Sirovision 節(jié)理巖體遙測系統(tǒng)誤差分析與修正方法

徐 帥 張 馳 安 龍 李元輝

(深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽110819)

“言巖體必及結(jié)構(gòu)”［1］是由于巖體中地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的存在，使得巖體力學強度大為降低。工程實踐證明，巖體結(jié)構(gòu)面對于巖體的變形與破壞具有控制作用［2-12］，因此，準確描述巖體中結(jié)構(gòu)面的空間幾何形態(tài)及力學性質(zhì)對于判定和分析巖體的穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)有的巖體結(jié)構(gòu)面采集方法可大致劃分為2 類:①接觸式測量法，以測線法為代表，通過皮尺和羅盤對待測結(jié)構(gòu)面進行人工現(xiàn)場逐一測量。該方法可獲得準確的結(jié)構(gòu)面信息，但勞動強度大，工作效率低，受環(huán)境及安全因素制約，存在較多無法測量的區(qū)域。隨著科技的發(fā)展，該方法已經(jīng)無法滿足工程快速施工的需求。②非接觸測量法，包括三維激光掃描法［13-16］和攝影測量法［17-20］。該2 種方法無需接觸巖體結(jié)構(gòu)面即可采集信息，具有快速、便捷、高效的特點。但三維激光掃描的精度與效率受到激光測距精度以及點云密度的制約;攝影測量技術(shù)由于采用嚴密的解析計算方法從而能夠獲得較高的測量精度，在巖土工程領域得到了廣泛的應用，常用的攝影測量系統(tǒng)有3GSM、VirtuoZo、GeoSMA － 3D、LiDAR scans、Sirovision 等。為此，介紹了Sirovision 巖體結(jié)構(gòu)面三維遙測系統(tǒng)的組成，對使用該系統(tǒng)進行測量時的誤差來源進行了分析，提出了減小測量誤差的方法，并應用于焦家金礦試驗礦塊，通過調(diào)查獲取研究區(qū)內(nèi)優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及危險塊體的具體位置，為確保礦山安全生產(chǎn)及優(yōu)化工程參數(shù)提供依據(jù)。

1 巖體結(jié)構(gòu)面遙測系統(tǒng)

CAE SirovisionTM 是一套專門應用于巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查與分析的測量系統(tǒng)，包括2 個部分:①CAE 立體圖像采集儀，集成2 臺高分辨率工業(yè)相機，通過單桿腳架，實現(xiàn)0° ～360°范圍內(nèi)巖面二維圖像的快速獲取;②三維圖像處理與分析軟件，融合了巖體三維模型重構(gòu)、結(jié)構(gòu)面繪制、結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計分析以及巖體穩(wěn)定性分析等4 部分功能，不僅能夠快速統(tǒng)計巖體結(jié)構(gòu)面的空間方位產(chǎn)狀數(shù)據(jù)，而且能夠?qū)r體的穩(wěn)定性給出準確的評價結(jié)果。

Sirovision 節(jié)理巖體遙測系統(tǒng)(以下簡稱Sirovision 系統(tǒng))依據(jù)雙目立體測圖的基本原理獲取目標巖體的左右2 幅圖像，基于所獲取的圖像，完成圖像的內(nèi)方位元素定位后，通過圖像合成，重建目標巖體的幾何模型;根據(jù)目標巖體中的控制點坐標，進行外方位元素定位，完成幾何模型的坐標轉(zhuǎn)換;在轉(zhuǎn)換后的模型中，提取節(jié)理巖體信息。

圖像內(nèi)方位元素定向是用于確定2 幅圖像之間的相對位置，直接服務于圖像合成和模型建立。Sirovision 系統(tǒng)工作時設備平行于水平面，換言之，2 臺相機的連線平行于水平面，屬于“單獨像對相對定向”(見圖1)，通過 φ1，к1，φ2，w，к25 個定向元素，完成像對的相對定向。

圖1 單獨像對相對定向元素Fig.1 Relative orientation elements of individual image pairs

立體像對通過相對定向后，利用圖形合成形成與實物相似的幾何模型，但該模型的大小與空間方位均是任意的，因而有必要借助被測對象中已知的地面控制點，對定向后的模型進行平移、旋轉(zhuǎn)與縮放，轉(zhuǎn)化為攝影測量坐標系中的模型。需要確定相對定向所建立的模型空間方位的7 個參數(shù)(Xs，Ys，Zs，λ，φ，w，к)，借助目標對象中3 個地面控制點，計算該7 個參數(shù)，公式如下:

