三维数码摄影测量技术在高边坡地质调查中的应用

朱永生，褚卫江，张亚兵，李鹏飞

(1. 中国电建华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122；2.浙江中科依泰斯卡岩石工程研发有限公司，浙江杭州311122；3.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110004；4. 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081)

在水利水电行业，工程规模和建设难度越来越大，尤其是分布在西南地区的水电开发多位于高陡险峻的“V”字型峡谷中，工程区域内的复杂地形地貌条件对传统测绘、地质调查手段或方法形成严峻考验，同时也催生了对新技术开发与引进的现实需求。目前，国内外已获得了一系列技术研发成果，如三维激光扫描、双目三维重构、三维数码摄影测量等。

然而，上述技术都存在由底层环节所决定的缺陷，给推广普及应用形成障碍。三维激光扫描受安全激光功率限制、扫描距离和范围有限，且特定材料对激光光源反射不够敏感，会造成扫描范围内出现盲区等[1-2]；双目三维重构技术在岩体结构面过于倾斜时容易造成较大误差[3-5]。以上不足给这些新技术的推广普及形成障碍。

作为近景摄影测量法的新生代技术，三维数码摄影测量技术近年来在地质工程领域的应用具有广泛应用前景[6-7]。较之传统近景摄影测量法，其技术关键主要在于引入了相机校验算法，使得采用非量测数码相机进行地质测绘工作的构想成为现实。除可以对复杂地形地貌实施非接触性测绘；其次，该技术工作全过程数据媒介均表现为电子化成果，省去了外业纸质成果数字化这一传统工作方式所需的人力投入。不过，三维数码摄影测量技术的现实应用也会受到工作条件影响，日照、通视条件等是需要主要的因素。

在地质工程领域，在国际范围内已得到较普遍应用的三维数码摄影测量技术产品主要包括Adam 3DM(含CalibCam、Analyst两个软件)、Sirovision以及3G&S。2006年美国针对不同开发商提供测量技术组织了检测试验，还包括激光扫描应用测试和对比评价。试验结果表明，Adam数码照相摄影测量技术更准确、快捷与灵活，提供的模型质量也更高。在目前阶段国内水利水电工程行业中，Adam 3DM系统已成功应用于白鹤滩、锦屏二级、杨房沟、丹巴和乌东德等大型水电站建设的一系列边坡、硐室和基坑工程中[8-9]。

本文以Adam 3DM系统为背景，介绍数码摄影测量技术的基本原理和应用流程，并通过工程实例检验其适用性和成果应用，为高陡边坡地质调查提供新的工作方法和研究思路。

1 三维数码摄影测量工作原理

三维数码摄影测量法的基本原理在于通过鉴别多张照片中相同目标点，将透视中心和目标点连线并反向投影得到其三维坐标(图1a)，进而融合生成三维地形(DTM)和高程(DEM)模型，并据此开展地质信息数字化提取。透视中心坐标X、Y和Z及偏转角度ω、φ和κ(图1b)采用“相对定位法”或“绝对定位法”经“后方交会”计算处理得到。

“相对定位法”与“绝对定位法”的区别在于后者能够准确提供地质点坐标与结构面产状等信息。工程实践中常使用地质罗盘测得产状、标尺长度(以及其内在的边角关系)和控制点坐标(人工控制点或拍摄站点)等作为对摄影测量成果进行“绝对定位”的参照依据。这些参照可组合使用，因此可形成表1五种常用的绝对坐标系定义方法。方法A、E属于“半绝对”定位方法，该适用于测算结构面迹长、产状和间距等统计性信息而无需准确获得露头点坐标的情形，此时，位置点坐标不具定位价值。在摄影测量测绘实践应用中，通常采用精度最高的绝对坐标系定义法C，即通过全站仪精确测量岩面上的若干控制点(大于3)来控制获得三维数字化模型成果的绝对坐标。

