三維激光掃描技術在壩基巖體結構面調(diào)查統(tǒng)計中的應用
——以錦屏一級水電站為例

李 小 波

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

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三維激光掃描技術在壩基巖體結構面調(diào)查統(tǒng)計中的應用
——以錦屏一級水電站為例

李 小 波

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

三維激光掃描是一項新的測繪技術，它可以快速高效地獲取測量目標的三維影像數(shù)據(jù)。介紹了三維激光掃描技術的基本原理，并將該項新技術應用于錦屏一級水電站施工期間對開挖揭示的壩基巖體結構進行調(diào)查測繪，突破了傳統(tǒng)的測線法、精測網(wǎng)法，實現(xiàn)了快速編錄目標。

工程地質(zhì)；三維激光掃描；巖體結構特征；快速編錄；錦屏一級水電站

1 概 述

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi)，是雅礱江下游河段五級水電開發(fā)的第一級。壩型為混凝土雙曲拱壩，壩高305 m，水庫總庫容77.6億m3，裝機容量3 600 MW。

壩址區(qū)兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，基巖裸露，相對高差千余米，為典型的深切“V”型谷。地層巖性主要為三疊統(tǒng)雜谷腦組第3段的變質(zhì)砂巖、板巖(T2-3z3)及第2段的大理巖夾綠片巖(T2-3z2)，變質(zhì)砂巖、板巖分為6層，大理巖分為8層，地層相變較大，地層巖性較復雜，區(qū)域地質(zhì)構造背景較復雜，壩區(qū)小斷層及層間擠壓錯動帶較發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性較差。

該水電站工程規(guī)模大，高拱壩對壩基巖體質(zhì)量要求較高，而壩基巖體結構面性質(zhì)、結構面特征指標(RQD、Jv、RBI)等直接影響巖體質(zhì)量評價。因此，施工期復核評價壩基巖體質(zhì)量、全面開展壩基巖體結構面調(diào)查統(tǒng)計就顯得尤為重要。面對復雜的地質(zhì)條件和較差的現(xiàn)場工作環(huán)境條件，如何快速、高效地獲得這些結構面分布、性狀成為地質(zhì)工程師關心的重要問題。傳統(tǒng)的測線法、精測網(wǎng)法已受到嚴峻的挑戰(zhàn)，迫切需要一種便捷、高效、準確的工程地質(zhì)測繪新技術和新方法的出現(xiàn)。錦屏一級水電站施工期間對開挖揭示的壩基巖體結構調(diào)查測繪采用了地面三維激光掃描技術，并對數(shù)據(jù)資料進行了分析處理，取得了預期的效果。

2 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術的發(fā)展為人們在空間信息獲取方面提供了全新的技術手段，其又被稱為“實景復制技術”。利用該項技術進行高效率、高質(zhì)量、低成本的空間數(shù)據(jù)采集、處理，可以有效解決數(shù)字化信息采集的難題。由于空間數(shù)據(jù)具有復雜、交錯、變化的特性，實體對象的數(shù)據(jù)獲取工作復雜，工作量大，操作困難。正是由于三維激光掃描技術所擁有的技術優(yōu)勢可以解決一些傳統(tǒng)測量方法難以解決或處理效果不理想的問題，因此，將其應用于工程領域具有重要的現(xiàn)實意義。

2.1 三維激光掃描技術的基本原理

三維激光掃描技術是基于測繪技術發(fā)展起來的，但其又不同于傳統(tǒng)測繪技術。傳統(tǒng)測繪技術是單點定位高精度測量目標，即對指定目標中的某一點位進行精確而確定的三維坐標數(shù)據(jù)測量，進而得到一個單獨的或一些離散的點坐標數(shù)據(jù)，這類技術如三維坐標測量儀、經(jīng)緯儀、全站儀、激光跟蹤儀等。而三維激光掃描儀則是對確定目標的整體或局部進行完整的三維坐標數(shù)據(jù)測量，意味著激光測量單元必須進行全自動、高精度的掃描測量，進而得到完整、全面、連續(xù)、關聯(lián)的全景點坐標數(shù)據(jù)，這些密集而連續(xù)的點數(shù)據(jù)稱為“點云”，從而使三維激光掃描測量技術發(fā)生了質(zhì)的飛越，這個飛越意味著三維激光掃描測繪技術可以真實地反映掃描目標體的整體形態(tài)特征，并通過掃描測量點云數(shù)據(jù)來逼近目標的完整原型及矢量化數(shù)據(jù)結構。三維激光掃描技術的核心原理就是激光測距，三維激光掃描的工作過程實際上就是一個不斷重復的數(shù)據(jù)采集和處理的過程。

2.2 三維激光掃描系統(tǒng)分類

三維激光掃描技術在近幾年得到了飛速的發(fā)展，已成為多領域、多用途的一門應用技術。應用于不同領域的三維激光掃描儀的誕生代表了三維激光掃描技術的發(fā)展水平，目前應用的三維激光掃描系統(tǒng)種類繁多，類型、工作領域不盡相同。按照不同的研究角度、工作原理等可進行多種分類。筆者按操作的空間位置將其劃分為四類：機載型激光掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)、手持型激光掃描儀和特殊場合應用的激光掃描儀。以下主要介紹的是在錦屏一級水電站施工期間采用的地面三維激光掃描系統(tǒng)。

