个相同的点P(u,v)，确定了两个方向和两个点，就可以得到两条射线（如图2中红色射线）。这两条射线在三维空间相交于一点P(X,Y,Z)，这个点就确定了。与此类推，两幅照片上的所有点在三维空间都可以都可以确定相应的三维点，所有的三维点就形成了一个三维面。将一幅照片附在三维面上，就得到了三维图像。两次拍照的距离以及相机的位置都是无需知道的。

图2 三维表面成像的原理

这种三维图像得到的是局部坐标系统，没有其它信息。也可以加入现有的目标信息，例如对于隧道，可以加入弧度信息。如果输入指南针方向数据，模型就可以大致对准真北方向。

模型如果需要加入地理坐标信息，最少需要知道图像区域内三个控制点的坐标信息，这三个点的坐标可以通过全站仪或者更精确的GPS 测得( 见图3) 。最终的结果，就会根据这几个控制点的坐标转换成相应的坐标系统。

图3 一座采石场的岩质边坡三维图像

图4 一座采石场的岩质边坡三维图像

图4中(a)为一座采石场的岩质边坡三维图像。这个三维图像是由很多三维点(b)加上照片组成的。用自带的三维评价分析软件，可以便捷地进行地质制图(d)，也可以绘制岩体结构球形图(e)，并且确定结构面间距(f)，可以快速地对岩体结构面进行评价分析。

输出结果

通常，可以从三维图像中得到几何数据。采用系统自带的JMX Analyst 软件可以对三维图像进行查看，也可以进行一些评价分析，如图5～6。

图5 某露天矿坑岩质边坡的三维图像系统自动绘制节理面

图6 软件计算及查看

几何测量与岩土工程测量

①长度( 距离，间隔) ，m；

②面积，m2；

③不连续面或整个岩质边坡( 倾向、倾角) 的空间方向；

④不连续迹和地层( 倾向、倾角) 的空间方向。

计算得到的参数

①间距( 平均间距、法向间距、簇间距、总间距）；

②沿轮廓线的间距；

③迹的不连续性，单位/m

④不连续簇的空间差异；

⑤体积，单位m2。

输出的数据

①三维图像数据，VRML文件和OBJ文件；

②几何数据，DXF文件，可用于CAD；

③测量的数据，CSV文件( 可用于Excel) 和DXF 文件( 可用于CAD)；

④三维图像截图，JPG文件。

应用领域

ShapeMetriX 3D可以在多种工程领域得到应用，包括：

隧道开挖：隧道掌子面三维制图，岩土数据采集，工程管理，地质资料保存；

地下采矿：变形监测，岩土数据采集，支护结构分析；

露天采矿：矿区图的更新，确定开挖的体积，稳定性评价( 例如岩质边坡)；

岩土工程：大致相关性的确定，室内分析和原位分析。

# 结语 #

对于岩土工程而言，研究岩体的结构面是非常重要的。岩体开挖、支护设计方案都是根据岩体结构面的参数来制定的。传统的岩体结构面测量方法效率低，存在很多问题。ShapeMetriX 3D系统的出现，解决了这些问题。与传统的测量方法相比，ShapeMetriX 3D 采用移动非接触式岩体测量，不需要专业的勘测技术，使用简单、灵活，利用变焦照相机手动拍照，快速、安全地进行数据采集。ShapeMetriX 3D系统按一定的规则描述岩体结构状况，整套系统不仅仅只是一台测量设备，而且带有软件，可以进行分析评价。该系统提高了地质测量的效率、质量和安全性，可供岩土工程技术人员参考。

参考文献：郑江. 岩体三维成像系统在岩土工程中的应用[J]. 四川建材, 2021, 47(3):93-95.

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