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摘要：岩土工程实践中 ，由于岩体结构面的保存 ，极大地影响了岩体的力学性能。深入开展对结构面的研究 ，为改善岩体的稳定性提供参考依据 ，具有重大意义。古板要领接纳罗盘、尺子等对结构面进行研究 ，保存效率低、误差大等诸多缺点。本文介绍了一种新的要领 ，接纳非接触式三维成像技术 ，对岩体的结构面进行丈量、统计、剖析 ，解决了古板丈量要领的缺乏 ，供工程技术人员参考。
岩体 ，是指一定工程规模内的自然地质体。岩体包括两个基本要素 ，即岩石和结构面。由于结构面的保存 ，使得岩体和岩石的力学性质保存很大的差别。许多工程实践中 ，在岩石强度很高的洞室内 ，仍有大宗的变形破坏爆发 ，导致岩体稳定性降低。究其原因 ，就是因为大宗的不整合、褶皱、断层、层理、片理、劈理、节理等结构面的保存。结构面又叫“软弱面” ，结构面的保存弱化了岩体的力学性能 ，决定了岩体工程的稳定性 ，导致了岩体的各向异性。因此 ，对结构面进行深入研究 ，关于提高岩体的稳定性具有很重要的意义。
古板上 ，通常接纳罗盘、锤子、放大镜以及尺子等 ，对结构面进行丈量。丈量结束后 ，再返回室内人工绘图 ，进行数据统计剖析。古板要领效率低下 ，耗时耗力 ，误差大。丈量的工具都是局部测点 ，而不是宏观的大规模丈量。并且关于一些悬崖峭壁、无法抵达的园地 ，无法进行实际丈量 ，造成数据缺失 ，甚至保存岩石坠落伤人的危害。
鉴于古板要领保存的诸多问题 ，工程科技人员不绝地实验 ，研发新的要领 ，对岩体结构面进行研究。本文介绍了一种新型的岩体三维成像及统计剖析系统 ，可用于岩土工程的勘察和岩体结构的统计剖析�？梢宰魑恢中碌募际跏侄� ，供工程技术人员、科研人员使用 ，深入对岩体结构进行研究 ，为岩土工程设计人员提供科学的参考依据。
ShapeMetriX 3D 系统
ShapeMetriX 3D是奥地利3GSM公司研发的一套全新的系统。通过手工拍照 ，生成三维图形 ，可以对岩体外貌进行丈量和统计剖析 ，可用于对岩体外貌进行地质学、岩土力学评价剖析。ShapeMetriX 3D不是一款摄影丈量软件 ，而是为了解决工程地质、岩土工程、几何结构等问题而开发的一套系统。
关于数据收罗 ，接纳的是一台经过3GSM软件标定的数码相机来进行的。通过一台经过标定的相机 ，从两个差别角度对目标区域进行拍照。拍照前 ，要提前在目标规模内安排一个标杆(如图1) 。整个数据收罗的历程约莫几分钟(安排标杆 ，拍两张照片) 。
图1 隧道掌子面三维图像(圆圈中是标杆)
ShapeMetriX 3D常用于隧道工程、矿业工程、岩土工程等。ShapeMetriX 3D的一个重要特点是 ，包括3D评价剖析软件。ShapeMetriX 3D是一整套系统 ，包括标定的成像系统和3D处理软件。
拍摄照片以后 ，将照片拷贝到盘算机上 ，输入到SMX Reconstructor软件中合成一幅三维图像。接纳的原理是由盘算机视觉而衍生出的立体摄影丈量技术。该技术不需要显示参考标记 ，就可以确定各个照片之间的相对偏向。
ShapeMetriX 3D所用的基来源理是可扩展的 ，这就意味着种种尺寸的外貌都可以拍照并且生成三维图像。可是 ，一个基本的要求就是外貌必须是不规则的结构（不平整的）。
ShapeMetriX 3D的结果是一幅三维图像 ，它展现的是所纪录外貌的形状�？梢杂米源�3D软件对这幅三维图像进行种种丈量 ，也可以进行种种评价剖析。
与通例纪录要领的主要区别有：
与通例勘测要领的主要区别有：
ShapeMetriX 3D系统接纳手持式拍照 ，无需三脚架 ，支持变焦镜头 ，可对差别距离的待测目标进行三维成像。
