三維結構光掃描技術在巖石結構面粗糙度評價實驗教學中的應用

張小波， 朱 熙， 姚 池， 楊建華， 蔣水華

（南昌大學建筑工程學院；江西省尾礦庫工程安全重點實驗室，南昌 330031）

0 引 言

隨著我國經濟社會發展對能源資源需求的持續增長及基礎設施建設規模的不斷擴大，眾多大型巖體工程如水利水電開發、礦山資源開采和隧道掘進等工程建設正在大規模開展，工程施工所遇到的復雜地質條件和面臨的巖體穩定性問題越來越具有挑戰性。自然發育和人類工程擾動作用下的巖體，其內部通常包含大量形貌不同、尺寸各異的節理、裂隙、層理等不連續結構面，結構面的存在大大弱化了巖體的強度和整體穩定性。結構面作為控制巖體穩定性的關鍵薄弱部位，其形貌特征對巖體的強度和變形具有重要影響，在巖體質量評價和工程巖體分級中，結構面的形貌特征常常作為重要的評價依據，因此，廣受巖石力學研究者和工程設計人員的關注［1-3］。

巖石結構面形貌測量是評價結構面粗糙度和起伏度等形貌特征的基礎。結構面形貌測量按照測量儀器的工作原理，可分為機械式和光學式兩種；按照測量儀器與結構面的接觸關系，可分為接觸式和非接觸式測量兩種。早期巖石力學研究者主要采用以針狀輪廓尺為代表的手工接觸式測量方法［4］，該方法雖簡單實用，但測量精度較低且操作繁瑣。隨著計算機技術和現代工業制造的長足發展，自動機械接觸式測量方法［5-6］和光學非接觸式測量方法［7-9］被引入到巖石結構面形貌測量中。其中，近年新興的三維結構光掃描技術已被廣泛應用于先進制造技術領域的逆向工程中，而由于其具有非接觸、速度快、精度高等優點，也被應用于巖石力學相關研究領域。

巖石力學是土木、水利和礦業等專業本科和研究生教育的重要課程，巖石力學實驗是幫助學生了解巖石材料基本物理和力學性質、掌握巖石力學常規實驗操作的重要教學環節［10］。傳統巖石力學實驗中，對巖石結構面的粗糙度評估仍然以Barton 提出的二維形貌標準曲線作為取值參照［11］，限制了學生對結構面形貌三維特征的理解，難以幫助學生建立結構面粗糙度的三維空間概念，同時，該方法的實驗結果依賴經驗、主觀性強，不利于培養學生客觀嚴謹的科學思維。因此，亟需改進相關實驗教學方法并完善實驗教學內容。

實踐能力和創新性思維是拔尖創新人才培養的核心指標［12-13］，為適應新時期我國高等教育實踐育人方針和創新型人才培養模式，本文以巖石力學實驗課程中的巖石結構面形貌測量為例，引入先進的三維結構光掃描技術，實現結構面粗糙度的科學定量評價，一方面提高學生在實驗儀器操作、軟件應用、數據分析等實驗教學環節中的參與度，培養學生的實踐創新能力，另一方面提高實驗教學的現代化水平，讓學生直觀地體驗最新科技成果在專業知識獲取中的應用。

1 結構面形貌三維掃描

1.1 三維結構光掃描技術原理

三維結構光掃描技術已被廣泛應用于國防、航天、工業設計、模具制造、精密雕刻、康復醫療等領域，其主要工作原理是由光柵發生器將多組可見光光柵條紋投影到待測物體表面，不同角度的兩個CCD相機同時拍攝物體表面的條紋圖案，并將條紋圖像輸入到計算機中，根據條紋曲率變化利用相位法和三角法等精確計算出物體表面每一采樣點的空間坐標（X、Y、Z）三維點云數據。

1.2 三維結構光掃描系統

3D CaMega CPC-400 型自適應非接觸式三維結構光掃描儀主要由1 個可見光光柵投射器、2 個CCD 相機鏡頭和三腳架構成（見圖1），通過數據線連接一個搭載待測物的自動轉臺和控制掃描的計算機組成一套完整的掃描系統。

圖1 三維結構光掃描儀

3D CaMega CPC-400 型掃描儀高度集成光、機、電和計算機技術，采用藍光光柵和LED 冷光源，基于光柵全場條紋投影技術，被測物體置于精密數控轉臺上，可進行任意角度轉動定位，執行自動掃描和自動拼接，單次掃描范圍為400 mm × 320 mm，精度可達0.03 mm，單次掃描時間只需2 s。系統軟件Winmoire 預留了通用格式的數據接口，能輸出ASCII、STL、OBJ、WRL等格式，方便在通用三維逆向軟件中進行點云數據編輯。該套掃描系統的硬件設備輕便易操作，控制軟件界面簡單，并且掃描光源異于激光、對人體無害，非常適用于室內實驗教學。