地面型激光掃描系統(tǒng)是一種利用激光脈沖對被測物體進行掃描，可以大面積、快速度、高精度、大密度的取得地物的三維形態(tài)及坐標的一種測量設備。根據(jù)測量方式還可將其劃分為兩類：一類是移動式激光掃描系統(tǒng)；一類是固定式激光掃描系統(tǒng)。

所謂移動式激光掃描系統(tǒng)是基于車載平臺，由全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導航系統(tǒng)(IMU)結合地面三維激光掃描系統(tǒng)組成(圖1)。

圖1 車載激光掃描系統(tǒng)

固定式激光掃描系統(tǒng)類似傳統(tǒng)測量中的全站儀。該系統(tǒng)由激光掃描儀及控制系統(tǒng)、內(nèi)置數(shù)碼相機、后期處理軟件等組成。與全站儀不同之處在于固定式激光掃描儀采集的不是離散的單點三維坐標，而是一系列的“點云”數(shù)據(jù)(圖2)。

2.3 三維激光掃描技術具有的優(yōu)勢

三維激光掃描技術是一項新的測繪技術，它可以快速高效地獲取測量目標的三維影像數(shù)據(jù)，使測繪技術人員突破傳統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)處理方法。作為一種新的地質(zhì)勘察手段和技術，三維激光掃描儀與傳統(tǒng)的工作方法相比較，其應用前景主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)不需要接觸掃描物體，外業(yè)測繪不受光線影響；

(2)精度高，可以高精度表達研究物體的三維形態(tài)；

(3)特別適合測繪表面復雜的高陡岸坡及其地質(zhì)界線；

(4)快速和準確地表達物體表面、體積、斷面等幾何信息，數(shù)據(jù)數(shù)字化，方便各專業(yè)軟件相互調(diào)用。

2.4 三維激光掃描技術使用時存在的問題

三維激光掃描技術應用于水電工程地質(zhì)勘察還處在一個不斷發(fā)展、完善的過程當中，其在技術上還有很多地方需要改進和提高。目前使用時存在的主要問題有：

(1)受安全激光功率的局限，掃描距離和范圍有限；

(2)特定材料對激光光源反射不夠敏感，造成掃描范圍內(nèi)出現(xiàn)盲區(qū)，如潮濕的地表和綠色植被對掃描結果都有較大的影響；

(3)三維激光掃描儀是一個黑箱系統(tǒng)，現(xiàn)場難以檢驗和檢校；

(4)需對所獲取的各類地質(zhì)界線進行少量的野外補充描述；

(5)處理數(shù)據(jù)量大，需要采用特殊的軟件，工程地質(zhì)應用軟件還有待進一步完善和研發(fā)。

3 三維激光掃描技術在錦屏一級水電站大壩壩基巖體結構面調(diào)查統(tǒng)計中的應用

錦屏一級水電站施工期間，在對開挖揭示的壩基巖體結構面調(diào)查測繪時采用了地面三維激光掃描，并對數(shù)據(jù)資料進行了解譯分析，取得了壩基巖體結構面分布圖和巖體結構特征指標Jv等值線圖。

3.1 現(xiàn)場三維激光掃描

錦屏一級水電站施工期間，隨開挖進度分梯段對壩基巖體結構面采用了三維激光掃描。掃描儀為徠卡公司最新推出的STATION-2型(該儀器為目前掃描速度較快的脈沖式激光掃描儀，其掃描速率可達50 000點/s)。該儀器內(nèi)置數(shù)碼相機并可配套使用高清晰的外置數(shù)碼相機。借鑒古建筑恢復中所使用的“點云貼圖”技術，可以獲得工作面清晰的數(shù)字式彩色影像信息。在這張影像圖上，可以準確識別和解譯出長度20 cm以上的裂隙，包括其跡線位置和產(chǎn)狀。三維激光掃描現(xiàn)場操作流程如下：

(1)根據(jù)掃描對象，選擇合理的掃描儀站點，合理的站點不但可以提高效率，減少遮擋空位，而且可以提高掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量，改善點云數(shù)據(jù)拼接精度；

(2)掃描儀器的架設通過粗調(diào)腳架及微調(diào)掃描儀底座使主機氣泡居中；

(3)連接電源，啟動掃描控制軟件，配置掃描儀相關參數(shù)，進入控制界面；

(4)根據(jù)掃描目標放置控制標靶，一個掃描站點最少放置3個標靶，并由測量人員用全站儀測量標靶的坐標；

(5)圈定掃描范圍，獲取掃描間距，設定采樣間距，開始獲取點云數(shù)據(jù)。可實時查看掃描點云數(shù)據(jù)及彩色信息情況，隨時調(diào)整掃描參數(shù)；

