長曝光攝影測量在隧道地質及空間測繪中的應用

陳 志

(中鐵十二局集團第七工程有限公司 湖南長沙 410004)

1 前言

隧洞結構的洞身輪廓和地質測量對于隧洞施工具有非常重要的作用。目前洞身輪廓測量和地質測量是分離的，需在不同階段開展。而地質測繪技術因受儀器設備、測量方法的限制，只能通過現場測定產狀、拍攝局部圍巖影像、手工繪制地質素描等方式開展，作業環境惡劣、主觀因素大，無法對施工過程中地質進行準確詳細的編錄，因此大部分項目在施工過程中存在“重輪廓、輕地質”的不足。傾斜攝影測量技術能同時兼顧洞身地質信息記錄的同時實現洞身輪廓的測量，其只需在不同視角拍攝若干張清晰的洞身影像，即可生成洞身的空間模型。該技術對確保施工安全、提高施工效率、將洞身輪廓與地質進行有效關聯，具有重要意義。

2 技術原理

2.1 傾斜攝影技術原理

傾斜攝影測量技術主要解決利用既有的多視角影像重建拍攝對象的空間模型問題，其采用多像空間前方交會的方法建立數學模型，結合特定控制坐標點，從而解算影像上特征點空間坐標數值。

以兩幅不同角度成像包含若干同名點的影像為例，傾斜攝影測量是利用像對同名像點的立體觀察，能得到兩條同名射線在空間的方向，這兩條射線在空間一定相交，其相交處必然是地面點的空間位置。在未知點的兩個聯立方程組中有3個未知數，即地面坐標X、Y、Z，由未知點在兩幅影像上的像點坐標x1、y1，x2、y2可列出4個方程，從而求解3個未知數。

如圖1所示，模型點相對于左方投影中心為原點的模型坐標為:

圖1 空間前方交會示意

基于以上原理，通過Agisoft Metashape等數據后處理軟件，進行同名點識別對齊、空間三角網計算與平差等過程對多張影像的每個像素進行分析，即可得到洞身輪廓的點云和DEM模型。通過將影像的RGB值映射到點云數據上，還可得到包含影像紋理、色彩數據的全彩空間模型。

2.2 長曝光技術原理

隧道內作業環境復雜、光照微弱。長曝光攝影技術是在微弱光照環境下，將相機快門一直保持開啟狀態(如單反相機中的B門模式)，物體表面反射的光線會不斷在成像元件上進行累計，只要相機和被拍攝對象之間保持相對位置固定(采用三腳架穩定相機)、快門開啟時間足夠長(曝光時間)，便能在低照度環境下獲得明亮清晰、光照均勻的成像。

3 技術實施要點

3.1 相機視場標定及機位估算

隧道內進行拍攝時光照極低，無法通過取景器觀察到可拍攝的畫面范圍，相機距離掌子面過近容易使圖像采集不完整，過遠易使圖像采集不清晰，相機視場距離掌子面應以剛好覆蓋掌子面為宜。

為縮短準備時間，預先確定滿足視場全覆蓋的拍攝距離，需在洞外對相機鏡頭拍攝的范圍進行測量，確定視場寬度和拍攝距離的關系，這個過程即為相機視場標定。圖2給出了相機及對應鏡頭的視場標定過程及結果。

圖2 相機及鏡頭視場標定

標定方法為:在墻上沿水平方向固定卷尺，架設相機于三腳架上并使其水平，相機視線垂直于墻面。將相機鏡頭拉至最短焦距(18 mm)、開至最大光圈(F3.5)，拍攝一張照片，測量并記錄相機焦平面距墻面距離；改變相機至墻面距離，反復按此程序拍攝至少3次。數據處理時，放大照片，找到每張照片畫幅兩端尺面刻度差即為實測視場寬度，可得到至少三組拍攝距離與視場寬度的數據，采用最小二乘法擬合出最優直線，則直線方程即為拍攝距離與視場寬度的關系。由圖2標定方程可知，相機距離掌子面距離D與相機視場寬度B關系為:B＝1.277 3·DB－90.121。若相機成像的高寬比為2∶3，則視場高度H與D的關系為:H＝2B/3＝0.851 5·DH－60.081。若掌子面最大寬度B＝8 m、H＝6 m按上述標定方程可知DB＝6.3 m，DH＝7.1 m，D取DB與DH的大值，即相機距離掌子面約需7.1 m，故拍攝時將相機架設于掌子面后方7.5 m處即可。

3.2 像控點和校核點標記及測量

相機采集的圖像可在無外部參考坐標的情況下完成模型重建，該模型只能保證相對精度，無法指導實際施工，因此需要在前期于洞身上布設若干控制點，通過后期把圖像上的點位刺入，將成果統一到施工所用坐標系中。其中像控點數量不得少于3個，并按隧道內情況加設備用點，防止點位丟失。另外需在洞身側壁上隨機測取若干復核點，用以校核成果精度和測站接駁。

