地下溶洞形態(tài)分析與可視化

羅智源，葉錫鈞，徐偉真

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

0 引言

巖溶是指可溶性巖層受流水的物理化學(xué)作用而形成的地貌,這類特殊的地質(zhì)現(xiàn)象多出現(xiàn)在碳酸類巖石地區(qū),是一種典型的不良地質(zhì)災(zāi)害,主要形態(tài)有溶洞、土洞以及暗河等。據(jù)統(tǒng)計,我國巖溶地區(qū)主要分布貴州、云南、廣西以及廣東等南方省份,其中廣東省內(nèi)碳酸鹽地層分布面積約占全省面積的7%,約為2.9×104km2,主要集中在粵北地區(qū)[1]。伴隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展,開發(fā)利用城市地下空間表現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟效益。目前,許多工程項目不可避免涉足巖溶區(qū)域,因此難免會遇到許多不良地質(zhì)情況,如巖溶滲漏、巖溶塌陷等一系列潛在的工程地質(zhì)問題。在未探明地下巖溶情況下進行工程建設(shè),當(dāng)灰?guī)r溶蝕發(fā)育至一定程度時會導(dǎo)致樁底承載力不足以及地面塌陷等安全隱患,嚴(yán)重危害建筑物的質(zhì)量,造成生命和財產(chǎn)的損失,同時為了避免在施工過程中盲目注漿,應(yīng)在施工前采取有效措施提前探明溶洞的發(fā)育情況和分布規(guī)律,為后續(xù)的工程樁設(shè)計、施工提供服務(wù)[2-4]。

目前國內(nèi)外諸多科研工作者對地下溶洞/土洞探測開展了大量研究工作,并取得一系列創(chuàng)新成果。常用的探測方法主要分為鉆探法[5]和地球物理探測方法(簡稱物探法)[6-8]等,其中傳統(tǒng)的鉆探法盲目隨機鉆孔,通過以點帶面的方法掌握區(qū)域的整體地質(zhì)情況,該方法效率低下、耗費大量的人力、財力以及難以掌握溶洞的整體發(fā)育情況,同時盲目地鉆孔取芯容易導(dǎo)致巖溶塌陷。物探法是一種無損的探測方法,只能對地下巖溶進行宏觀判斷,所以應(yīng)采取其他勘察手段進一步對其空腔形態(tài)進行精確測量。本文以某項目施工階段勘察為例,采用高密度電法進行地面初步探測,以期低成本、高效率地完成不良地質(zhì)體的篩選,再通過鉆孔式三維激光掃描儀對洞內(nèi)情況進行快速掃描。

然而,溶洞一般結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、無規(guī)則,加上內(nèi)部環(huán)境惡劣,為了獲得物體的完整三維模型,需要進行多次不同視角的掃描獲得全局信息,點云配準(zhǔn)的任務(wù)就是將不同視角獲取到的點云數(shù)據(jù)進行對齊,使得它們在同一坐標(biāo)系下表示同一個物體或場景,其中配準(zhǔn)精度決定了后期三維建模的質(zhì)量。近年來,深度學(xué)習(xí)在三維點云領(lǐng)域取得了重要的進展。深度學(xué)習(xí)模型能夠?qū)W習(xí)到點云數(shù)據(jù)中的高級特征表示,從而更好地捕捉點云的幾何和語義信息。這種模型對于點云中的噪點具有較強的魯棒性,能夠提高在復(fù)雜場景下的點云配準(zhǔn)精度。通過配準(zhǔn)后的結(jié)果,可導(dǎo)入通用的三維軟件,通過后處理形成三維實體模型,能客觀真實地反映空區(qū)三維形態(tài)和走向延伸,實現(xiàn)對復(fù)雜形態(tài)溶洞/土洞的精細(xì)化表征,進一步了解溶洞發(fā)育情況,為后續(xù)工程的建設(shè)制定相對應(yīng)的施工方案提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)[9-12]。

1 點云數(shù)據(jù)的獲取方式

1.1 三維激光掃描技術(shù)原理及特點

三維激光掃描測量技術(shù)克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)的限制,通過非接觸主動測量方式直接獲取高精度的三維數(shù)據(jù),實現(xiàn)了對物體的全面掃描,并且不受時間限制,無論白天還是黑夜都可以進行測量,具有非接觸性、快速性、數(shù)字化和精度高等特性。三維激光測量技術(shù)的出現(xiàn)為溶洞的勘察設(shè)計提供了全新的技術(shù)手段,其核心原理是利用激光測距原理,靠發(fā)射和接收激光脈沖信號的時間差來計算被測目標(biāo)到激光掃描儀的距離S、橫向掃描角α和縱向掃描角θ,再通過對數(shù)據(jù)處理將被測物體的表面信息轉(zhuǎn)換成大量的三維坐標(biāo)信息(見圖1)。

(1)

1.2 三維激光掃描儀參數(shù)信息及其探測技術(shù)