像點坐標與地面控制點在攝影測量坐標系中的坐標可通過線性交換法進行求解:

式中，(x，y)為像點坐標;I1，I2，I3，…，I11為直接線性變換系數(shù)。

Sirovision 系統(tǒng)工作時，2 臺相機位置固定，其鏡頭間距不變，相機參數(shù)固定，僅需要通過被測物體上的3 個控制點構(gòu)建解算方程組即可進行求解。

2 Sirovision 系統(tǒng)誤差

2.1 誤差來源

(1)目標巖面圖像的合成效果。巖面圖像的合成效果直接決定數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準確性，而圖像獲取時合理的拍攝距離以及最佳的拍攝角度對于提高三維圖像的合成效果具有較大影響。

(2)控制點坐標位置選取與目標巖面定位。Sirovision 系統(tǒng)工作時，至少需要3 個不在同一直線上的控制點的真實坐標實現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)由相對坐標到真實坐標的轉(zhuǎn)換。因此，需要利用礦山已有的測量網(wǎng)絡，采用全站儀測量控制點坐標，控制點坐標測量的方法與精度決定了三維合成圖像坐標轉(zhuǎn)換的精度。

(3)節(jié)理巖體信息的提取操作。Sirovision 系統(tǒng)提取巖體結(jié)構(gòu)面信息是以三維合成模型為對象，采用人工繪制的方式進行。在統(tǒng)計節(jié)理的長度、尺度、分布特征等信息過程中，由于缺乏統(tǒng)一標準，基本依賴于操作人員對節(jié)理信息的理解，不同的操作人員所提取的信息有所差異。因此，人為因素成為影響結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果一致性和準確性的重要因素。

2.2 誤差標定及對策

2.2.1 巖面合成效果

2.2.1.1 拍攝距離

2016年對“集氣—增壓回收技術(shù)”總結(jié)的基礎上形成高壓分離回收技術(shù)，高壓分離器充分利用高壓氣井自身高壓特點，經(jīng)分離后直接進入管網(wǎng)，實現(xiàn)安全節(jié)能、全自動化、無人值守。

Sirovision 系統(tǒng)預先提供自定義設置、3 ～5 m、5～7 m、7 ～10 m 等4 類拍攝距離供選擇。地下礦山巷道寬度差異較大，部分礦山巷道寬度小于3 m，無法選擇預設的量測距離選項。為此，在確保測量設備與巖面垂直的基礎上，分別在距離巖面1.8，2.1，2.5 m 處對巖面的同一區(qū)域進行拍攝，得到不同距離條件下三維圖像的合成效果見圖2。

圖2 不同距離條件下圖像的合成效果Fig.2 Synthetic effects of image under different distances

隨著拍攝距離的增加，成像系統(tǒng)所能獲取的圖像范圍也有所增加，當垂直距離為2.5 m 時，三維圖像合成區(qū)域的面積與原始二維圖像總面積的比值(合成面積比)達到72%，為自定義設置條件下最大的合成面積比;隨著垂直距離進一步增大，雖然拍攝區(qū)域有所增大，但圖像邊緣的質(zhì)量顯著降低，使得圖像合成時邊緣處無法合成，降低了整幅圖像的合成效果，因此在巷道寬度小于3 m 的礦山，選擇2.5 m 的拍攝距離有助于獲得更為準確的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

2.2.1.2 拍攝角度

由于測量條件限制以及操作者經(jīng)驗不足等因素導致拍攝方向與巖面法線存在夾角，造成獲得的巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計數(shù)據(jù)與真實值間存在一定的誤差。為了分析拍攝角度改變時對測量結(jié)果的影響，分別使拍攝方向與巖面法線成0°、10°、20°、30°夾角進行拍攝。對改變拍攝角度獲得的公共拍攝區(qū)域內(nèi)的同一節(jié)理進行調(diào)查，結(jié)果見圖3。同一結(jié)構(gòu)面在不同拍攝角度下獲得的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)與羅盤實測值對比見表1。

圖3 拍攝角度改變時巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀差異Fig.3 Difference of the rock mass structure surface under different camera angles

表1 同一結(jié)構(gòu)面不同拍攝角度下的產(chǎn)狀差異Table 1 Differences of the same structure surface under different camera angles (°)

