引用本文
魏勇, 许强, 董秀军, 郭鹏, 李松林, 李骅锦. 近景摄影测量在探槽地质信息获取中的应用——以泾阳南塬庙店4#滑坡为例 [J]. 地震地质, 2020,42(5): 1240-1254.
WEI Yong, XU Qiang, DONG Xiu-jun, GUO Peng, LI Song-lin, LI Hua-jin. PRACTICAL APPLICATION OF CLOSE-RANGE PHOTOGRAM-METRY TO EXTRACTING GEOLOGICAL INFORMATION FROM TRENCH: TAKING THE MIAODIAN 4# LANDSLIDE AT THE SOUTHERN TABLELAND IN JINGYANG COUNTY AS AN EXAMPLE [J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(5): 1240-1254.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.05.014
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近景摄影测量在探槽地质信息获取中的应用——以泾阳南塬庙店4#滑坡为例
魏勇, 许强*, 董秀军, 郭鹏, 李松林, 李骅锦
成都理工大学, 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 成都 610059
*通讯作者: 许强, 男, 1968年生, 教授, 研究方向为地质灾害评价预测与防治处理, E-mail: xq@cdut.edu.cn。

〔作者简介〕 魏勇, 男, 1985年生, 2011年于兰州理工大学获建筑与土木工程专业硕士学位, 现为成都理工大学土木工程专业在读博士研究生, 研究方向为岩土体稳定性及地质环境效应, E-mail: ceweiyong@hotmail.com。

收稿日期: 2019-12-23 修回日期: 2020-04-02
基金项目: 国家自然科学基金(41790445, 41630640)资助
摘要

探槽是最直观的地质勘查技术手段之一, 也是正确认识地质体内部构造信息的关键资料。 但探槽本身无法长久保存, 需要及时对探槽的地质数据进行精确记录和存储。 传统的探槽地质信息记录方法主要有素描法和照片拼接技术, 通过其可获取探槽的二维地质信息。 三维激光扫描和摄影测量技术等三维空间影像技术的发展, 为获取探槽的地质信息提供了全新的思路。 文中以泾阳南塬庙店4#滑坡探槽为例, 介绍了利用近景摄影测量技术记录探槽三维地质信息的方法。 该方法首先在整理好的探槽表面布设像控点, 然后用数码单反相机采集探槽表面相片, 最后利用图像建模软件对探槽进行三维图像建模工作。 为便于技术方法的推广应用, 文中还对像控点的测设和相片的采集方案等关键技术问题进行了详细介绍。 为验证成果的可靠性, 还对近景摄影测量成果的精度进行了验证分析, 并在此基础上详细讨论了数据成果的二维和三维地质应用, 结果表明: 与传统方法相比, 利用摄影测量技术记录探槽的地质信息提高了野外工作的效率和安全性, 且该方法与三维激光扫描数据相比保留了更丰富的纹理细节; 数据成果在实现传统的平面应用功能的基础上, 还具有很好的三维应用价值, 值得推广应用。

关键词: 滑坡; 泾阳南塬; 探槽; 近景摄影测量; 地质信息获取; 三维模型
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)05-1240-15
PRACTICAL APPLICATION OF CLOSE-RANGE PHOTOGRAM-METRY TO EXTRACTING GEOLOGICAL INFORMATION FROM TRENCH: TAKING THE MIAODIAN 4# LANDSLIDE AT THE SOUTHERN TABLELAND IN JINGYANG COUNTY AS AN EXAMPLE
WEI Yong, XU Qiang, DONG Xiu-jun, GUO Peng, LI Song-lin, LI Hua-jin
State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
Abstract