本次試驗采用GLS-Ⅱ鉆孔式三維激光掃描儀,該儀器主要參數(shù)如表1所示。

本次試驗具體操作流程見圖2,首先根據(jù)高密度電法儀反演結(jié)果圈出異常區(qū)域,初步勘察出溶洞的大概埋深和發(fā)育規(guī)模,選取溶洞頂部和底部之間高度最大的地方進行鉆孔(孔徑應(yīng)90 mm以上),現(xiàn)場準(zhǔn)備工作完成后,沿勘探鉆孔下放測試探棒(直徑約50 mm)進入溶洞內(nèi)部,通過掃描探頭自動進行360°掃描(見圖3),獲取大量溶洞/土洞邊界的點云數(shù)據(jù),根據(jù)得到的結(jié)果,可指導(dǎo)下一鉆孔的布孔位置,及時優(yōu)化布孔方案,最后將多站溶洞點云數(shù)據(jù)進行處理。

2 基于深度學(xué)習(xí)的點云配準(zhǔn)方法

點云配準(zhǔn)是指將多個點云數(shù)據(jù)集對齊到同一個坐標(biāo)系中,使得它們在空間中對應(yīng)的點能夠重合或接近。基于深度學(xué)習(xí)的點云配準(zhǔn)是一種利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)來實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)對齊和匹配的方法,通過大規(guī)模的數(shù)據(jù)集進行訓(xùn)練,能夠更好地捕捉點云數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)和局部特征,從而提高對噪聲、遮擋和不完整數(shù)據(jù)的魯棒性。本文采用的是一種快速特征度量點云配準(zhǔn)框架[13](見圖4),與傳統(tǒng)的點云配準(zhǔn)方法不同,不需要搜索對應(yīng)關(guān)系,而是通過最小化特征度量投影誤差來進行配準(zhǔn),這種方法具有較高的精度和魯棒性,特別是處理存在顯著的噪聲和密度差異的點云配準(zhǔn)。

2.1 Fmr網(wǎng)絡(luò)(Feature-metric registration)

該網(wǎng)絡(luò)模型的總體結(jié)構(gòu)由兩個模塊組成:編碼器模塊和多任務(wù)分支模塊。編碼器模塊用于從輸入點云中提取特征。多任務(wù)分支模塊包括編碼器-解碼器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和特征度量配準(zhǔn)模塊。編碼器-解碼器網(wǎng)絡(luò)以無監(jiān)督的方式進行訓(xùn)練,以確保當(dāng)存在空間變換時,兩個相同點云的特征不同,當(dāng)移除變換時,特征相同。特征度量配準(zhǔn)模塊通過最小化特征差異來估計兩個輸入點云之間的變換矩陣。

對于給定兩個點云P∈RM×3和Q∈RM×3,配準(zhǔn)的目標(biāo)是找到使點云P與Q最佳對齊的剛性變換參數(shù)(R,t),具體公式見式(2):

(2)

其中,r為投影誤差;F為編碼器模塊學(xué)習(xí)的特征提取函數(shù);P為源點云;Q為目標(biāo)點云;R為旋轉(zhuǎn)矩陣;t為平移向量。

為了求解上述方程,Huang X等提出了一種特征度量配準(zhǔn)框架,可以以半監(jiān)督或無監(jiān)督的方式進行訓(xùn)練。首先,對兩個輸入點云提取兩個旋轉(zhuǎn)注意特征。其次,將特征輸入到多任務(wù)模塊中。在第一個分支(Task1)中,解碼器被設(shè)計為以無監(jiān)督的方式訓(xùn)練編碼器模塊。在第二分支(Task2)中,計算投影誤差r以指示兩個輸入特征之間的差異,并且通過最小化特征差異來估計最佳變換。變換估計迭代運行,并且通過IC(Inverse Compositional)算法來估計每個步驟的變換增量(Δθ),見式(3):

Δθ=(JTJ)-1(JTr)

(3)

2.2 損失函數(shù)

2.2.1 Chamfer loss

編碼器-解碼器分支以無監(jiān)督的方式進行訓(xùn)練,并結(jié)合Chamfer損失的訓(xùn)練方法可以提高點云配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和魯棒性,使得編碼器能夠更好地學(xué)習(xí)到點云的特征表示。具體計算公式見式(4):

(4)

其中,pA為從單位正方形[0,1]2上采樣的點集;x為點云特征;φθi為MLP參數(shù)的第i個部分;S*為原始的輸入點云。

2.2.2 Geometric loss

幾何損失函數(shù)的目的是通過最小化這個損失函數(shù),可以使得估計的變換矩陣(gest)更接近真值的變換矩陣(ggt),從而實現(xiàn)點云的配準(zhǔn)和對齊。具體計算公式見式(5):

(5)

其中,P為點云數(shù)據(jù);M為點云總數(shù)。

當(dāng)采用半監(jiān)督的方式進行訓(xùn)練時,最終的損失函數(shù)見式(6):

loss=losscf+losspe

(6)

2.3 實驗結(jié)果

根據(jù)實驗結(jié)果顯示,該方法在不同初始角度下展現(xiàn)了出色的整體性能。在7Scene數(shù)據(jù)集上,該方法相較于經(jīng)典優(yōu)化方法、特征學(xué)習(xí)方法和深度學(xué)習(xí)配準(zhǔn)方法表現(xiàn)更為優(yōu)越。此外,無監(jiān)督方法始終比半監(jiān)督方法取得更好的結(jié)果。

