长曝光摄影测量在隧道地质及空间测绘中的应用

陈 志

(中铁十二局集团第七工程有限公司 湖南长沙 410004)

1 前言

隧洞结构的洞身轮廓和地质测量对于隧洞施工具有非常重要的作用。目前洞身轮廓测量和地质测量是分离的，需在不同阶段开展。而地质测绘技术因受仪器设备、测量方法的限制，只能通过现场测定产状、拍摄局部围岩影像、手工绘制地质素描等方式开展，作业环境恶劣、主观因素大，无法对施工过程中地质进行准确详细的编录，因此大部分项目在施工过程中存在“重轮廓、轻地质”的不足。倾斜摄影测量技术能同时兼顾洞身地质信息记录的同时实现洞身轮廓的测量，其只需在不同视角拍摄若干张清晰的洞身影像，即可生成洞身的空间模型。该技术对确保施工安全、提高施工效率、将洞身轮廓与地质进行有效关联，具有重要意义。

2 技术原理

2.1 倾斜摄影技术原理

倾斜摄影测量技术主要解决利用既有的多视角影像重建拍摄对象的空间模型问题，其采用多像空间前方交会的方法建立数学模型，结合特定控制坐标点，从而解算影像上特征点空间坐标数值。

以两幅不同角度成像包含若干同名点的影像为例，倾斜摄影测量是利用像对同名像点的立体观察，能得到两条同名射线在空间的方向，这两条射线在空间一定相交，其相交处必然是地面点的空间位置。在未知点的两个联立方程组中有3个未知数，即地面坐标X、Y、Z，由未知点在两幅影像上的像点坐标x1、y1，x2、y2可列出4个方程，从而求解3个未知数。

如图1所示，模型点相对于左方投影中心为原点的模型坐标为:

图1 空间前方交会示意

基于以上原理，通过Agisoft Metashape等数据后处理软件，进行同名点识别对齐、空间三角网计算与平差等过程对多张影像的每个像素进行分析，即可得到洞身轮廓的点云和DEM模型。通过将影像的RGB值映射到点云数据上，还可得到包含影像纹理、色彩数据的全彩空间模型。

2.2 长曝光技术原理

隧道内作业环境复杂、光照微弱。长曝光摄影技术是在微弱光照环境下，将相机快门一直保持开启状态(如单反相机中的B门模式)，物体表面反射的光线会不断在成像元件上进行累计，只要相机和被拍摄对象之间保持相对位置固定(采用三脚架稳定相机)、快门开启时间足够长(曝光时间)，便能在低照度环境下获得明亮清晰、光照均匀的成像。

3 技术实施要点

3.1 相机视场标定及机位估算

隧道内进行拍摄时光照极低，无法通过取景器观察到可拍摄的画面范围，相机距离掌子面过近容易使图像采集不完整，过远易使图像采集不清晰，相机视场距离掌子面应以刚好覆盖掌子面为宜。

为缩短准备时间，预先确定满足视场全覆盖的拍摄距离，需在洞外对相机镜头拍摄的范围进行测量，确定视场宽度和拍摄距离的关系，这个过程即为相机视场标定。图2给出了相机及对应镜头的视场标定过程及结果。

图2 相机及镜头视场标定

标定方法为:在墙上沿水平方向固定卷尺，架设相机于三脚架上并使其水平，相机视线垂直于墙面。将相机镜头拉至最短焦距(18 mm)、开至最大光圈(F3.5)，拍摄一张照片，测量并记录相机焦平面距墙面距离；改变相机至墙面距离，反复按此程序拍摄至少3次。数据处理时，放大照片，找到每张照片画幅两端尺面刻度差即为实测视场宽度，可得到至少三组拍摄距离与视场宽度的数据，采用最小二乘法拟合出最优直线，则直线方程即为拍摄距离与视场宽度的关系。由图2标定方程可知，相机距离掌子面距离D与相机视场宽度B关系为:B＝1.277 3·DB－90.121。若相机成像的高宽比为2∶3，则视场高度H与D的关系为:H＝2B/3＝0.851 5·DH－60.081。若掌子面最大宽度B＝8 m、H＝6 m按上述标定方程可知DB＝6.3 m，DH＝7.1 m，D取DB与DH的大值，即相机距离掌子面约需7.1 m，故拍摄时将相机架设于掌子面后方7.5 m处即可。

3.2 像控点和校核点标记及测量

相机采集的图像可在无外部参考坐标的情况下完成模型重建，该模型只能保证相对精度，无法指导实际施工，因此需要在前期于洞身上布设若干控制点，通过后期把图像上的点位刺入，将成果统一到施工所用坐标系中。其中像控点数量不得少于3个，并按隧道内情况加设备用点，防止点位丢失。另外需在洞身侧壁上随机测取若干复核点，用以校核成果精度和测站接驳。