表1 摄影测量中绝对坐标系定义方法的比较

2 数码摄影测量工作流程

摄影测量法地质测绘的主要工作环节包括拍摄模式优选、数码图像拍摄、镜头率定、照片融合、构建三维数字化地形模型(DTM)、空间数据提取和数据利用等，见图2。

首先根据拟调查原岩出露面的特点及调查目的确定拍摄焦距，同时根据现场场地条件确定拍摄角度、站点及拍摄方式等。拍摄完毕后应用3DM CalibCam搜索照片像素匹配点(包括控制点来定义绝对坐标系)，开展“相对定位”或“绝对定位”操作来完成镜头率定和照片合成。在此基础上应用3DM Analyst生成绝对(工程)坐标系三维数字化模型并据此开展地质数据采集处理，如获得地形信息，以及结构面产状、间距及尺寸分布等成果。

3 在如美水电站高边坡中应用

如美中坝址两岸边坡呈现中国西南地区典型的深切峡谷地貌(V字形)，近河床部位由于构造运动以及河流的下蚀作用多形成陡坎或陡壁，对定量描述坡面结构面信息造成了一定困难，可研阶段采用3DM三维数码摄影测量技术对陡峭高边坡开展了结构面参数(产状、迹长、间距等)测绘与调查[10]。

3.1 现场数据采集

为高精度数字化边坡地形模型生成及据此开展工程坐标系下的结构面信息测绘采集，现场拍摄需依据现场地形地貌、气候等条件和三维数码摄影测量技术的特点遵循一般性原则开展，确保照片能够成功匹配合成，并合理选择绝对定位方法和优化布置参照物，以达到精度控制意图，见表2。

表2 现场数据采集的基本原则和精度控制

拍摄时间主要依据光照条件而定，以保证拍摄部位的可视性和恒定性，过强或过弱的光照条件不利于照片自动匹配，以及后续地质信息的鉴别与采集处理。增大照片之间的重叠率可以帮助控制坐标信息在照片间传递过程中的误差，本次现场拍摄采用照片重叠率约为30%。受现场地形地貌和交通条件的限制，本次现场拍摄中左、右岸控制点的布置都以工作人员能安全抵达为首要原则，因此并没有很好体现均匀布置的原则。不过，工作成果表明，Adam 3DM系统解译依然可以获得满足精度要求的模型成果。对于控制点布置困难的情形，还可以采取其他替代方式，如在拍摄区域内标记明显的固定地物(如凸起岩块的顶端)等。

3.2 照片匹配合成与精度检验

3.2.1照片匹配合成

在拍摄完照片以后，采用3DM CalibCam进行照片匹配和三维合成，参与左、右岸模型构建的照片数量分别为65、53张。参考图3，以右岸高边坡为例，图3a、3b分别表示由程序匹配处理自动识别得到的右岸像素点在某一张照片中的分布情况，以及针对图3a框选范围内控制点的标定操作处理示意。在完成照片自动匹配和控制点标定后，再通过照片拼接功能将左、右岸照片分别合并为一张，最后依据控制点进行“绝对定位”，将其归位至真实坐标空间，获得图3c、3d所示工程坐标系下左、右岸三维数字化地形模型。

3.2.2精度检验

通过照片合成得到的数字化模型的精度通常从以下3个方面来进行检验：①照片像素点匹配过程中生成的有效地形数据点数量(数据点越多，越能保证精度)；②照片合成控制点坐标或产状等指标计算值与实测值的差别；③各照片匹配点最大均方根(即多少像素)控制及精度计算。其中，方法①是体现软件系统精度和能力的基本指标，方法②则为控制或保证测量精度的最有效途径。

以如美中坝址区右岸为例，照片合成产生的数据点超过400万个，见图4。考虑调查边坡面积约为12万m2(400 m×300 m)，每平方米产生的控制点控制点达33.3个。就数据点密度而言，这一精度相当或高于激光扫描地形测量。右岸控制点收点数实际为6个，表3比较了右岸控制点计算值与实测值，以及两者之间的残差，X和Y的正值分别表示正东和正北方位，小数点前只保留了4位数字，Z表示高程。其中，1、3、6号点X坐标误差相对较大，最大达到0.16 m，其余都在厘米量级，满足地质测绘的要求。结构面产状可由3点(和3点以上)坐标计算获得，结构面产状的精度也因此同时得到保证。

表3 右岸三维模型合成过程中控制点残差单位：m

3.3 成果解译与应用

三维数码摄影测量技术可以为工程生产或科研等不同用途提供基础性数据，成果表现方式也因此较为多样。将数字化地形成果导入后，地质信息相关解译处理工作通过3DM Analyst软件来实现。