Trench exposure is probably the most intuitive technological means of geology surveying work, and it is the key material to the right cognition of the delicate geological information. At the same time, trench is usually difficult to reserve, it needs to record the geological information of trench timely and accurately. The conventional methods of recording the delicate geological information of trenches are geology sketch and image mosaics technology, which mainly acquires the two-dimensional geological information. New data acquisition methods need to be explored for acquiring three-dimensional geological information. With the development of three-dimensional image technology, it is a new idea and method that terrestrial laser scanner and digital photogrammetry are applied to recording geological information of trenches.
This paper discusses the above problem by Miaodian 4# landslide at the southern tableland in Jingyang County. The method of close-range photogrammetry to record the geological information is described as follows: 1)The photo-control-points on cleaned trench walls are established; 2)The photos from the surface of trench are collected by a Digital SLR Camera in the field. At the same time, measuring instrument can be used to measure the coordinates of the photo-control points; 3)The 3D model of the trench is reconstructed using the photogrammetric software(based on the processed photographs after the screening process and the coordinates of the photo-control points). In order to promote the application of this method, the paper also introduces the key technical problems of determining and setting up photo-control-points and scheme of photo acquisition. The 3D spatial data were acquired by methods described previously, which mainly include point cloud data, mesh, texture, orthomosaic, etc. The spatial resolution of the orthomosaic was 1.48mm/pix, and this high accuracy is enough to record millimeter-sized geological information. In order to verify the reliability of the results, the accuracy of close-range photogrammetry results is also verified and analyzed. The results show that the accuracy of close-range photogrammetry reached the centimeter level, and the level is close to the measurement equipment used in measuring the coordinates of photo-control-points. Therefore, the spatial resolution and accuracy of outcome data fully meet the requirements of recording the geological information.
Based on those 3D spatial data, the 2D and 3D geological applications of the data results were discussed in detail. First, the 2D geological application was discussed by taking the interpretation of trench profiles as an example. The technological processes mainly include creating orthomosaic, vectorization and interpretation. In the example, the interpretations of trench profiles were successfully completed using this method(Typically, the process of interpretation demands a combination of outdoor data recording and indoor experimental data). Specifically, the interpretations of small scale folds and thrust faults in the landslide deposit are obtained. Then, the 3D geological application was discussed by taking the data extraction of occurrence as an example. Extracting the feature points of 3D spatial data and computational method were described in detail. The occurrences of 3D model were contrasted to measurements of geological compass, and the two results are in good agreement. Based on the data of occurrence, they can be properly analyzed and further research can be developed from them. In this example, one can speculate about the forces and the motion state of the landslide after the data extraction of occurrence was synthesized and analyzed. And the results were normalized to the actual situation of the landslide.
Therefore, the 3D spatial data can be acquired quickly and accurately by extracting geological information from trench using close-range photogrammetry. Those outcome data include point cloud data, mesh, texture, orthomosaic, etc. The applications of those data could solve many complex engineering geological issues. Compared with the traditional methods, efficiency and security of field work are improved using photogrammetry technology, and it retains richer texture details than terrestrial laser scanning. Data results have traditional two-dimensional application functions. Moreover this data can achieve corresponding three-dimensional applications, which is deserved to be applied.

Keyword: landslide; southern tableland in Jingyang County; trench; close-range photogrammetry; record of geological exploration; 3D model
0 引言

在野外地质调查中, 探槽是揭露地质体内部信息的主要手段之一。 探槽所揭露的地质信息十分珍贵, 是正确认识地质体内部构造信息的关键资料。 但探槽本身无法长久保存, 因此完整精确地记录揭露的地质信息显得尤为重要。 传统的探槽地质信息记录方法主要有素描法和照片拼接技术(高伟等, 2017)。 素描法作为一种传统的地质描述手段, 在古地震(Sieh, 1978)和地裂缝(Peng et al., 2016)等领域应用广泛。 照片拼接技术在近期的地质调查中发挥了巨大作用, 特别是在古地震研究领域, 研究者已利用该方法积累了大量的古地震信息(姚远等, 2016; Zhang et al., 2018)。 素描法和照片拼接技术主要获取的是探槽的二维地质信息, 无法实现三维应用。