像控点、备用点、校核点的标记及测量可在掌子面周边眼放样时一并完成。点位布设灵活，无严格要求，只需分布在掌子面范围且不共线即可。

3.3 机位布置

按上述确定的D值布置相机。相机按拍摄顺序，需先后按中央机位、左侧方机位、右侧方机位进行布置，必要时可自行增加机位补摄。每次布置应调整相机朝向，使各机位拍摄的图像能完全覆盖掌子面。各机位布置如图3所示。

图3 图像采集机位布置示意

3.4 图像采集范围复核

隧道内光照极低，无法通过相机取景器直接观察拍摄区域。为避免拍摄区域偏移导致掌子面图像采集不完整，在拍摄前需进行图像采集区域复核。复核掌子面左右区域是否进入相机视场时，采用聚光手电照射掌子面左(右)侧边界位置，掌子面会出现光斑，通过取景器可观察光斑位置。若光斑未出现在取景器中，微调云台，相机水平旋转，直至光斑进入取景器为止。上下区域复核方法与此相同。

3.5 图像采集频率

按以上影像采集方法，每隔一定循环进尺采集一次图像，每次采集图像张数约5～6张。考虑成像质量，每次采集的图像在保证模型精度前提下，可生成有效模型10 m，按常规全断面循环进尺2.5～3 m控制，最多3～4个循环进尺采集一次断面，必要时进行加密。

4 数字模型生产及应用

4.1 通用型点云数据建立

采用Agisoft PhotoScan软件对采集的原始图像进行处理，生产并输出通用型点云模型(LAS数据交换格式)，以供点云加工和数据分析，如图4所示。其中左图为空间位置点云，右图为映射了影像纹理的点云，下图为点云的空间正平面投影。

图4 影像生成的点云模型

4.2 开挖断面复核

利用Geomagic Studio软件生成的曲面模型，导入对照标准开挖断面模型，可获取实际开挖轮廓的超欠挖分布云图，如图5所示(为便于显示，本例截取了洞身测量成果的任意一段，段落长度632 mm)。洞身开挖轮廓上的不同颜色代表了不同的超欠挖值，从图5右下角统计表可知，最大超挖量227 mm(出现在拱顶)，最大欠挖量580 mm(因仰拱未开挖)，为洞身整体超欠挖情况提供了直观且准确参考。

图5 Geomagic Studio分析的洞身轮廓分布

利用以上成果，对照导入标准二次衬砌断面模型，可获取实际衬砌厚度分布云图，如图5b所示。原设计二次衬砌厚度300 mm，测量段落的设计浇筑方量3.56 m3/m×0.632 m＝2.25 m3。实测最大衬砌厚度500 mm(出现在拱顶)，最小衬砌厚度－289 mm(因仰拱未开挖故出现在仰拱部位)，统计显示测量段落内的二次衬砌线性平均厚度260 mm，按设计二次衬砌轮廓外扩260 mm，可计算测量段落浇筑方量3.05 m3/m×0.632 m＝1.93 m3。

4.3 爆破参数核查

基于Agisoft PhotoScan软件的点云模型对照片进行透视和倾斜修正后可得到可度量的掌子面正射投影。由于高分辨率相机清晰记录了掌子面炮孔布设位置，因此在后期可快速准确度量出当时炮眼布设数量和位置。掌子面正射影像炮眼布置如图6所示，基于该图像的周边炮眼参数分析如表1所示。

图6 掌子面正射影像的炮眼布置实测

表1 实测周边眼参数

从图6及表1可知，炮眼平均间距569 mm，变异系数0.466，变异系数偏大(周边眼间距变异系数以不超过0.3为宜)，炮眼间距分布均匀性欠佳。掌握了真实、定量的爆破参数，结合围岩情况，可准确地对下一循环钻爆施工参数进行调整。

4.4 地质核查及产状推定

利用Agisoft PhotoScan软件生产的掌子面正射影像，可对掌子面节理分布进行展绘和产状推定。掌子面节理信息记录于点云模型中，点云模型中的每一个点都携带坐标信息、对象颜色信息，因此模型所得的掌子面正射影像不仅包含了节理常规的平面信息(如颜色、与洞身位置关系)，亦包含了节理的空间位置信息(如节理产状)，可极为方便地推定掌子面前方地质信息。正射影像记录的掌子面节理信息如图7所示。利用各个里程的掌子面节理分布可生成空间地质模型及测算的节理产状，如图8所示。

图7 基于Agisoft PhotoScan正射影像的掌子面节理分布

图8 基于Civli 3D地质模型推定的节理空间分布

与常规的节理面不同，本技术是对逐个断面进行扫描而得到节理面分布，因此其为曲面，具备更多细节特征，可以直观准确地推定地层起伏情况。

5 结束语

本技术结合了倾斜摄影测量和长曝光摄影技术的优点，从地质、爆破参数、成洞轮廓三方面对钻爆施工进行过程控制和动态调整，并可通过掌子面正射影像准确获取每循环掌子面爆破参数，结合节理产状模型对掌子面围岩节理进行分析和前方产状推定，利用洞身轮廓表面模型评估爆破效果，对指导隧道施工、确保施工安全具有重要意义。