3 工程概況

3.1 工程地質(zhì)概況

本次試驗以某項目施工階段進行勘察,根據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖及周邊項目資料,本場區(qū)內(nèi)巖土體主要為:第四系人工填土層、沖洪積層(細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂、粉質(zhì)黏土)、殘坡積層(粉質(zhì)黏土、角礫)、石炭系灰?guī)r(中風(fēng)化、微風(fēng)化)、石炭系砂巖(全風(fēng)化、強風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化)等。項目場地地勢平坦,周邊項目及踏勘期間未發(fā)現(xiàn)巖石滑坡、泥石流、采空區(qū)、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害及不良地質(zhì)作用,且該區(qū)域人類工程活動強度較弱,地表附加荷載不大,因此場地處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。本場地不良地質(zhì)作用主要為巖溶。

3.2 水文特征

場地地下水主要賦存在第四系砂層、基巖風(fēng)化裂隙中,地下水主要靠大氣降水和地表水徑流補給(如珠江等)。經(jīng)現(xiàn)場觀測和調(diào)查,場地地下水位與河涌有密切的水力聯(lián)系,地下水位與河涌潮汛一致,即每年6月—9月為高水位期,10月份以后水位緩慢下降,1月份水位最低。由于施工期較短,觀測的地下水位不能代表長期地下水水位。常年變化幅度在1.0 m～3.0 m之間。

4 勘察結(jié)果及分析

4.1 三維激光掃描儀掃描結(jié)果

在本次測量中,由于該地區(qū)地下水位較高,三維激光掃描在遇到水時,水對激光的反射和吸收能力較強,會導(dǎo)致激光束的能量損失和信號干擾,從而影響掃描儀的測量精度和可靠性。因此本次試驗需要結(jié)合高密度電法反演結(jié)果,選取無填充的溶洞進行快測量,為了溶洞的完整數(shù)據(jù)信息,將探棒下放到不同深度進行掃描,具體掃描結(jié)果見圖5。

4.2 基于深度學(xué)習(xí)點云配準(zhǔn)結(jié)果

通過基于深度學(xué)習(xí)點云配準(zhǔn)算法,將掃描結(jié)果進行配準(zhǔn),具體結(jié)果見圖6。

4.3 三維激光掃描成果分析

通過Geomagic studio2015軟件對配準(zhǔn)后的溶洞點云數(shù)據(jù)進行后處理(去噪、抽稀以及封裝),重構(gòu)出溶洞三維模型,可直觀了解其整體形態(tài),見圖7。

結(jié)果表明該溶洞位于地面以下22.1 m～31.2 m,其內(nèi)部體積大小約為279.6 m3,高度為9.1 m,關(guān)鍵位置平剖面沿Z軸由上往下,其中剖面一位于埋深24 m,剖面間隔為2 m,以此類推,剖面效果圖見圖8。

通過地質(zhì)勘察報告鉆孔柱狀圖顯示,此處在22.0 m～31.0 m處存在一個高度為9.0 m的無填充溶洞,與高密度電法和三維激光掃描的測量結(jié)果接近,證明本文所采取溶洞探測方法合理有效。通過溶洞的三維模型,可以明確溶洞形態(tài),查看任意關(guān)鍵位置橫縱剖面結(jié)果,避免在施工過程中造成坍塌的風(fēng)險和減少盲目注漿處理造成的巨大經(jīng)濟損失。

5 結(jié)論

在工程建設(shè)過程中,如何準(zhǔn)確、經(jīng)濟地確定地下巖溶的空間分布規(guī)律和發(fā)育規(guī)模是當(dāng)前巖溶探測的一大難題。本文通過高密度電法測量地下溶洞周圍的電阻率變化,低成本、高效率地完成不良地質(zhì)體的篩選,初步了解地下溶洞的分布情況。選擇關(guān)鍵位置進行鉆孔,利用桿式激光掃描探頭進入溶洞內(nèi)部進行360°掃描,自動獲取大量點云數(shù)據(jù)。

通過利用深度學(xué)習(xí)的優(yōu)勢,我們可以自動學(xué)習(xí)和提取點云數(shù)據(jù)中的特征,并將其應(yīng)用于點云配準(zhǔn)。這種方法能夠更好地捕捉點云數(shù)據(jù)中的細(xì)節(jié)和復(fù)雜性,從而提高配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和效果。最后,建立地下溶洞三維立體模型,與前期鉆孔勘察報告結(jié)果相互補充并相互印證,充分掌握溶洞的真實體積、形態(tài)等,對關(guān)鍵位置進行剖面輸出,為設(shè)計施工提供詳盡的地質(zhì)資料,對工程的安全施工至關(guān)重要。同時該探測方法具有高精度、高效率、低成本以及探測深度大等特點,是一種有效的溶洞測量手段,在巖溶勘察服務(wù)市場具有廣闊的應(yīng)用前景。