目前, 获取目标的三维空间影像数据的主要手段有三维激光扫描和摄影测量技术(董秀军, 2015)。 三维激光扫描技术可实现快速的三维数据采集并完成三维模型重构, 目前已有部分研究利用其获取探槽的空间数据(郑文俊等, 2015; Han et al., 2017; Lin et al., 2017)。 摄影测量(Photogrammetry)可将来自物体的反射光线通过摄影的方式记录下来, 然后基于摄影像片进行计算和解译, 从而测定物体的形状、 大小和位置(Westoby et al., 2012; Colomina et al., 2014)。 摄影测量方法能够快速、 高效地获取研究对象的三维空间影像数据, 已被广泛应用于考古、 文物保护、 工程结构、 生态保护、 医学工程、 采矿工程、 管线工程、 环境工程、 气象学等众多领域(彭大雷等, 2017)。 近景摄影测量(Close-range Photogrammetry)是摄影测量的一个分支, 通常指地面摄影而非航空摄影, 摄影机与目标物体之间的距离较近, 测量的精度相对较高(Luhmann et al., 2006), 目前在水土流失侵蚀(Shen et al., 2015)、 海岸线演化(Gonç alves et al., 2015)、 火山地貌演化(Shevchenko et al., 2015)和考古学(Garstki et al., 2018)等方面已有学者利用其进行了探索研究。 近年来, 也有少量研究工作利用近景摄影测量技术记录探槽的地质信息。 高伟等(2017)利用三维图像建模和正射镶嵌技术, 在天桥沟-黄羊川断裂的柳条河探槽获得了探槽的三维模型; 毕海芸等(2017)介绍了摄影测量方法的基本原理及发展历程, 并通过其在古地震探槽和活动构造微地貌研究中的应用, 展示了摄影测量方法在活动构造定量研究中的应用潜力。 Bemis等(2014)利用单反相机和无人机采集古地震探槽和野外断裂带的影像数据, 并利用商用软件对其进行三维建模实例应用。 Reitman等(2015)利用Agisoft PhotoScan软件对阿尔卑斯山脉某古地震探槽进行了三维建模, 并详细分析了控制点的数量和空间分布对模型精度的影响。

然而, 现有的研究主要将摄影测量用于古地震探槽的三维模型重建工作, 但未对建模过程中的关键技术问题进行详细阐述, 也未对数据成果的地质应用(包括二维和三维应用)开展具体研究。 同时, 在工程地质领域还没有研究人员采用该技术方法开展研究工作, 目前仍采用传统的技术手段进行测量。 基于上述现状, 本文将以泾阳南塬的庙店4#滑坡探槽为例, 对三维建模过程中的部分关键技术问题进行相关介绍, 并阐述探槽剖面解译和三维空间数据的应用工作, 以期为其它区域开展探槽地质信息记录工作提供一定的帮助和参考。

1 探槽基本情况概述
1.1 基本地质背景

泾河南岸的黄土塬区时常发生滑坡地质灾害, 特别是在高庄镇大堡子村到太平镇庙店村的台塬区段内集中发育了42处滑坡(许强等, 2018)。 通过野外地质调查, 发现泾阳南塬存在一种剪出口低于泾河一级阶地的典型黄土滑坡。 该类型的滑坡规模较大, 具有明显的铲刮、 推挤及液化现象(Peng et al., 2017), 且在滑坡前缘滑体内部蕴藏着美丽而丰富的小构造。 其中, 庙店4#滑坡(图 1)即属于该类滑坡, 具有很强的代表性。

图 1 滑坡分布及庙店4#滑坡的位置图Fig. 1 The distribution of landslides and the location of Miaodian 4# landslide.

1.2 滑坡概况及探槽布设位置

庙店4#滑坡位于西咸新区空港新城太平镇庙店村以北(34° 30'03″N, 108° 45'52″E)。 2013年7月26日上午7时许, 庙店村以北约6× 105m3的滑体发生整体滑动, 台塬顶部灌溉渠被彻底损坏, 堆积体前缘右侧与坡脚某养殖场的直线距离仅20m; 同日13时许, 在同一位置再次发生约6× 104m3的滑坡; 次日清晨, 滑源区后壁两侧再次发生2次小规模的黄土崩塌(图 2)。 经现场调查发现堆积体内部蕴藏着大量小型构造, 且堆积体前缘表面出现了大量喷砂冒浆现象(Peng et al., 2018)。 为揭示这些小构造的几何特征并进一步解释滑坡的运动堆积过程, 本研究团队在庙店4#滑坡堆积体前缘开挖了长约185m的探槽(图 2)。 结合现场小构造的出露条件及其在滑坡堆积体内部的分布情况, 将探槽布设为如图 2 所示的不规则形状。

图 2 庙店4#滑坡的发育全貌及探槽位置图Fig. 2 The full view of Miaodian 4# landslide and the location of trench.

