三维激光扫描技术与数码影像地质编录系统隧道围岩信息采集应用对比研究

宋 妍，王晓琳，李 洋，李 锐

(1.中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳 471009;2.洛阳理工学院，河南 洛阳 471023;3.中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001)

0 引言

隧道工程的地质编录与探矿工程中的地质编录虽均是为了揭露地质现象，但因工作目的不同，对地质编录信息的提取内容不尽相同。隧道工程掌子面地质素描通过采集掌子面状态、毛开挖状态、岩石强度、围岩风化程度、裂隙宽度及形态、涌水状态等信息最终确定围岩级别及前方工程地质问题，发挥超前地质预报功能以指导隧道施工。

地勘人员通过现场地质素描、罗盘量测和照相等采集掌子面围岩信息。由于信息无法复核、现场人员组织等问题，相关研究人员开发了数码摄影地质编录系统，一定程度上已经取得了令人满意的成果。但是对图像信息的提取，必须依靠人机互助编录实现，该过程产生的人为误差，成为数码摄影地质编录精度控制的主控因素。三维激光扫描技术是近年来发展起来的一项测绘技术，其又被称为“实景复制技术”，借助采集的点云数据能够完整并高精度地重建扫描实物的空间三维形态。已有地质体结构面三维激光扫描点云识别方法专利，利用“三点确定平面”法及多点法拟合出露明显的边坡结构面，从而互助计算其产状［1－3］;一些学者关注于点云数据和三角网数据进行岩体结构面平面方程的半自动拟合方法研究［4－5］;鲜有学者将三维激光扫描技术应用在施工地质编录中，定量评价岩石质量［6］。以上研究均是针对具有明显出露结构面的边坡工程，对于出露不明显或仅是暴露结构面断面的隧道工程，三维激光扫描技术地质编录应用尚属空白。本文通过现场试验，对比数码摄影地质编录系统，了解三维激光扫描技术在隧道掌子面及边墙影像采集后的地质信息自动提取能力，进而验证该技术的现场应用可行性。通过2种方法的对比，借鉴各自优势，为开发新型隧道地质编录系统开拓思路。

1 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术。通过激光测距原理瞬时测得待测物体空间三维坐标值，利用获取的空间点云数据，可快速建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型。

目前阶段，需要通过2类软件才能使三维激光扫描仪发挥其功能:一类是扫描仪的控制软件，另一类是数据处理软件。前者通常是扫描仪随机附带的操作软件，既可以用于获取数据，也可以对数据进行相应的简单处理，如奥地利瑞格 Riegl扫描仪附带的软件RiSCAN Pro;而后者多为商业软件，价格不菲，如加拿大Optech三维激光扫描数据处理软件Polyworks、瑞士AMBERG公司的TMS(Tunnel Measure System)系统和Leica Cyclone软件等。由于涉及到技术保护等原因，三维激光扫描系统应用软件几乎均未提供二次开发功能，这为现场实际应用带来很多困难。

2 数码摄影地质编录系统

数码摄影地质编录系统以摄影测量理论和施工地质素描为基础，联合应用近景摄影测量技术、图像处理技术、GIS技术、CAD技术和数据库技术，对获取的影像进行快速处理，高效、准确地提取地质编录要素，生成规范的施工地质编录成果图，并实现编录要素的有效管理与查询检索输出。该类系统最初应用在大型边坡工程地质信息编录中，现已成功应用在隧道边墙等影像信息编录［7－9］。

硐室摄影地质编录的作业流程为:数字影像获取—影像预处理—影像几何校正—影像增强—影像镶嵌制作硐室数字影像展示图—机助地质编录(信息提取与特征描述)—空间数据库管理(图形、图像、属性)—成果输出。硐室摄影地质编录的关键是制作硐室影像展示图，即将像片影像投影至目标柱面后的影像展示图，使其成为摄影地质编录的底图;其次是以影像展示图为底图进行机助编录。

3 围岩信息采集

选择某隧道进行现场试验，该区域上覆地层为第四系中更新统的残坡积土，分布不连续，主要分布在坡脚和隧道进出口等处，下伏基岩为太古界混合片麻岩。混合片麻岩呈灰褐色、青灰色，鳞片变晶结构，片麻状构造，主要矿物成分以云母为主，工程性质较好。本区地表沟谷发育，隧址区地下水类型属松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，地下水主要分布于混合片麻岩层裂隙中，受多年大气降水和褶皱地质构造影响，在节理裂隙不甚发育段汇集，形成地下含水体。该区域主要通过自然降水补给，降水相对集中，全年累计蒸发量大于累计降水量。试验段隧道为Ⅲ级围岩。

3.1 三维激光扫描技术应用

现场试验隧道采用全断面钻爆法施工，现场情况如图1所示。三维激光扫描设备使用FARO(Focus3D)的相位法测量。

图1 现场操作及掌子面情况Fig.1 Three-dimensional laser scanning in site

通过现场试验表明:

1)现场通风环境较好，没有粉尘及水雾对激光点云数据造成干扰，点云成像较为清晰，原始图像采集效果非常好，如图2所示。

2)利用点云数据后处理系统可以通过检测数据中激光回波信号差异及点云空间坐标计算对隧道异状进行互助判别，标示出异状的范围、里程、断面位置等重要信息，如裂缝、渗水和破损等。

选择具有代表性的掌子面3处点云数据进行分析，如图2(a)所示。由于点云数量庞大，从3处区域中选取具有代表性点云数据。对于有水区域的点云数据，如图3所示，其回波强度散点图与相对应点云z坐标散点图在分布上有相似处，即以条带形分布。与现场环境进行对比发现，随着z坐标绝对值增大，掌子面底部围岩逐步由干燥过渡到潮湿。水对回波强度的影响比较明显，随表面水量增加回波强度降低。对于无水区域的点云数据，如图4所示，其回波强度散点图与点云y坐标散点图在分布上有相似处，即成不规则面。通过坐标比对，点云回波强度与距激光发射点的距离及岩体表面曲率有关，远离激光发射点的点云回波强度小，近于激光发射点的点云回波强度大。对于石英与片麻岩交界处的点云数据，如图5所示，由于不同岩体反射面特性差异，回波强度值不同，即片麻岩回波强度值小于石英回波强度值。对比分析3个点云强度图，大部分片麻岩的回波强度集中在1 200附近，有规律可循。

三维激光扫描技术在工程地质领域的应用始终局限在点云坐标的各种计算上，而对于回波强度的应用仍属空白。回波强度及测距结果受反射物材质、颜色、光源、距离、传播介质和设备型号等影响，没有统一标准界定［10］，不同情况下各种影响因素的权重也不同，这为回波强度属性的开发应用带来极大困难。回波强度承载的信息如同人类的触觉，可以感受反射物体表面的干与湿、光滑与粗糙、均匀与破碎等，在光线不足的情况下可以替代数码摄影。综合现场试验其他点云数据，可以初步认为点云的回波强度在隧道工程地质信息采集具有一定的应用价值。由于山岭隧道岩体变化复杂，需要结合大量的实测数据方可总结出规律，还需要经验丰富的人员在实测中不断完善。

3)点云数据处理软件Polyworks是一款通用3D测量软件平台，可以用来分析掌子面及边墙点云数据，从中提取相关信息，但是当岩体受爆破、开挖等施工影响时，软件现有的算法无法有效地消化点云数据信息。自动点云识别计算所得到的围岩结构信息结果经常需要人工去噪，否则一些重要的围岩信息将被自动过滤或被其他貌似有效的数据覆盖。三角网格类型对于围岩结构特征描述十分重要，而软件中提供的简单网格修饰计算方法限制了使用者对掌子面或拱顶的解译，最终导致许多偏差。

图6为某隧道掌子面钙化剪切带连续3次扫描后隧道轴向展示效果图，图7为3次扫描后推断节理走向及间距效果图。仅凭一次掌子面扫描结果推测围岩产状，在结构面等出露不明显的情况下实现难度较大［11］。

3.2 CCD数码相机地质编录系统应用

图8为现场隧道影像采集侧墙图像生成的三维效果图，图中黑线为以底图手工绘画的结构线。通过边墙结构线绘制该线与掌子面位置关系，如图9所示。

现场应用表明:

1)在现场照明充足、通风效果良好的情况下，数码相机图像采集不受影响，经过几何纠正、条带镶嵌形成的编录底图可以清晰显示围岩地质信息，如裂隙间距、长度和产状等。

2)通过人机互助，可以在底图进行编录绘制结构、节理、风化带等地质信息以及计算岩层厚度等，实现产状信息的自动计算，相关属性信息人工输入，信息查询、统计，输出CAD地质素描图，EXCEL报表等。

3)现场施工由于循环进尺较短，采集围岩有效暴露区域图像较少，多被初期支护覆盖，条带镶嵌后可视产状信息不连续。

4)掌子面影像采集涉及到空间坐标定位等问题，现有系统还无法有效进行掌子面产状信息提取及描述，但已经引起相关研发人员的重视，力求掌子面编录摆脱光学观测设备限制。

图9 断面图Fig.9 Cross-sections

4 结论与体会

1)现场数据采集能力比较。同样5～8 min采集完数据，三维激光扫描数据存储量可达上千兆，数码摄影编录采集不到百兆;在现场灯光照射效果不理想的情况下，三维激光扫描技术不受影响，数码摄影图像清晰度损失严重;三维激光扫描技术可实现隧道内全场景复制，而数码摄影编录系统只能采集隧道边墙影像;结构面相关属性信息均需要人工输入存储。