利用ShapeMetriX 3D系统拍照获得了两幅照片 ，这两幅照片的偏向是确定的。两幅照片上均有一个相同的点P(u,v) ，确定了两个偏向和两个点 ，就可以获得两条射线（如图2中红色射线）。这两条射线在三维空间相交于一点P(X,Y,Z) ，这个点就确定了。与此类推 ，两幅照片上的所有点在三维空间都可以都可以确定相应的三维点 ，所有的三维点就形成了一个三维面。将一幅照片附在三维面上 ，就获得了三维图像。两次拍照的距离以及相机的位置都是无需知道的。
图2 三维外貌成像的原理
这种三维图像获得的是局部坐标系统 ，没有其它信息。也可以加入现有的目标信息 ，例如关于隧道 ，可以加入弧度信息。如果输入指南针偏向数据 ，模型就可以大致瞄准真北偏向。
模型如果需要加入地舆坐标信息 ，最少需要知道图像区域内三个控制点的坐标信息 ，这三个点的坐标可以通过全站仪或者更精确的GPS 测得( 见图3) 。最终的结果 ，就会凭据这几个控制点的坐标转换成相应的坐标系统。
图3 一座采石场的岩质边坡三维图像
图4 一座采石场的岩质边坡三维图像
图4中(a)为一座采石场的岩质边坡三维图像。这个三维图像是由许多三维点(b)加上照片组成的。用自带的三维评价剖析软件 ，可以便捷地进行地质制图(d) ，也可以绘制岩体结构球形图(e) ，并且确定结构面间距(f) ，可以快速地对岩体结构面进行评价剖析。
输出结果
通常 ，可以从三维图像中获得几何数据。接纳系统自带的JMX Analyst 软件可以对三维图像进行检察 ，也可以进行一些评价剖析 ，如图5～6。
图5 某露天矿坑岩质边坡的三维图像系统自动绘制节理面
图6 软件盘算及检察
几何丈量与岩土工程丈量
①长度( 距离 ，间隔) ，m；
②面积 ，m2；
③不连续面或整个岩质边坡( 倾向、倾角) 的空间偏向；
④不连续迹和地层( 倾向、倾角) 的空间偏向。
盘算获得的参数
①间距( 平均间距、法向间距、簇间距、总间距）；
②沿轮廓线的间距；
③迹的不连续性 ，单位/m
④不连续簇的空间差别；
⑤体积 ，单位m2。
输出的数据
①三维图像数据 ，VRML文件和OBJ文件；
②几何数据 ，DXF文件 ，可用于CAD；
③丈量的数据 ，CSV文件( 可用于Excel) 和DXF 文件( 可用于CAD)；
④三维图像截图 ，JPG文件。
应用领域
ShapeMetriX 3D可以在多种工程领域获得应用 ，包括：
隧道开挖
隧道掌子面三维制图 ，岩土数据收罗 ，工程治理 ，地质资料生存；
地下采矿
变形监测 ，岩土数据收罗 ，支护结构剖析；
露天采矿
矿区图的更新 ，确定开挖的体积 ，稳定性评价( 例如岩质边坡)；
岩土工程
大致相关性简直定 ，室内剖析和原位剖析。
# 结语 #
关于岩土工程而言 ，研究岩体的结构面是很是重要的。岩体开挖、支护设计计划都是凭据岩体结构面的参数来制定的。古板的岩体结构面丈量要领效率低 ，保存许多问题。ShapeMetriX 3D系统的泛起 ，解决了这些问题。与古板的丈量要领相比 ，ShapeMetriX 3D 接纳移动非接触式岩体丈量 ，不需要专业的勘测技术 ，使用简单、灵活 ，利用变焦照相机手动拍照 ，快速、宁静地进行数据收罗。ShapeMetriX 3D系统按一定的规则描述岩体结构状况 ，整套系统不但仅只是一台丈量设备 ，并且带有软件 ，可以进行剖析评价。该系统提高了地质丈量的效率、质量和宁静性 ，可供岩土工程技术人员参考。
- End -
参考文献：郑江. 岩体三维成像系统在岩土工程中的应用[J]. 四川建材, 2021, 47(3):93-95.
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