2 近景摄影测量方法

现代数字摄影测量技术利用数码相机获取物体的二维图像, 应用计算技术、 数字影像处理、 影像匹配、 模式识别等多学科的理论方法, 计算生成被摄物体的三维点云、 三维网格模型及三维图像模型等数据。 目前, 市场上主流的三维重构软件有smart3D Capture、 Pix4 Dmapper和Agisoft PhotoScan等, 实际应用时可根据项目的特点选择合适的计算软件。 近景摄影测量的基本工作流程包括探槽开挖及表面处理、 布设控制点、 测量像控点、 采集照片、 照片筛选及处理、 初始化处理、 标记像控点、 创建密集点云、 生成三维网格、 生成二维镶嵌图、 生成三维纹理模型等步骤, 具体工作流程如图 3 所示。

图 3 近景摄影测量的工作流程Fig. 3 The workflow of close-range photogrammetry.

因本实例中的探槽平面展布形状比一般探槽更为复杂, 若没有合理的野外实施方案, 将很可能导致三维建模工作的失败。 下面重点对野外工作中的经验及注意事项进行介绍。

(1)开挖探槽及表面处理(图4a): 采用机械开挖的探槽表面的地质信息常常会被表面的虚土所覆盖, 需要对探槽侧壁表面进行人工处理, 并保证原始地质信息清晰完整。

图 4 近景摄影测量的工作情景
a 开挖探槽; b 测量像控点; c 采集野外照片; d 室内三维建模Fig. 4 The scenarios of close-range photogrammetry.

(2)布设像控点及坐标测量(图4b): 若要求测量精度更高, 就需要在现场放置已知长度的比例尺工具或在现场布设像控点并对其位置进行精确测量。 高伟等(2017)通过在某探槽放置的比例尺工具, 成功地完成了该探槽的高精度三维建模工作。 但放置比例尺工具只能纠正三维模型的大小, 无法控制计算模型的方向, 若拍摄的相片无POS数据, 获取的三维模型只具有相对坐标属性, 无法对数据进行三维空间应用(例如提取结构面的产状等)。 因此, 本实例选择在现场布设像控点的方式建立更高精度的三维模型。 决定像控点的布设位置时要考虑后期坐标测量的便利性, 同时还要保证像控点在区域内尽可能均匀分布, 地面像控点的数量至少> 10个, 且在地形变化较大的部位也应尽可能设置像控点(图7a)。 测量像控点的坐标可采用任何满足精度要求的坐标测量仪器(如全站仪、 GPS-RTK等), 本实例采用美国天宝R8 GNSS系统测量探槽像控点的坐标数据。

(3)相片采集、 筛选及处理(图4c): 在探槽中间部位的拍摄线路应尽可能与探槽的走向平行, 并使拍摄方向垂直于探槽剖面, 同时保证相片的重叠率 > 60% (图 5)。 例如: 若拍摄线路与探槽的水平间距为5m, 镜头焦距为24mm(相机视角84° ), 视角宽度A=2× 5m× tan42° =9m, 重叠宽度B> 0.6× 9m=5.4m, 拍摄步距C< 0.4× 9m=3.6m。 在探槽的端头部位应根据转角类型采用不同的拍摄方式, 可采用图 5 所示的拍摄方式对转角位置进行专门处理, 并应尽可能地使相片有足够高的覆盖率, 不合理的拍摄方式和较低的重叠率都可能导致无法重建三维模型。 在拍摄过程中, 应根据现场光照条件尽可能选择小光圈(尽可能把不同距离的目标拍摄清晰), 并快速完成全部拍摄过程, 避免因光照条件(光照强度、 光照角度等)的变化导致不同时间段的相片出现不同的阴影。 相机的白平衡不应设置为自动模式, 以防止相机错误识别拍摄环境使得相片颜色不统一。 相片采集完成后应对所有相片进行筛选, 剔除不合格的相片并重新补拍。

图 5 野外相片采集方案Fig. 5 Representation of image acquisition in the field.

