岩体结构面提取的现状和方法分类

在岩体特性的研究中，结构面特征属性的分析具有相当重要的地位，某种程度上决定了岩体的力学状态和行为（Sithole et al，2012）。由于结构面存在着不规律性及随机性，因而岩体结构大多呈现出不完整和多样性特点。所以，有关岩体开挖和采矿爆破的工作都会关注岩体的力学行为及岩体呈现出的多样性，需要对其结构面的不规律性和随机性进行透彻的研究，分析其排列、组合及分布等在岩体中呈现出的不同情况，获取岩体结构的几何信息，以此判断其稳定性。通过计算、拟合、分析得到的产状、几何形态和粗糙度等岩体结构特性是提前设计岩体加固方案，防止岩体失稳的必要性基础工作。

但是，如何将岩体的结构面进行定性并且定量的描述，工作较为复杂，具有一定难度。自20世纪60年代以来，国内外专家、学者为寻找出精准、高效、安全的测量方法，采用各种不同设备，从野外地质编录、摄影测量、激光扫描、概率统计等不同角度作了大量实验研究（Shanely et al，1976；罗国煜等，1992；周叔举等，1984；黄润秋等，1991；高永海等，1996；蒋建平等，2000；王凤艳，2006）。计算机技术、工程地质技术、测绘技术是结构面特征提取方法发展的坚实基础。目前主要采用以下两类技术方法对结构面信息进行提取。

第一类是传统野外接触测量的方法：

大多数研究者根据岩体的结构特性和力学特征对其进行分类，对它们表现出来的内在特性和结构参数进行评估，以此来评价岩体的整体质量和安全性（Pantelidis，2009）。事实上，岩体结构面的分类方法都需要结构面参数的精确信息（Romana，1985；Hack et al，2003；Tomás et al，2007）。这些信息往往需要用罗盘等工具通过大量的野外测量获取（Lato et al，2013）（图1-10）。

图1-10　野外罗盘测量

除此之外，还可以采用测线法和窗口取样法（区域绘制、断裂带绘制）（Call et al，1978）。在测线法中，需要在岩石表面将测线垂直于结构面的走向进行布置，以达到降低误差的目的（图1-11）。窗口取样法是在一个窗口区域内取平均的结构面信息作为样本，例如区域内结构面子集的数量，平均的倾向、大小、粗糙程度等。由于每个区域单位测量的数据少于测线法，窗口法的测量速度更快，而且在测量露天采矿区及大面积岩石滑坡等大型岩体时效率更高（Lato et al，2013）。

图1-11　人工测线法

此类方法由于简单易行，现在仍被一些地质编录人员作为岩体结构面信息获取的常用方法之一。但是其存在的不足也较为明显：

（1）由于取样困难造成的数据错误，包括取样方法的选择、人为操作的偏差、设备误差、测量误差和估计误差等（刘子侠，2009）。

（2）安全隐患较大，野外测量的工作大多在滑坡区域、采矿场、隧洞、采石场、高速公路边等地段，受到塌方、滑坡、有害气的威胁（图1-12）。

图1-12　采矿区人工采集

（3）有时不能或较为困难直接接触岩体及其结构面，因而不能获得直接而准确的裂隙信息。

（4）传统手动测量方法耗时、费力、效率低、成本高，不能提供稳定性分析等进一步的研究成果（Lato et al，2013）。

（5）野外采集条件恶劣，环境影响因素多，人工采集的工作量巨大。结构面信息的全面性、准确性得不到保证（刘子侠，2009）。

第二类是非接触的测量方法：

传统的岩体特征提取方法和岩体监测方法尽管是可行的，但是利用地面Lidar扫描测量和摄影测量等非接触测量的技术自动得到裸露在外的岩体数据已成为目前较为普遍的数据获取手段（Slob et al，2005）（图1-13）。非接触测量方法是地质结构信息化的发展趋势和方向，它可以更加快速、全面、安全、高效地获取岩体结构面的信息（Lato et al，2013）。

非接触的测量方法可以分为以下几类（Lato et al，2013）：

（1）数字摄影测量的方法（高分辨率及超高数码相机、立体摄影测量）。

（2）多光谱和高光谱成像的方法。(www.xing528.com)

（3）以合成孔径雷达为基础的干涉测量方法（卫星InSar和地面InSar）。

（4）基于三维激光扫描的方法（地面Lidar、机载Lidar、移动Lidar）。

对比总结众多学者的研究成果可以发现（Feng et al，2004；Bonnaffe et al，2007；Sturzenegger et al，2009；Fekete et al，2010；Lato et al，2010；Lato et al，2012），与传统人工接触岩体表面进行测量的方法相比，对非接触测量数据进行分析并提取其特征信息从而得到岩体的结构面具有明显的优势：

（1）测量设备一般放置于离岩体百米开外甚至更远的安全区域，减少了现场施工或开挖对测量的环境影响，同时提高作业人员的安全性。

（2）无论采用何种非接触的测量设备和方法，都可以测到岩体出露面较为全面的信息，采集到完整的数据，数据覆盖面大。

（3）数据采集工作由仪器完成，减少了人工干预的步骤，消除了人为误差和估计误差，数据更直观，精度更高。

（4）野外工作时间大大减少，速度和效率比传统方法高。

（5）数据更有利于长期保存。

其中，主要的非接触测量技术是摄影测量和地面Lidar测量，它们被认为是岩体特征提取领域更加安全、高效、可靠的测量方法（Derron et al，2010）。Lato等（2013）认为这是值得期盼的革新，这些技术被证明是有效和可用的，研究人员可以继续专注于深入研究和改进此类技术的发展和应用。