由表1 可知，Sirovision 系統(tǒng)設備與巖面垂直時得到的測量結(jié)果與羅盤實測值基本一致，當拍攝角度為10°時，統(tǒng)計值與真實值間的誤差較大，對此，按照上述方法對0° ～10°范圍內(nèi)改變拍攝角度對于結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的影響進行分析，發(fā)現(xiàn)當拍攝方向與巖面法線間的夾角為5°時，結(jié)構(gòu)面的傾向值為15.8°，與真實值間的絕對誤差僅為0.7°，達到了可以接受的范圍。因此，在測量前首先根據(jù)最佳拍攝距離在巷道底板繪制1 條與巖體平行的直線作為標準線，確保成像系統(tǒng)在標準線上移動，2 臺相機的連線與其平行或夾角小于5°，即可有效避免上述問題的產(chǎn)生。

2.2.2 控制點布設與目標巖面定位

采用免棱鏡激光全站儀測量控制點坐標，通過空間極坐標測量法獲取目標點的三維坐標。由于巖面質(zhì)量及控制點標識方式的影響，造成Sirovision 系統(tǒng)統(tǒng)計結(jié)果與實測值間存在一定的偏差。為此，可按照如圖4 所示的方式于目標巖面布置6 個控制點。采用2#、4#、5#控制點的測量坐標進行目標巖面的空間定位，利用1#、3#、6#控制點的測量坐標與Sirovision系統(tǒng)的統(tǒng)計值進行對比，結(jié)果見表2。

圖4 控制點布設形式Fig.4 Layout form of control points

表2 控制點坐標實測值與Sirovision 系統(tǒng)統(tǒng)計值對比Table 2 Comparison between measured values and statistic values of Sirovision system of control points m

由表2 可知，1#、3#、6#控制點坐標實測值與統(tǒng)計值間存在不同程度的誤差，由于全站儀為經(jīng)過標定的設備，自誤差較小，因此推測誤差產(chǎn)生的原因主要有:①控制點選擇在巖石尖端或巖面顏色相對單一的位置，免棱鏡激光全站儀觀測時激光發(fā)生散射和折射，導致測量結(jié)果存在偏差;②現(xiàn)場采用噴涂十字交叉點的方式得到的控制點位置范圍較大，而全站儀照準控制點后所得到的測量坐標為激光點的位置，因此在進行數(shù)據(jù)還原時無法精確對應，產(chǎn)生測量誤差。對此，現(xiàn)場控制點應布設于巖面相對平坦且有明顯的色塊交界處，標識控制點時應盡可能確保十字交叉位置能夠趨于1 點，減小目標巖面的定位誤差。

2.2.3 結(jié)構(gòu)面繪制

Sirovision 系統(tǒng)提供了2 種巖體結(jié)構(gòu)面信息的識別方法:①基于后處理軟件的自動識別;②依托后處理軟件，根據(jù)結(jié)構(gòu)面特征，手工進行繪制。對于結(jié)構(gòu)面數(shù)量較少且特征明顯的巖體采用第一種方法得到的統(tǒng)計結(jié)果相對唯一，但對于絕大部分巖體，結(jié)構(gòu)面數(shù)量較大且錯綜復雜，通常采用手工繪制的方式識別巖體結(jié)構(gòu)面信息。由于不同人員的操作經(jīng)驗各異，導致相同的巖面繪制出不同數(shù)量的結(jié)構(gòu)面，從而導致巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計結(jié)果存在一定的差異。任意2 位操作人員得到的3 組巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同操作人員得到的巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 3 Statistics results of rock mass structure surface of different operators

由表3 可知，不同的操作人員對于巖體結(jié)構(gòu)面信息的統(tǒng)計存在差異，導致按照產(chǎn)狀特性進行的巖體結(jié)構(gòu)面分組的結(jié)果存在差異，造成了基于不同節(jié)理組間巖體的穩(wěn)定性分析結(jié)果存在較大誤差。對此，根據(jù)節(jié)理的力學性質(zhì)，制定了繪制結(jié)構(gòu)面的一般原則:①繪制出露明顯并具有明顯延伸趨勢的單個結(jié)構(gòu)面;②根據(jù)節(jié)理發(fā)育特征繪制具有明顯交叉呈“X”型的剪節(jié)理;③繪制具有等距平行排列特征的平行剪節(jié)理;④繪制長度大于0.3 m 并具有明顯開口特征的張節(jié)理。按照上述原則繪制結(jié)構(gòu)面可以規(guī)范巖體結(jié)構(gòu)面的繪制方式，避免繪制的隨意性。