2)地质编录信息提取比较。数据摄影编录系统能够清晰展示围岩产状、裂隙宽度及长度等信息，人机交互操作精度满足工程需求;三维激光扫描技术可以根据回波强度阈值设定，自动显示围岩渗漏水位置的影像信息，借助三角网格计算完成产状等信息提取，对操作人员素质要求较高，不利于现场人员组织。三维激光扫描技术，对于点云的空间坐标开发相对完善，但对于回波强度的利用鉴于数据库的开发难度，少有参与。如将两者结合起来，利用表面采集点云数据回波强度的差异来约束、修正三角网格计算出来的结果，或者由三角网格计算出来的结果验证回波强度分析结果。三维激光扫描技术在隧道及地下工程领域的应用有待关注。

3)售价比较。三维激光扫描设备及商业系统软件超过百万元，推广应用较困难;数码摄影编录系统价位相对较低，推广较容易。

4)精度检校。三维激光扫描仪精度的检校存在困难，目前检校方法单一，基准值求取复杂，精度评定不好，点云数据处理软件没有统一化，各个厂家都有自带软件，互不兼容，对于点云数据应用的二次开发成本较高，并且精度、测距与扫描速率存在矛盾关系;数码摄影编录系统相机畸变纠正相对容易，造价较低。

5)点云数据的动态观察为数码摄影编录底图漫游、查询提供了思路;边墙影像不连续为底图编录带来困难，掌子面DSM模型建立及其编录可以有效解决该问题。

6)在目前的技术条件下，采用三维激光扫描技术进行地质编录相对于数码摄影编录系统还有一定的距离，但在超欠挖检测、衬砌厚度、土方量计算、掌子面挤出变形及收敛监测等方面，三维激光扫描技术贡献卓越。

［1］ 赵志祥，董秀军，王小兵，等.地质体结构面三维激光扫描点云识别方法:中国，CN102096944A［P］.2010－11－25.

［2］ 张文.基于三维激光扫描技术的岩体结构信息化处理方法及工程应用［D］.成都:成都理工大学环境与土木工程学院，2011:1 －79.(ZHANG Wen.Information processing method on rock mass structure and its application in geological engineering based on three-dimensional laser scanning technique［D］.Chengdu:College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，2011:1 －79.(in Chinese))

［3］ 董秀军，黄润秋.三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(S2):3629 －3635.(DONG Xiujun，HUANG Runqiu.Application of 3D laser scanning technology to geologic survey of high and steep slope［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(S2):3629 －3635.(in Chinese))

［4］ 刘昌军，高立东，丁留谦，等.应用激光扫描技术进行岩体结构面的半自动统计研究［J］.水文地质工程地质，2011，38(2):52 － 57.(LIU Changjun，GAO Lidong，DING Liuqian，et al.Research of semi-automatic statistics of rock mass discontinuity applying laser scanning technology［J］.Hydrogeology and Engineering Geology，2011，38(2):52 －57.(in Chinese))

［5］ 刘昌军，丁留谦，孙东亚.基于激光点云数据的岩体结构面全自动模糊群聚分析及几何信息获取［J］.岩石力学与工程学报，2011，30(2):358 －364.(LIU Changjun，DING Liuqian，SUN Dongya.Automatic fuzzy clustering analysis and geometric information acquisition of rock mass discontinuities based on laser point cloud data［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(2):358 －364.(in Chinese))

［6］ 周峰，施毅，唐秋元.三维激光扫描技术在施工地质编录中的应用［J］.岩土工程技术，2010，24(2):79－83.(ZHOU Feng，SHI Yi，TANG Qiuyuan.The application of the 3D laser scanning technology in geological catalog［J］.Geotechnical Engineering Technique，2010，24(2):79 －83.(in Chinese))

［7］ 杨林.数字影像地质编录系统的研究与开发［D］.南京:河海大学地球科学与工程学院，2003:1－74.(YANG Lin.An geology catalog system based on digital image［D］.NanJing:School of Earth Sciences and Engineering，HoHai University，2003:1 －74.(in Chinese))

［8］ 王明华.复杂硐室地质编录信息系统关键技术研究［D］.南京:河海大学地球科学与工程学院，2007:1－50.(WANG Minghua.Key techniques of geologic logging information system for complex tunnel［D］.NanJing:School of Earth Sciences and Engineering，HoHai University，2007:1－50.(in Chinese))

［9］ 李浩，张友静，华锡生.硐室数字摄影地质编录及其基本算法研究［J］.武汉大学学报:信息科学版，2004(9):55 －58.(LI Hao，ZHANG Youjing，HUA Xisheng.Geologic logging of digital photos and its basic algorithm［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2004(9):55－58.(in Chinese))

［10］ 杨俊志，尹建忠，吴星亮.地面激光扫描仪的测量原理及其检定［M］.北京:测绘出版社，2012:62－63.

［11］ Stephanie Fekete，Mark Diederichs，Matthew Lato.Geotechnical and operation for 3D laser scanning in drill and blast tunnels［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2010(25):614－628.