(6)采用高清數(shù)碼相機進行拍照。

3.2 三維激光掃描數(shù)據(jù)的分析與處理

對現(xiàn)場掃描獲取的點云數(shù)據(jù)進行適當?shù)奶幚怼⒔庾g、分析，以獲取其所包含的重要地質(zhì)信息。操作流程如下：

(1)坐標轉(zhuǎn)換。三維激光掃描設備在數(shù)據(jù)采集過程中默認設備的中心點為坐標零點，其坐標系統(tǒng)的空間展布與掃描儀的空間位置直接相關，是一套以掃描設備為中心的相對坐標系統(tǒng)。因此，應將掃描的點云數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換到與工程實際相符的大地坐標；

(2)點云數(shù)據(jù)空間拼接；

(3)在數(shù)碼照片上進行斷層、裂隙和綠片帶的初步識別和解譯；

(4)采用“點云貼圖”技術，將帶有初步解譯信息的彩色照片“蒙貼”于三維點云數(shù)據(jù)上，生成三維彩色影像；

(5)對三維彩色影像進行旋轉(zhuǎn)，結合現(xiàn)場調(diào)查對解譯信息進行校核和修正，然后生成三維CAD圖件；

(6)將三維CAD數(shù)據(jù)導出，進行數(shù)據(jù)處理和結構面參數(shù)統(tǒng)計。由于裂隙信息量非常豐富，因此可以獲得裂隙間距、Jv等巖體結構面參數(shù)指標。

圖3 右岸建基面結構面分布圖

圖4 左岸建基面解譯-Jv等值線圖

隨開挖進度、分梯段對壩基巖體結構面進行了三維激光掃描，通過對點云數(shù)據(jù)進行適當解譯、分析等數(shù)據(jù)處理，快速獲取了各梯段結構面分布圖和Jv等值線圖。圖3為右岸建基面高程1 680～1 670 m梯段結構面分布圖中截取的一小部分。圖4為左岸建基面高程1 765～1 750 m梯段Jv等值線圖中截取的一小部分。

將各梯段結構面分布圖拼接在一起，即可獲得整個建基面結構面分布情況。根據(jù)結構面分布圖，對斷層、裂隙密集帶和綠片巖帶等軟弱巖帶即可一目了然。這些大壩建基面出露的軟弱巖帶多為Ⅲ2級或Ⅳ級巖體，已成為大壩建基面地質(zhì)缺陷，若其大面積出露則必須采取清除或置換等處理措施，通過結構面分布圖即可對軟弱巖帶做到有的放矢的處置。

根據(jù)各梯段Jv等值線圖，對Jv值進行各區(qū)段面積頻度統(tǒng)計。筆者僅附左、右岸大壩建基面部分梯段統(tǒng)計結果作為代表(表1)進行分析論證。

表1 建基面部分梯段Jv分布頻度匯總表

從表1中Jv值區(qū)段面積所占百分比可以得出以下結論：

(1)Ⅱ級巖體中Jv值普遍小于8，按大理巖層位2(6)層→2(5)層→2(4)層→2(3)層，Jv值總體呈逐漸減小的趨勢，亦即巖體中裂隙發(fā)育趨弱，巖體更加完整；

(2)斷層及影響帶附近巖體Jv值明顯較大；

(3)按Jv數(shù)值判斷巖體結構類型：Ⅱ級巖體結構以厚層狀結構或塊狀結構為主，Ⅲ1級巖體以次塊狀為主，Ⅲ2級巖體結構以次塊～鑲嵌結構為主。

4 結 語

將三維激光掃描技術應用于工程地質(zhì)領域，可以快速、高效地獲取測繪目標的三維影像數(shù)據(jù)，通過適當解譯、分析，可以獲得結構面分布、產(chǎn)狀等重要地質(zhì)信息，進而突破了傳統(tǒng)的測繪方法。錦屏一級水電站施工期間對開挖揭示的壩基巖體結構面調(diào)查測繪采用了地面三維激光掃描技術，并對所取得的數(shù)據(jù)資料進行了分析處理，獲得了結構面分布圖和Jv等值線圖等，實現(xiàn)了快速編錄。在外業(yè)三維激光掃描過程中，需要克服上述章節(jié)提及的激光掃描技術存在的不足之處。但三維激光掃描技術具有眾多的優(yōu)點，這些是傳統(tǒng)測繪方法難以比擬的，因此而其具有更加廣闊的應用前景。

[1] 馬立廣.地面三維激光掃描儀的分類與應用[J].地理空間信息,2005,3 (3)： 60-62.

[2] 毛方儒，王 磊.三維激光掃描測量技術[J].宇航計測技術，2005,25(2)： 1-6.

(責任編輯：李燕輝)

2016-06-18

TV7；[TV221.2];TV22.1

B

1001-2184(2016)06-0084-04

李小波(1976-)，男，四川鄰水人，高級工程師，碩士，從事水電工程項目管理與地質(zhì)工作.