3.3.1基本应用

作为一种工程技术，三维数码照相技术的直接作用是可以帮助进行地表测量、快速地质编录，变形监测等日常性基础资料的收集，成果内容主要包括对应于拍摄时刻的地形测绘成果，结构面编录成果(露头点坐标、产状)，成果表现方式一般是等高线、赤平投影等日常性制图成果。

等高线是用于表示地形地貌最为广泛的方法之一，结构面产状也是地质调查需获得的另一项基本地质参数。在传统地质作业中，等高线可通过野外测绘勾绘或利用航空立体测量数据内插得到，结构面产状一般采用地质罗盘量测获得。传统方法的共同特点是费事费力，在西部水电工程建设中往往还受险峻地形限制出现缺乏工作条件的情况。Adam 3DM三维摄影测量技术为上述问题的解决提供了有效手段。其中，等高线由程序等高线处理功能自动得到(输入高程范围与采集高程间隔即可)，程序内置的结构面描述方法则较为多样，主要含有线条、圆盘两种几何对象编辑工具以反映结构面形态(迹线、节理面)，同时帮助定量提取迹长与产状等指标数据。以如美中坝址左岸边坡代表性区域为例，图5a给出了对数字化地形成果中的结构面露头进行人工鉴别，再利用交互式线条编辑功能经人工勾绘得到结构面迹线在左岸高边坡中的展布情况。程序可依据结构面编录成果进行赤平投影制图，以帮助进行结构面分布统计分析，见图5b。由此可见，左岸边坡主要分布有4组优势性结构面，其中2组陡倾、近乎正交，其余2组呈缓倾分布。

3.3.2拓展应用

Adam 3DM具有将编录成果数据导出为指定格式外部文件(AutoCAD、表单数据)的功能，为工程设计甚至是基础性研究与分析提供参数。其中，结构面编录成果相关拓展应用在实践中更为普遍。在对结构面编录成果作针对性分析、得到分布特征的统计参数后，可帮助进行岩体质量分级、构建精细化岩体结构面网络模型，开展结构面影响相关岩体力学特性和岩体稳定性数值模拟等多层次研究或应用。

以左岸为例，将图5a中结构面迹线长度输出为外部文本文件，对其数据做Excel统计处理后得到图6第一组优势性结构面的迹长和频率分布成果，可见该组结构面迹长大致服从幂率型统计分布特征，据此可得到节理网络模型构建所需的迹长描述性参数。

中坝址边坡在历史上经受过复杂的冻融、风化卸荷等自然营力作用，边坡多处分布有碎裂松动岩体。以左岸某松动岩体为例，将图7、表4中用于描

述结构面形态与产状的圆盘信息(位置、直径和产状)输出至外部文本文件，结合利用三维地质模型软件GoCAD和Excel处理得到其局部结构面分组、间距及其块体体积分布情况。

表4 中坝址左岸碎裂松动岩体描述

现场调查显示，倾倒是如美坝址区右岸卸荷的重要机制，较之小湾、拉西瓦等工程中边坡出现的硬岩倾倒破坏，如美坝址区出现的倾倒特征不符合一般规律、表现更为复杂，给正确认识问题的内在机制造成困难。以传统测绘与本次摄影测量工作所得结构面分布特征的统计性参数为条件，图8表示据此利用离散单元法程序UDEC构建得到、含随机节理网络的数值分析模型，并开展边坡岩体稳定性评价的示意性成果。依据变形分布可见，两岸历史卸荷变形主要受工程区普遍发育的两组陡倾结构面控制，由于缓倾结构面具有相对明显的断续分布特征，其对边坡变形稳定性影响不显著，且右岸倾倒变形现象得以正确反映。

4 结语

本文首先对Adam 3DM三维数码摄影测量技术的基本原理和工作步骤等环节进行了阐述，并将其应用到如美水电站陡峻高边坡地质调查工作中。研究成果证明，摄影测量技术是一种快速、精确、应用方便的地质素描新方法。其主要优点首先在于突破了地形地貌对地质测绘工作的限制，使地质工作者能够方便地从整体和局部两方面鉴别高边坡地质信息特别是结构面分布特征;其次，应用成果丰富多样，可以为不同意图和多层次应用研究提供基础性数据保障，同时在降低人工成本及保障员工人身安全方面具有现实意义。