图1-13　非接触测量

（a）地面Lidar扫描测量；（b）摄影测量

Ross-Brown等（1972）首次在解译岩体的走向时应用了照片信息，在工程地质领域具有开创性的意义。针对传统监测手段多为点监测的不足，Baratin等（1990）应用相机对高陡边坡进行拍照，以此来进行全面的图像监测实验，其获得的监测数据信息量更丰富、更全面，分析结果也更加准确，但是必须辅之以高精度全站仪进行图像标定的测量。进入20世纪，使用数码相片进行地质编录的研究也广泛应用到各类工程和实验中：国外的处理系统在获取岩体信息特征时，以普通数字相机为传感器，通过拍摄多张相片建立岩体的三维模型（3DImaging/PIT Mapping System）；李冬田等（2000）在广州蓄能电站和小浪底排沙洞工程中，通过拍摄数码相片，并配合其他测量手段，完成了岩体信息采集和编录的工作，由于当时相机存储设备容量有限，该方法的应用受到了一定的限制。李浩等（2008）通过对一个开挖边坡工程的实验分析和工程应用，开发了一个基于影像照片的地质信息采集和编录系统，实现了对工程地质采集和编录数据的照片获取、处理、管理和成果输出等。

然而，在采用摄影测量技术时，必须在区域内测量几个控制点以便建立合适的、正确的三维模型，同时用无棱镜全站仪测量结构面的倾向（Feng et al，2001）。使用摄影测量方法对岩体进行三维建模的处理过程较为耗时和繁琐，需要花费大量的野外时间进行拍照和手动雕绘结构面的轮廓线；此外，影像后期处理的过程也相当复杂，需要对初始影像进行一系列的几何校正、影像增强等精细的处理（Slob et al，2005；Riquelme et al，2014）。同时，由于摄影用的相机是极为精密的测量设备，影响其精度的因素较多，主要包括相机本身的分辨率大小，相机内、外方位元素的稳定性误差，相机的标定质量和影像获取的质量等（Ferrero et al，2009）。

在摄影测量的影像资料上进行数字建模和岩体特性分析虽然出错概率较低，但是从影像生成的模型数据表面提取数字化的结构面表面更多地依赖于操作人员的经验水平。必须用一种数学上自动的方法代替人工来对这些模型进行高效的统计分析，只有这样才能既提高结构面提取的精度，又降低时间和成本（Lato et al，2013）。

岩体评估领域的大量研究表明，地面Lidar测量已经从基本技术的简单应用（Kemeny et al，2003；Feng et al，2004；Bonnaffe et al，2007；Sturzenegger et al，2009a；Fekete et al，2010）逐渐发展并形成了一些自动化程度更高、速度更快的处理方法（Gigli et al，2011；Vögea et al，2013；Lato et al，2013；Riquelme et al，2015）。

Slob等（2002，2005）研究了基于三维激光扫描点云数据识别岩体结构面的方法，但应用其方法在获取了正确的结构面之余，还同时提取了一些不属于岩体结构面的平面信息。董秀军等（2006）应用PolyWorks软件进行了岩体结构面的识别研究。何秉顺等（2007）利用三角网划分的原理对点云数据进行三角划分处理，形成众多的三角网格，在此基础上通过法向量计算岩体结构面的产状，但由于点云数据量巨大，在缺少高效组织的情况下对点云数据进行三角剖分和统计计算需要花费很长的时间，还需要进一步优化和改进。施星波（2010）以点云影像的概念为出发点，将三维点云转化为二维影像，应用对象的颜色信息自动识别结构面。此方法在多数条件下可以得到较好的结果，但在对象表面颜色复杂和能见度较差时存在一定的误差。

与摄影测量的方法不同，从地面Lidar测量获取数据的过程更为简单，野外需要同时采集的参数信息更少，效率更高（Lato et al，2013）。现阶段的地面三维激光扫描仪在野外扫描测量的同时可以记录仪器设备的位置坐标，其他参数可以在数据后处理时进行重建，大大提高了现场数据采集的效率。Abellán等（2006）通过应用长距离地面三维激光扫描仪对山体滑坡进行监测的研究显示山体塌方的模拟计算需要用到易滑动山体的精确DEM以及结构面等地质信息，从而模拟滑坡体的运动轨迹。其实验证明，以地面Lidar测量的方法获得点云数据为数据源计算得到的结构面、体积以及生成的DEM模型都比以摄影测量方法获得的影像数据为数据源计算的结果精度要高，同时模拟出来的岩体塌方轨迹更符合真实情况。

Sturzenegger等（2009）采用罗盘测量、全站仪、地面Lidar测量和摄影测量4种方法对不同类型的岩体进行了提取结构面信息的精度对比实验，其实验结果表明对于不规则的岩体裂隙，传统的罗盘测量方法不能完全客观和完整地反映其真实性，而地面Lidar测量由于其数据覆盖面广等特点，可以真实反映远距离的，尤其是高处岩体的几何特征且分辨率高于全站仪和摄影测量的方法。Coggan等（2007）和Krosley等（2006）在各自的精度实验中也证明了在岩体结构面的倾角和倾向方面，地面Lidar测量的精度也高于其他的测量方法。因此，基于地面Lidar测量获得点云数据对复杂环境下的岩体进行结构面特征的提取研究具有较好的现实意义和工程价值。