數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)在地質(zhì)工程測(cè)量中的應(yīng)用

孟祥勝

（山東省地勘局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)（山東省魯北地質(zhì)工程勘察院），山東德州 253000）

0 前言

數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)在精度、效率、綜合性、實(shí)用性、動(dòng)態(tài)性等方面均具備顯著優(yōu)勢(shì)，原圖數(shù)字化技術(shù)、地面數(shù)字測(cè)圖技術(shù)、GPS 技術(shù)、三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)均屬于其中代表。為保證這類技術(shù)較好地服務(wù)于地質(zhì)工程測(cè)量，正是本文圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

1 地質(zhì)工程測(cè)量中數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)的基本應(yīng)用

1.1 原圖數(shù)字化技術(shù)

原圖數(shù)字化技術(shù)屬于典型的數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)，該技術(shù)可細(xì)分為手扶跟蹤數(shù)字化和掃描矢量化，由此得到的工程測(cè)量原圖比例和尺寸能夠滿足國(guó)家規(guī)定要求，地質(zhì)工程測(cè)量準(zhǔn)確性也能夠更好得到保障。工程測(cè)量原圖的掃描矢量化處理在精準(zhǔn)度、測(cè)繪效率等方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)可能導(dǎo)致原圖精準(zhǔn)性下降等問(wèn)題在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)，因此該技術(shù)多被視作應(yīng)急措施，如用于補(bǔ)測(cè)或者修測(cè)，滿足原圖數(shù)字化處理的校準(zhǔn)需要。結(jié)合工程實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)量原圖在地質(zhì)工程測(cè)量完成后均需要開展數(shù)字化處理，工程測(cè)繪圖紙編制的綜合質(zhì)量直接受到處理效果影響，因此原圖數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用需重點(diǎn)關(guān)注具體的測(cè)量條件和環(huán)境，以此保證處理方法的針對(duì)性有效應(yīng)對(duì)，強(qiáng)化對(duì)測(cè)量效率和精度的控制，滿足制圖標(biāo)準(zhǔn)和要求，原圖的合理性和可靠性將由此得到保障。此外，原圖數(shù)字化技術(shù)可配合一定計(jì)算方法應(yīng)用，如多級(jí)影像金字塔匹配計(jì)算方法，以此得到均勻分布的每一張測(cè)量圖片連接點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字化全圖技術(shù)即可靈活調(diào)整圖片匹配程度，更好地滿足實(shí)際工程需要[1]。

1.2 地面數(shù)字測(cè)圖技術(shù)

地質(zhì)工程測(cè)量很多時(shí)候存在較高的精確性要求，為保證具體要求能夠由地質(zhì)勘探實(shí)際結(jié)果滿足，地面數(shù)字測(cè)圖的應(yīng)用極為關(guān)鍵。作為內(nèi)外一體化數(shù)字測(cè)圖技術(shù)，地面數(shù)字測(cè)圖技術(shù)的適用性較強(qiáng)且應(yīng)用范圍較廣，對(duì)于存在較高工程測(cè)量結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性、過(guò)大比例尺縮放范圍以及國(guó)家制圖標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際測(cè)圖不符的地質(zhì)工程測(cè)量項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，地面數(shù)字測(cè)圖技術(shù)的應(yīng)用具備較高實(shí)用性。基于地面數(shù)字測(cè)圖技術(shù)，高精確性的數(shù)字測(cè)圖繪制能夠順利實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，地面數(shù)字測(cè)圖技術(shù)在應(yīng)用中可同時(shí)采用其他測(cè)試方式作為輔助，以此有效縮減待測(cè)量地形點(diǎn)范圍至精確范圍內(nèi)，精準(zhǔn)化和精細(xì)化的數(shù)字測(cè)圖將順利開展[2]。