(4)室内软件处理(图4d): 主要包括初始化处理、 导入并标记像控点、 创建密集点云、 生成三维网格(TIN模型)和生成镶嵌图及纹理等步骤。

3 数据成果及分析

按照上述工作流程(图 3), 本研究团队于2017年1月在泾阳南塬庙店4#滑坡开展了基于摄影测量的滑坡探槽三维影像数据获取技术的应用和探索研究。 首先, 按照预先规划的探槽布置方案开挖探槽并进行表面处理(图4a), 并应用GPS-RTK测量像控点的位置坐标(图4b); 然后, 利用Nikon D750数码单反相机(基本参数见表1)

表1 相机采集系统的基本参数 Table1 Characteristics of the camera acquisition systems

采集探槽的影像相片(图4c); 最后, 用Pix4 Dmapper软件对拍摄的相片进行三维建模(图4d)。 现场共采集相片615张, 有效相片613张, 共布设像控点74个、 数据检验点16个(图7a)。 通过室内软件计算最终获取了探槽的三维空间数据, 图 6 展示了3个不同视角的探槽三维图像模型数据(未对数据进行裁剪处理)。

图 6 近景摄影测量数据的成果图Fig. 6 The results of close-range photogrammetry.

3.1 数据成果

获取的空间影像数据主要包括: 1)三维点云数据。 综合考虑计算机的计算能力和实际需求, 本实例共创建密集点云150 207 877个(中等质量, 点云密度为28 474个/m2), 经裁剪处理后最终得到点云139 641 247个(局部细节如图7b所示)。 2)三维网格模型。 完成三维点云数据计算后即可在此基础上生成探槽的三维网格模型, 本实例共创建三角面9 271 469个(局部细节如图7c)。 3)三维图像模型。 通常三维网格模型数据记录的地质信息不够精细, 无法满足探槽编录的要求, 在实际工作中可对三维网格模型数据进行纹理处理(局部细节如图7d, g)。 4)二维正射镶嵌图(图7e, f)。 二维镶嵌图与实际相片具有相同的分辨率(本实例的像素分辨率达到1.48mm/pix)。 这种高精度正射镶嵌图足以分辨mm级的纹理细节, 这将为探槽的精细化解译工作提供良好的技术支持。

3.2 成果分析

表2列出了16个数据检验点(位置分布图 7a)的近景摄影测量值与现场RTK测量值的残差数据。 分析残差数据可以看出, 摄影测量数据的精度达cm级, 与天宝R8 GNSS的动态测量精度(水平: ± 10mm+1ppm, 垂直: ± 20mm+1ppm)处于同一水平。 可见, 摄影测量成果数据的精度高, 完全能满足滑坡探槽地质信息记录要求。

表2 摄影测量成果的精度 Table2 The accuracy of close-range photogrammetry

图 7 空间影像数据对比图
a 三维空间数据; b 点云数据; c 网格模型; d 图像模型; e 正射镶嵌图; f 图像模型细节; g 正射镶嵌图细节Fig. 7 The comparison of 3D image data.

4 成果应用

利用近景摄影测量获取的探槽三维影像数据为记录探槽地质信息提供了一种全新的思路。 其不仅可以实现传统的二维平面应用任务, 同时还具有三维空间应用价值, 如绘制探槽解译图和计算结构面产状等。

4.1 探槽剖面解译

探槽解译图能够直观表述探槽侧壁的地质信息, 因此准确绘制解译图对解析探槽地质现象尤为重要。 由于本实例探槽的平面布置较为复杂, 依据探槽的平面形状将其分割为12段(图7a), 并分别对每段探槽进行计算和解译工作(其中第3段的计算解译结果如图 8 所示)。 正射镶嵌图比图像模型具有更高的分辨率(图7f, g), 因此在对探槽剖面进行解译的过程中应选用正射镶嵌图作为基础影像。 探槽剖面解译工作的流程包括正射镶嵌图创建、 镶嵌图矢量化和地质解译图绘制。

图 8 探槽剖面的正射镶嵌图及解译
a 正射镶嵌图; b 矢量图; c 剖面解译图Fig. 8 The orthomosaic and interpretation of trench profiles.