1.3 結構面形貌三維掃描

實驗前需準備若干具有不同表面形貌的巖石結構面試樣，為了適應掃描儀的掃描視場范圍，制作如圖2所示的3 對尺寸為150 mm × 150 mm 的結構面試樣，分別命名為試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。

圖2 結構面試樣

掃描前需對掃描儀進行組裝和調試，主要步驟為：①用USB數據線連接掃描儀與計算機和自動轉臺；②標定視場范圍；③調整投射鏡頭光圈、檢測光源、調整投影條紋；④標定CCD 相機；⑤調整視角位置投影；⑥標定轉臺；⑦三維掃描。圖3 所示為實驗室中結構面形貌三維掃描實景。

圖3 結構面形貌三維掃描場景

2 掃描數據處理與建模

采用Geomagic Studio 逆向工程軟件對掃描點云數據進行編輯，該軟件具有強大的點云數據后處理功能，可實現目標合并、精確拼接、修復孔洞、坐標轉化、點云數據的去噪、光順、過濾等操作，并獲得優質保真的網格面數據。該軟件用戶界面簡單，學生容易快速上手操作。

2.1 點云數據導入

為了進行結構面掃描點云數據的編輯，將掃描獲得的.gpd點云文件導入Geomagic Studio軟件中，如圖4 所示。

圖4 Geomagic Studio軟件點云數據處理界面

2.2 點云數據合并

由于掃描時設置了自動轉臺的轉角間隔為45°，因此得到了結構面試樣在不同轉角位置的8 個點云文件。為了獲得結構面試樣統一的三維坐標點云數據，需要將多個點云文件進行拼接合并，選用菜單欄中“點”的“合并”功能，設置好合并參數后執行合并操作，生成一個合并的點云文件。此時，在軟件模型管理器中的文件列表里會多出了名為“合并”的封裝文件，且菜單欄由原來的“點”模式切換到“多邊形”模式。

2.3 補點填充、去噪

為了保證點云數據的完整和不失真，有時需對點云進行必要的修補和去噪。如果因為局部點云缺失而造成漏洞，可在菜單欄“多邊形”命令中根據曲率趨勢進行補點填充修復孔洞。如果存在體外孤點，可以通過設置偏離主點云的敏感性數值進行自動去噪，達到刪除冗余雜點的目的。

2.4 全局坐標擺正

由于掃描儀與結構面的相對位置是隨機的，掃描系統軟件的坐標軸與結構面的邊角不一定重合。因此，為了便于后期的數據分析及建模，需擺正點云坐標，使得三維坐標與結構面試樣的邊角重合，確保XOY平面平行于結構面底部平面，Z 軸垂直于結構面試樣的底部平面。選擇菜單欄“工具”中的“對象移動器”，通過旋轉和平移操作，使得結構面的邊角與全局坐標的3 個軸線大致重合，如圖5 所示。初步將對象對齊到全局坐標后，利用菜單欄“工具”里“移動”中的精確移動功能，完成對象坐標的精確對齊。

2.5 坐標數據導出

為了得到適用于結構面粗糙度計算的三維坐標信息，在點云數據處理好之后，將已封裝的點云文件轉換成點格式，采用菜單欄中“多邊形”里的“轉為點”工具，將封裝文件轉化為點格式，然后將數據另存為.asc格式，導出的二進制數據文件可直接用純文本編輯器打開，也可直接被Matlab軟件讀取。

2.6 三維形貌建模

由于實驗的最終目的是測量結構面形貌并實現結構面粗糙度的定量評價，因此，需對導出的三維坐標數據進行三維建模。采用Origin 或Matlab 軟件進行結構面試樣的三維數字化重構，得到如圖6 所示的結構面試樣Ⅰ的三維數字模型，既可以觀察結構面表面的精細形貌特征，又可以提取海量采樣點的三維坐標數據。

圖6 結構面三維模型

3 結構面形貌定量評價

3.1 結構面形貌定量評價方法

為了獲取結構面上的三維坐標數據并進行粗糙度的定量評價，需對結構面進行形貌特征采樣。由于自然粗糙巖石結構面的表面由大量形狀不同、尺度各異的凸起體構成，其表面幾何特征十分復雜，開展結構面的真實三維形貌定量評價具有一定難度。因此，考慮學生的實際知識儲備，同時確保學生對結構面形貌特征及其定量評價有基本的感性認識，僅選取典型剖面曲線進行實驗分析。以15 mm為間隔，在結構面上截取9 條等間距的形貌曲線（見圖7）。

圖7 結構面剖面線截取

為了便于結構面粗糙度的定量計算，將選取的形貌剖面線離散為一系列等間距的采樣點，如圖8 所示。為了得到較為精細的形貌特征，實驗中所用采樣點間距即圖中xi與xi＋1的水平距離設為0.5 mm。