3 應用實例

測試地點位于焦家金礦－450 m 中段，礦體賦存條件復雜，節(jié)理裂隙高度發(fā)育，礦巖破碎，穩(wěn)定性差，給礦山安全生產(chǎn)帶來了巨大威脅。針對試驗礦塊開展破碎巖體的節(jié)理調(diào)查分析研究，查明該區(qū)節(jié)理方位、節(jié)理面的組數(shù)進而推測巖體中危險塊體的位置。根據(jù)工程特點及穩(wěn)定性分析的需要，共布置9 個測點，并按照測點的集中分布特征將其劃分為5 個測區(qū)(見圖5)，以便將同一測區(qū)內(nèi)的三維巖面進行合成。

圖5 調(diào)查區(qū)域測點分布Fig.5 Distribution of measuring points in investigation area

試驗礦塊所在的巷道寬3.5 m，選擇對應的拍攝距離和垂直于測區(qū)巖體的位置，獲得巖面的二維圖像對并合成三維實體圖?；赟irovision 系統(tǒng)后處理軟件對節(jié)理裂隙進行了數(shù)字化的識別，得到了如圖6 所示的節(jié)理面分布情況。

圖6 1# ～3#測點節(jié)理分布Fig.6 Jointed distribution of 1# ～3# measuring points

Sirovision 系統(tǒng)獲得的巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)與實測值對比見表4。

表4 Sirovision 系統(tǒng)獲得的巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)與實測值對比Table 4 Comparision of the parameters of rock mass structure surface obtained by Sirovision system and field measuring

由表4 可知，Sirovision 系統(tǒng)測量值與羅盤量測值十分接近，驗證了本研究所提出的減小測量誤差方法的有效性。由Sirovision 系統(tǒng)的測量結(jié)果得到在該調(diào)查區(qū)內(nèi)存在3 組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，即61°∠355°、82°∠100°、78°∠275°，結(jié)合廣義楔形體理論，如果該3組結(jié)構(gòu)面同時出現(xiàn)在1 個測區(qū)內(nèi)且兩兩相交，則任意2 組結(jié)構(gòu)面均可構(gòu)成“V”型結(jié)構(gòu)，一旦該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在巷道頂板中便具備了狹義楔形體的結(jié)構(gòu)特征，此時巷道頂板極有可能出現(xiàn)冒落危險，如圖7 所示。

圖7 巖體穩(wěn)定性分析Fig.7 Rock mass stability analysis

由圖7 可知，1#～3#、4#～5#測點處的頂板中存在危險體結(jié)構(gòu)，可能對地下開采產(chǎn)生較大的威脅，需根據(jù)現(xiàn)場情況及時處理。

4 結(jié) 語

分析了Sirovision 系統(tǒng)的圖像獲取操作及數(shù)據(jù)處理過程，認為目標巖體控制點坐標獲取、目標巖體的圖像質(zhì)量，節(jié)理巖體的提取操作是產(chǎn)生測量誤差的主要原因，并給出了相應的減小誤差措施。進行了焦家金礦試驗采場節(jié)理巖體調(diào)查與穩(wěn)定性分析，得到了調(diào)查區(qū)內(nèi)優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的幾何統(tǒng)計參數(shù)及巖體的不穩(wěn)定位置，與羅盤測量獲得的數(shù)據(jù)誤差較小。

［1］ 吳志勇.巖體結(jié)構(gòu)信息化處理及工程應用［D］. 成都:成都理工大學，2003.

Wu Zhiyong.Information Processing on Rock Mass Structure and Its Application in Geological Engineering［D］.Chengdu:Chengdu University of Technology，2003.

［2］ Yao A J，Tian Z Z，Jin Y J. Sliding surface searching method for slopes containing a potential weak structural surface［J］. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2014(3):275-279.

［3］ Li Y Y，Wang Q，Chen J P，et al.Determination of structural domain boundaries in jointed rock masses:an example from the Songta dam site，China［J］. Journal of Structural Geology，2014，69 (6):179-188.

［4］ Zhao Y S，F(xiàn)eng Z C，Yang D，et al.Three-dimensional fractal distribution of the number of rock-mass fracture surfaces and its simulation technology［J］.Computers and Geotechnics，2015，65 (5):136-146.

［5］ 彭雙喜.節(jié)理巖體隧道的穩(wěn)定性分析及破壞機理［J］. 公路工程，2014，39(5):295-299.

Peng Shuangxi. Stability analysis and failure mechanism of jointed rock tunnel［J］.Highway Engineering，2014，39 (5):295-299.

［6］ 梁正召，肖東坤，李聰聰，等. 斷續(xù)節(jié)理巖體強度與破壞特征的數(shù)值模擬研究［J］.巖土工程學報，2014，36(11):2086-2095.