1.3 GPS 技術(shù)

GPS 技術(shù)近年來(lái)在我國(guó)多個(gè)領(lǐng)域均有深入應(yīng)用，地質(zhì)工程測(cè)量同樣需要得到GPS 技術(shù)的支持，如通過(guò)GPS 技術(shù)提供的定位功能即可保證地質(zhì)工程測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。地質(zhì)工程測(cè)量中數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用需重點(diǎn)關(guān)注GPS 技術(shù)定位功能，基于測(cè)點(diǎn)對(duì)象在其中置入GPS 數(shù)據(jù)連接設(shè)備和接收設(shè)備，通過(guò)直接聯(lián)系衛(wèi)星，即可開展實(shí)時(shí)跟蹤，并向移動(dòng)站傳送實(shí)時(shí)獲取的測(cè)繪信息。接收的測(cè)繪信息由移動(dòng)站負(fù)責(zé)及時(shí)分析和處理，高實(shí)時(shí)性的地質(zhì)工程測(cè)量將順利開展，測(cè)量精度也能夠得到保障。一般情況下，地質(zhì)工程測(cè)量中GPS 技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)別的測(cè)量精度控制，但為了充分發(fā)揮GPS 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)設(shè)法保證大功率無(wú)線電發(fā)射源與GPS 接收設(shè)備埋設(shè)點(diǎn)的間隔控制在50m 以上，且保證障礙物不存在于15°以內(nèi)，以此開展微型報(bào)表檢索，對(duì)控制點(diǎn)的觀測(cè)即可應(yīng)用靜態(tài)模式進(jìn)行。

1.4 三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)

三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)同樣屬于典型的數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)，該技術(shù)能夠克服復(fù)雜工程環(huán)境帶來(lái)的限制，快速采集與編錄地質(zhì)結(jié)構(gòu)面和地形信息，在地質(zhì)工程測(cè)量領(lǐng)域具備較高應(yīng)用價(jià)值。在三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)的基本應(yīng)用中，可直接將其用于地質(zhì)工程測(cè)量的地表測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、地質(zhì)編錄等工作，以此收集日常性基礎(chǔ)資料，可由此得到地形測(cè)繪成果、結(jié)構(gòu)面編錄成果，具體為用于表征結(jié)構(gòu)面形態(tài)參數(shù)的曲線或圓盤、等高線。三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)在地質(zhì)分析方面也具備較高應(yīng)用價(jià)值，基于編錄成果，技術(shù)可用于結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢(shì)性分組、概率密度分析，且能夠基于指定格式輸出編錄成果的外部數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)能夠作為工程設(shè)計(jì)的輸入條件、滿足基礎(chǔ)性分析和研究需要，因此信息化三維地質(zhì)模型構(gòu)建中三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)能夠發(fā)揮重要作用。在地質(zhì)工程測(cè)量領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)面編錄成果的擴(kuò)展應(yīng)用也較為常見，如基于三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)獲得的巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型可用于邊坡穩(wěn)定性分析、巖體滲流研究等。在我國(guó)各類工程的地質(zhì)測(cè)量實(shí)踐中，近年來(lái)三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用日漸廣泛，這種應(yīng)用不僅能夠獲得日常作業(yè)成果，同時(shí)能夠滿足擴(kuò)展應(yīng)用需要，3DM三維數(shù)碼攝影測(cè)量系統(tǒng)屬于其中最常見的技術(shù)系統(tǒng)，該技術(shù)系統(tǒng)具備公開的鏡頭率定技術(shù)、較高的精度、無(wú)限制的一次性合成照片數(shù)量、通用的行業(yè)定位，能夠滿足較好地質(zhì)工程測(cè)量需要，圖1 為3DM 系統(tǒng)工作流程示意圖[3]。

圖1 3DM 系統(tǒng)工作流程

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

為提升研究的實(shí)踐價(jià)值，本文以某抽水蓄能電站工程作為研究對(duì)象，該工程建設(shè)有碾壓混凝土重力壩，最大壩高、壩頂高程、壩頂長(zhǎng)、壩頂寬分別為108m、306m、216.5m、9m。在施工階段，工程左、右岸邊坡采用三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)（3DM）開展了結(jié)構(gòu)面參數(shù)測(cè)繪與調(diào)查，具體涉及間距、產(chǎn)狀、跡長(zhǎng)等參數(shù)，傳統(tǒng)測(cè)繪成果能夠由此得到一定補(bǔ)充，邊坡施工期穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)反饋的針對(duì)性分析能夠更好地開展，案例抽水蓄能電站工程的三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用最終取得了預(yù)期效果，具備較高借鑒價(jià)值。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