像控點、備用點、校核點的標記及測量可在掌子面周邊眼放樣時一并完成。點位布設靈活，無嚴格要求，只需分布在掌子面范圍且不共線即可。

3.3 機位布置

按上述確定的D值布置相機。相機按拍攝順序，需先后按中央機位、左側方機位、右側方機位進行布置，必要時可自行增加機位補攝。每次布置應調整相機朝向，使各機位拍攝的圖像能完全覆蓋掌子面。各機位布置如圖3所示。

圖3 圖像采集機位布置示意

3.4 圖像采集范圍復核

隧道內光照極低，無法通過相機取景器直接觀察拍攝區域。為避免拍攝區域偏移導致掌子面圖像采集不完整，在拍攝前需進行圖像采集區域復核。復核掌子面左右區域是否進入相機視場時，采用聚光手電照射掌子面左(右)側邊界位置，掌子面會出現光斑，通過取景器可觀察光斑位置。若光斑未出現在取景器中，微調云臺，相機水平旋轉，直至光斑進入取景器為止。上下區域復核方法與此相同。

3.5 圖像采集頻率

按以上影像采集方法，每隔一定循環進尺采集一次圖像，每次采集圖像張數約5～6張?？紤]成像質量，每次采集的圖像在保證模型精度前提下，可生成有效模型10 m，按常規全斷面循環進尺2.5～3 m控制，最多3～4個循環進尺采集一次斷面，必要時進行加密。

4 數字模型生產及應用

4.1 通用型點云數據建立

采用Agisoft PhotoScan軟件對采集的原始圖像進行處理，生產并輸出通用型點云模型(LAS數據交換格式)，以供點云加工和數據分析，如圖4所示。其中左圖為空間位置點云，右圖為映射了影像紋理的點云，下圖為點云的空間正平面投影。

圖4 影像生成的點云模型

4.2 開挖斷面復核

利用Geomagic Studio軟件生成的曲面模型，導入對照標準開挖斷面模型，可獲取實際開挖輪廓的超欠挖分布云圖，如圖5所示(為便于顯示，本例截取了洞身測量成果的任意一段，段落長度632 mm)。洞身開挖輪廓上的不同顏色代表了不同的超欠挖值，從圖5右下角統計表可知，最大超挖量227 mm(出現在拱頂)，最大欠挖量580 mm(因仰拱未開挖)，為洞身整體超欠挖情況提供了直觀且準確參考。

圖5 Geomagic Studio分析的洞身輪廓分布

利用以上成果，對照導入標準二次襯砌斷面模型，可獲取實際襯砌厚度分布云圖，如圖5b所示。原設計二次襯砌厚度300 mm，測量段落的設計澆筑方量3.56 m3/m×0.632 m＝2.25 m3。實測最大襯砌厚度500 mm(出現在拱頂)，最小襯砌厚度－289 mm(因仰拱未開挖故出現在仰拱部位)，統計顯示測量段落內的二次襯砌線性平均厚度260 mm，按設計二次襯砌輪廓外擴260 mm，可計算測量段落澆筑方量3.05 m3/m×0.632 m＝1.93 m3。

4.3 爆破參數核查

基于Agisoft PhotoScan軟件的點云模型對照片進行透視和傾斜修正后可得到可度量的掌子面正射投影。由于高分辨率相機清晰記錄了掌子面炮孔布設位置，因此在后期可快速準確度量出當時炮眼布設數量和位置。掌子面正射影像炮眼布置如圖6所示，基于該圖像的周邊炮眼參數分析如表1所示。

圖6 掌子面正射影像的炮眼布置實測

表1 實測周邊眼參數

從圖6及表1可知，炮眼平均間距569 mm，變異系數0.466，變異系數偏大(周邊眼間距變異系數以不超過0.3為宜)，炮眼間距分布均勻性欠佳。掌握了真實、定量的爆破參數，結合圍巖情況，可準確地對下一循環鉆爆施工參數進行調整。

4.4 地質核查及產狀推定

利用Agisoft PhotoScan軟件生產的掌子面正射影像，可對掌子面節理分布進行展繪和產狀推定。掌子面節理信息記錄于點云模型中，點云模型中的每一個點都攜帶坐標信息、對象顏色信息，因此模型所得的掌子面正射影像不僅包含了節理常規的平面信息(如顏色、與洞身位置關系)，亦包含了節理的空間位置信息(如節理產狀)，可極為方便地推定掌子面前方地質信息。正射影像記錄的掌子面節理信息如圖7所示。利用各個里程的掌子面節理分布可生成空間地質模型及測算的節理產狀，如圖8所示。

圖7 基于Agisoft PhotoScan正射影像的掌子面節理分布

圖8 基于Civli 3D地質模型推定的節理空間分布

與常規的節理面不同，本技術是對逐個斷面進行掃描而得到節理面分布，因此其為曲面，具備更多細節特征，可以直觀準確地推定地層起伏情況。

5 結束語

本技術結合了傾斜攝影測量和長曝光攝影技術的優點，從地質、爆破參數、成洞輪廓三方面對鉆爆施工進行過程控制和動態調整，并可通過掌子面正射影像準確獲取每循環掌子面爆破參數，結合節理產狀模型對掌子面圍巖節理進行分析和前方產狀推定，利用洞身輪廓表面模型評估爆破效果，對指導隧道施工、確保施工安全具有重要意義。