能否构建一个正确的投影面是正射镶嵌图是否准确的重要条件, 若投影面的方向不正确将导致创建的正射镶嵌图产生较大的形变。 因此, 首先应在需要投影的探槽三维模型表面标记3个点(如图8a中的K1、 K2和K3), 这些点形成的平面应平行于探槽表面, 且能够构成一个水平轴和垂直轴, 并以此作为投影平面创建正射镶嵌图。

创建好二维镶嵌图后即可将其导入到绘图软件(如AutoCAD)进行矢量化处理(图8b), 且矢量化后的图件已具有准确的平面位置信息。 结合现场记录的岩体信息或采集的岩土样品试验数据, 对矢量图进行编录和填图处理即可完成探槽剖面的解译工作(图8c)。

4.2 结构面产状数据的提取

在工程地质分析过程中, 岩体结构面产状的统计分析是极为重要的基础地质工作(秦胜伍等, 2016)。 传统结构面产状测量的主要工具为地质罗盘, 但由于人工读取地质罗盘的误差较大, 且使用地质罗盘测量产状需要准确揭露地层界面, 有时因为野外环境的限制而无法开展相关工作。 本文在三维模型的基础上探索一种更加便利的产状数据的提取方法, 即在结构面的出露迹线上选取3个不共线的点构成一个计算平面, 该平面的产状即代表了相应位置结构面的空间位置信息。

设在出露迹线上选取的任意3个不共线点的坐标分别为$p_{1}(x_{1}, y_{1}, z_{1})$、 $p_{2}(x_{2}, y_{2}, z_{2})$和$p_{3}(x_{3}, y_{3}, z_{3})$, 过这3个点的平面方程可表述为

xyz1x1y1z11x2y2z21x3y3z31=0(1)

平面方程的一般式为Ax+By+Cz+D=0, 其中:

A=y1z11y2z21y3z31, B=-x1z11x2z21x3z31, C=x1y11x2y21x3y31, D=x1y1z1x2y2z2x3y3z3

该平面的法向量为n=(A, B, C)。 因此, 平面上侧的法向量可表述为m=(i, j, 1), 其中i=A/C, j=B/C, 由法向量向xy平面投影可得到向量l=(i, j)。 该向量与xy平面的夹角与倾角β 互为余角, 该向量的方位角即为计算平面的倾向。 根据象限角和方位角的换算关系, 可得到所量测结构面的倾向α 。

β=π2-arctan1i2+j2(2)

α=arctanij, i> 0, j> 0π-arctanij, i> 0, j< 0π+arctanij, i< 0, j< 02π-arctanij, i< 0, j> 0(3)

为验证本方法的有效性, 本文根据结构面出露的迹线提取了9个位置的产状数据, 其中6处利用地质罗盘进行了现场复核, 结果显示两者的吻合度较好(表3)。 另外, 通过三维模型数据提取结构面产状数据后, 研究者可对地质现象进行更加深入的研究分析。 例如, 以结构面的倾向作为受力方向的指示器, 在此基础上推测滑体的运动方向。 在本研究中, 依据提取的9个结构面的产状数据绘制出其赤平投影(图 9), 借此可分析相应位置的受力方向及局部滑体的运动方向。

表3 三维模型提取法与罗盘测量法的产状数据比较 Table3 Occurrences of 3D model vs. occurrences of geological compass

图 9 庙店4#滑坡的运动方向与结构面产状的关系图Fig. 9 The relationship between direction of Miaodian 4# landslide and occurrence.

5 讨论

探槽地质信息编录是地质工作者需要承担的重要野外工作任务, 但该工作存在一定的危险性, 常常由于各种原因导致人员伤亡。 例如: 2016年7月8日, 某博士在甘肃临夏州进行滑坡探槽地质调查工作中, 因探槽侧壁突然崩塌被落石砸中死亡; 2019年7月23日, 2名地质勘探人员在广西武宣县二塘镇水村进行探槽野外作业时发生塌方, 其中一人当场死亡。 为了防止地质工作者的野外伤亡事件, 除需加强野外规范操作以外, 还需要积极采用更为先进的技术手段来解决相关问题。

5.1 探槽编录方法的比较

素描法是最原始的探槽记录方法, 能较好地将探槽的地质现象记载下来, 可在现场及时解释疑难地质现象。 但该方法的主要缺点有: 准确性较差, 在绘制过程中不可避免需要用直线代替, 如需提高绘制精度, 则必将大大增加绘图的工作量, 且在实际绘制过程中需要一定的地质工作经验, 有时难免会带有部分主观解释内容; 现场工作量大, 图纸上的所有工作都集中于在现场完成, 如果探槽坑壁的稳定性差, 将给地质工作者带来严重的安全隐患。

照片拼接技术较为简单实用, 能克服素描法的部分缺点, 是目前野外地质调查中采用的主要方法。 但该方法常常需要在坑壁布设网格, 增加坑内作业的时间; 同时, 由于摄影技术(小孔成像)本身的限制, 照片的变形和扭曲问题很难克服, 这些都将影响地质信息的准确性。