圖8 結構面剖面線及采樣點示意圖

結構面粗糙度系數JRC 被巖石力學研究者和工程地質人員廣泛使用，也被國內外巖石力學教材所采納［11，15］。然而，由于傳統的JRC 指標評估主要依據Barton給出的10 條標準形貌曲線進行目測對比，其結果主觀性很強且誤差大。為了定量評估結構面的JRC值，國內外研究者提出了基于數理統計來定量評估結構面形貌特征的方法，其中，形貌曲線的一階均方根Z2被認為是與結構面粗糙度密切相關的參數之一，且計算簡單、容易獲取。在形貌曲線采樣點間距為0.5 mm的情況下，JRC與Z2有如下關系：

式中，Z2的數學表達式為

式中：L0為結構面形貌曲線在水平方向上的投影長度；N為形貌曲線上的采樣點數目；xi和yi分別為第i個采樣點的x和y坐標。

將式（2）代入式（1），便可得到單條形貌曲線的JRC值，而整個結構面的JRC值為：

式中：JRC0為整個結構面的JRC 值；JRCi為結構面上第i條形貌曲線的JRC值。

3.2 結構面形貌定量評價結果

為了計算結構面的JRC 值以定量評估其粗糙度，在預先編制好的Matlab程序中，根據式（1）～（3）計算得到結構面的JRC 的值。同時，為了對比定量評估和經驗評估JRC值的差異，隨機抽選5 位參與實驗的學生，要求他們按照Barton方法目測評估JRC，結果列于表1 中。

表1 結構面粗糙度評價結果

由表1 可知，定量評估可得到每個結構面唯一的JRC數值，而不同實驗人員采用經驗評估會得到不同的JRC 值且彼此間存在較大偏差，難以直接使用。可見，采用定量評估方法確定結構面的粗糙度更加客觀。相比而言，結構面Ⅲ的形貌最粗糙，其JRC值為19.8，而結構面Ⅰ的形貌最平滑，其JRC值為9.7。

4 巖石力學實驗教學改革成效

教育部組織實施的“國家大學生創新性實驗計劃”項目，旨在開展以本科生為實踐主體的科技創新能力培養改革，將科學技術創新貫穿于本科生教育的始終，是培養創新型人才的重要途徑［16］。傳統的巖石力學實驗課程，由于其實驗儀器比較常規，實驗教學方法相對單一。在實驗課程中主要以教師操作為主，而學生則主要是觀察實驗結果和分析實驗數據，學生沒有系統地參與到實驗中去，導致學生的學習積極性不強，實踐能力得不到充分鍛煉。因此，從實驗儀器和實驗方法上對傳統巖石力學實驗課程進行改進，有望調動學生的專業學習興趣、培養科學探索精神和提升實踐創新能力。

4.1 提升了學生學業知識水平

將諸如三維結構光掃描儀這類先進測試儀器引入傳統的巖石力學實驗課程中，要求學生既掌握實驗儀器的基本操作技能，又學習相關軟件的使用，突破傳統巖石力學實驗中只掌握儀器操作的局限。通過從硬件設備操作和軟件功能使用到數據分析的整個實驗環節，讓學生掌握了走在時代潮流前列的新技術，提升學生的學習獲得感，調動學生的學習積極性。

4.2 培養科學探索精神

通過應用先進的測試儀器完善或改革現有的巖石力學實驗手段，結合巖石力學相關科研熱點問題來豐富實驗內容，增加學生的實驗參與熱情，促進學生對基礎科技創新技能的掌握，培養學生的“科研感知”。在實驗過程中，探索并建立以問題和課題為導向的教學模式，促進學生科學興趣的形成，為更高層次的科學探索積累經驗。

4.3 提高實踐創新能力

通過改革巖石力學實驗方法和實驗內容，讓更多學生直接參加本領域研究熱點的實踐學習，有利于學生分析問題和解決問題能力的培養，進而激發學生科創意識和培養實踐能力。通過教師的指導，學生自主完成實驗試樣制備、儀器操作、軟件使用、數據分析和結果剖析等一系列實驗環節，大大提升了學生的實踐創新能力。

5 結 語

采用基于數字化逆向建模的三維結構光掃描技術，對巖石結構面進行形貌測量，獲取海量形貌點云數據，為結構面形貌的定量評價提供數據基礎，實現了結構面形貌測量從經驗評估和傳統手工測量向自動化、數字化和高精度的轉變，使巖石結構面形貌測量技術躍升到了一個新的臺階，為巖石力學實驗教學提供了新的技術手段和思路。

將現代工業科技的最新成果應用于巖石力學實驗教學中，結合研究熱點問題豐富實驗內容，可以調動學生的學習興趣，有利于啟發學生的實踐創新思維。教師通過指導學生操作儀器、使用軟件、獲取數據并分析結果，可以讓學生切實參與到實驗教學中的各個環節。踐行“以學生為主體、以教師為主導”的教學理念，調動學生的積極性和創造性，提高其綜合實踐創新能力。