Liang Zhengzhao，Xiao Dongkun，Li Congcong，et al.Numerical study on strength and failure modes of rock mass with discontinuous joints［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2014，36(11):2086-2095.

［7］ Pierre A，Pierre G，Thierry V，et al.Surveying and modeling of rock discontinuities by terrestrial laser scanning and photogrammetry:semi-automatic approaches for linear outcrop inspection［J］. Journal of Structural Geology，2014(6):102-114.

［8］ 趙興東，劉 杰，張洪訓，等. 基于攝影測量的巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)字識別及采場穩(wěn)定性分級［J］. 采礦與安全工程學報，2014，31(1):127-133.

Zhao Xingdong，Liu Jie，Zhang Hongxun，et al.Rock mass structural plane digital recognition and stope stability classification based on the photographic surveying method［J］. Journal of Mining ＆ Safety Engineering，2014，31(1):127-133.

［9］ 刁 虎.礦山巖體邊坡強度參數(shù)選取研究［J］. 金屬礦山，2012(8):37-39.

Diao Hu. Rock mass strength parameter selection for a mine slope［J］.Metal Mine，2012(8):37-39.

［10］ 陳 新，廖志紅，李德建.節(jié)理傾角及連通率對巖體強度、變形影響的單軸壓縮試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2011，30(4):781-789.

Chen Xin，Liao Zhihong，Li Dejian.Experimental study of effects of joint inclination angle and connectivity rate on strength and deformation properties of rock masses under uniaxial compression［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(4):781-789.

［11］ 王 宇，李 曉，李守定，等.一種確定節(jié)理巖體殘余強度參數(shù)方法的探討［J］. 巖石力學與工程學報，2013，32(8):1701-1713.

Wang Yu，Li Xiao，Li Shouding，et al.A method for determining residual strength parameters of jointed rock masses［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32 (8):1701-1713.

［12］ 李慎舉，王連國，陸銀龍.破碎巖體巷道變形破壞特征的數(shù)值模擬研究［J］.采礦與安全工程學報，2011，28(1):39-44.

Li Shenju，Wang Lianguo，Lu Yinlong.Numeriacl simulation for deformation failure characteris in roadway with broken rock mass［J］.Journal of Mining ＆ Safety Engineering，2011，28(1):39-44.

［13］ Ahmet H D，Norbert H M，James O.Using terrestrial 3D laser scanning and optical methods to determine orientations of discontinuities at a granite quarry［J］.International Journal of Rock Mechanics ＆Mining Sciences，2014，66(5):41-48.

［14］ Sturzenegger M，Stead D. Close-range terrestrial digital photogrammetry and terrestrial laser scanning for discontinuity characterization on rock cuts［J］.Geology Engineering，2009(6):163-182.

［15］ Armesto J，C，Alejano L，et al. Terrestrial laser scanning used to determine the geometry of a granite boulder for stability analysis purposes［J］.Geomorphology，2009，106(5):271-277.

［16］ Abdallah ，Jan W，Moussa O.Use of digital photogrammetry for the study of unstable slopes in urban areas:a case study of the Biar landslide，Algiers［J］.Geology Engineering，2015(5):73-83.

［17］ Sean P B，Steven M，Darren T，et al.Ground-based and UAV-based photogrammetry:a multi-scale，high-resolution mapping tool for structural geology and paleoseismology［J］. Journal of Structural Geology，2014，69(4):163-178.

［18］ 李 莉，王洪江，王貽明. 巖體裂隙結(jié)構(gòu)表征方法的探討［J］.金屬礦山，2011(6):1-5.

Li Li，Wang Hongjiang，Wang Yiming. Dicussion on description methods of rock mass fracture structure［J］.Metal Mine，2011(6):1-5.

［19］ 王鳳艷，陳劍平，楊國東，等.基于數(shù)字近景攝影測量的巖體結(jié)構(gòu)面幾何信息解算模型［J］. 吉林大學學報:地球科學版，2012，42(6):1839-1846.

Wang Fengyan，Chen Jianping，Yang Guodong，et al.Solution models of geometrical information of rock mass discontinuities based on digital close range photogrammetry［J］.Journal of Jilin University:Earth Science Edition，2012，42(6):1839-1846.

［20］ 張 馳，徐 帥，張小輝，等.基于Sirovision 的節(jié)理巖體調(diào)查及穩(wěn)定性分析［J］.金屬礦山，2015(5):140-144.

Zhang Chi，Xu Shuai，Zhang Xiaohui，et al.Jointed rock survey and stability analysis based on Sirovision［J］. Metal Mine，2015(5):140-144.