三维激光扫描技术是一种较为成熟的技术手段, 已有部分学者将其应用于探槽的地质信息获取工作中(郑文俊等, 2015; Han et al., 2017; Lin et al., 2017)。 为了验证2种三维空间影像技术的优劣, 作者利用加拿大Optech公司生产的ILRIS 3D三维激光扫描仪采集了探槽的点云数据。 由于现场地形和视角的限制, 为了获取较理想(点云分布均匀)的三维点云数据, 在现场共布置了32个扫描机位(图10a), 经后期拼接和裁剪处理获得了探槽的点云融合数据(图10b)。 通过分析图10b和10c所示的某像控点的局部细节可以发现, 近景摄影测量方法获取的三维图像数据(图10c)不仅颜色信息更丰富, 而且探槽的纹理信息也更精细。 同时, 由于距离和角度的关系, 三维激光扫描结果在点云的拼接部位具有明显的拼接痕迹(图10b), 影响对地质信息的判断。 此外, 三维激光扫描仪的最小测量距离一般大于探槽的宽度, 无法获取探槽底部的点云数据(图10b)。 以上这些问题若无法得到妥善解决, 将大大限制三维激光扫描仪在该领域的使用。

图 10 三维激光扫描与摄影测量数据的比较
a 三维激光扫描的原始数据(不同机位以不同的颜色区分); b 三维激光扫描点云融合数据; c 摄影测量三维图像数据Fig. 10 Data of terrestrial laser scanner vs. data of close-range photogrammetry.

5.2 近景摄影测量技术的不足

近景摄影技术获取的探槽空间影像数据仅包含地质体的空间位置信息和颜色属性, 无法获得地质体的岩体属性(如土壤类别、 固结度和含水率等)。 这些地质信息仍然需要相关人员通过野外识别或土体取样并进行室内试验后才可获取。

5.3 探槽地质信息的三维应用

采用近景摄影测量技术除了可减少素描法和照片拼接技术所需的费时费力的野外地质工作外, 还可轻松获取准确丰富的探槽纹理信息(这对于探槽的地质信息编录尤为重要), 且获取的数据不仅具有平面位置信息, 还包含目标的三维空间信息。 借助这些地质信息, 我们对相关地质现象的理解也会更加深刻。 以泾阳南塬庙店4#号滑坡为例: 1)滑坡堆积体的前缘具有明显的逆冲推覆构造特征, 且内部的小型剪切断层及褶皱呈现出明显的规律性排列(图 8), 这指示着滑坡过程应以低扰动性的快速剪切运动为主; 2)滑坡堆积体底部与下卧层之间的滑脱面指示了滑坡的滑动面的位置(重要的地质证据), 有利于准确选取滑动面开展针对性的土力学实验; 3)滑坡运动过程分为启动加速阶段的快速崩解和拉张运动、 减速堆积阶段的挤压运动, 结合提取的结构面产状数据, 滑坡表现为堆积区中后部的快速挤压运动和堆积区前缘的扩离运动(图 9)。 若在前述问题的基础上开展更为深入的研究工作, 将有利于更好地揭示滑坡的运动机理。 因此, 利用近景摄影测量技术获取滑坡探槽的空间影像数据在探槽地质信息编录以及三维空间应用方面具有显著的应用优势, 能帮助研究者们更好地分析和解决地质问题, 值得推广应用。

6 结论

(1)近景摄影测量技术可快速准确地获取滑坡探槽的点云、 三维网格模型、 三维图像模型和正射镶嵌图等空间影像数据, 且获取的数据成果精度较高, 是一种先进的探槽地质信息记录方法。

(2)相较于传统手段, 近景摄影测量技术不仅提高了野外工作效率和安全性, 还能够获取探槽的三维地质信息, 与三维激光扫描数据相比保留了更丰富的纹理细节, 具有显著的应用优势。

(3)基于近景摄影测量数据成果不仅能实现传统的二维应用功能, 还可完成相应的三维应用, 并可通过此结果对地质体开展丰富的三维空间分析, 帮助地质工作者们解决相关科学问题。 该技术可作为一种常规野外工作方法, 值得大力推广应用。

参考文献
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