為建設(shè)邊坡地形數(shù)字化模型，工程需要針對(duì)性進(jìn)行結(jié)構(gòu)面信息測(cè)繪采集，具體的現(xiàn)場(chǎng)拍攝在遵循一般性原則的同時(shí)，充分結(jié)合了現(xiàn)場(chǎng)氣候、地形地貌及三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)，輔以針對(duì)性地布置參照物優(yōu)化、定位方法優(yōu)選，精度控制目的得以更好實(shí)現(xiàn)。在具體實(shí)踐中，工程采用了扇形掃攝方法，每岸設(shè)置站點(diǎn)2個(gè)，選擇長(zhǎng)焦鏡頭拍攝（105mm），以此同時(shí)滿足數(shù)字化模型運(yùn)算和照片精度要求。在光照條件相對(duì)穩(wěn)定的13：00—17：00 進(jìn)行拍攝，由于技術(shù)的應(yīng)用僅需要獲得邊坡內(nèi)優(yōu)勢(shì)性結(jié)構(gòu)面分布情況，定位工具選擇三角尺且定位方法選擇“半絕對(duì)”方法。為保證三維模型能夠在后期處理順利構(gòu)建，需得到具有一定比例重疊影像關(guān)系的不同照片，并保證存在30%的相鄰照片影像重疊率，影像重疊率最低不得小于10%。

2.3 構(gòu)建三維地形模型

開展兩站點(diǎn)拍攝，左岸得到98 張有效照片，右岸得到83 張有效照片，照片匹配和三維合成采用3DM，具體定位將大地坐標(biāo)系中三角尺坐標(biāo)輸入，左、右岸的坐標(biāo)系“半絕對(duì)”下的三維數(shù)字化地形模型可順利獲得，由于采用的軟件具備較為出色的自動(dòng)化性能，該環(huán)節(jié)的工作難度極低，本文不做贅述。

2.4 精度分析

為判定成果有效性，測(cè)量精度檢驗(yàn)可從三方面入手，包括有效數(shù)據(jù)點(diǎn)生成數(shù)量（照片像素點(diǎn)匹配過(guò)程），實(shí)際已知值與指定結(jié)構(gòu)面或控制點(diǎn)等對(duì)象（照片融合后）產(chǎn)狀、量測(cè)長(zhǎng)度、坐標(biāo)存在的差別，各照片匹配點(diǎn)像素控制及精度計(jì)算。對(duì)于合成三維數(shù)字化地形模型的精度來(lái)說(shuō)，匹配過(guò)程中照片像素點(diǎn)生成的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量屬于重要指標(biāo)，本文研究案例合成左岸邊坡三維模型的過(guò)程存在697078 個(gè)高程數(shù)據(jù)點(diǎn)，基于邊坡面積調(diào)查過(guò)程中每平方米產(chǎn)生30 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，相較于激光掃描地形測(cè)量等傳統(tǒng)方法，本文研究的三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)的精準(zhǔn)度更高。進(jìn)一步開展測(cè)繪坐標(biāo)、控制點(diǎn)實(shí)際偏差分析可以發(fā)現(xiàn)，該方法在測(cè)量精度的保證和控制中能夠發(fā)揮積極作用，由此開展對(duì)比可發(fā)現(xiàn)總體上控制點(diǎn)殘差處于厘米級(jí)，由于案例工程中三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用主要負(fù)責(zé)地質(zhì)資料的補(bǔ)充，可確定測(cè)繪精度能夠滿足工程需要，通過(guò)3 點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算獲得的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀精度也能夠得到保障。考慮到精度控制中控制點(diǎn)僅能夠在附近一定范圍發(fā)揮效果，而由于邊坡尺度與三角板差異懸殊，這使得三角板與測(cè)繪部位距離的提高會(huì)導(dǎo)致量測(cè)精度下降，案例工程的精度控制由全站儀確定了控制點(diǎn)坐標(biāo)，并保證巖面控制點(diǎn)數(shù)量大于3，以此均勻布置控制點(diǎn)，三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)的測(cè)繪精度得到了更好保障，案例工程最終也得以順利建成，三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值可見一斑。

3 結(jié)論

綜上所述，數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)在地質(zhì)工程測(cè)量中具備較高應(yīng)用價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的原圖數(shù)字化技術(shù)、地面數(shù)字測(cè)圖技術(shù)、三維數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)等內(nèi)容，則提供了可行性較高的數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用路徑。為地質(zhì)工程測(cè)量提供更好的服務(wù)，云技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等新興技術(shù)的引入、多種數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)的綜合應(yīng)用同樣需要得到重視。