应用数码相机进行隧洞施工地质编录

(本文系Email投稿,收稿日期:1998.2.27Email:jwu@hhu.edu.cn)本文转自《工程地质计算机应用》

李冬田 红 燕 李青禾 (河海大学,南京 210098)

金诚铭 蒋金虎 陈 华 (小浪底咨询公司)

　　随着隧洞施工技术的不断发展,隧洞断面日益增大,特别是在隧洞地质条件较复杂的情况下,采用传统的手工素描地质编录方法,已不能适应工作的需要。应用摄影方法代替手工素描进行隧洞施工地质编录,是当前隧洞工程地质编录的发展方向。用这种方法,可以科学、准确地记录开挖过程中揭露的地质现象,资料易于保存,使用方便。

　　河海大学曾于1994年,与广东省水电勘测设计院合作,在广州蓄能电站二期工程的施工中,研究试验过隧洞摄影施工地质编录方法,研制了外业用的相机定向装置,编制了内业用的计算机软件,制订了外业和内业的操作程序和方法。这项试验是成功的。但是由于当时数码相机尚未问世,传统摄影方法须有一个冲洗胶卷的过程,地质师不可能直接在像片上进行描述和注记,因此摄影的优越性还不能充分发挥。1997年,数码相机（CCD相机）开始在我国市场上推出,为摄影地质编录的发展提供了新的有利条件。

　　1997年7-8月间,小浪底水利枢纽工程建设咨询公司与河海大学合作,在正在施工的小浪底排沙洞中,开展了应用数码相机进行隧洞摄影施工地质编录的试验研究。该项研究从目前数码相机的特点和小浪底隧洞施工的特点出发,制定了新的隧洞摄影编录方案,改进了相机定向装置,编制了适用于新的摄影编录方案的软件,并扩展了原有软件的功能。试验证明,应用数码相机,可以在摄影后立即将图像输入计算机,经过简单的图像处理后,在现场打印出图像,供地质人员描述和注记。使隧洞摄影地质编录的外业和内业的工效都得到成倍的提高,将有利于隧洞摄影地质编录方法的推广。

　　隧洞摄影地质编录工作主要包括以下内容：（见图1）

　　1. 用数码相机（CCD相机）摄影记录开挖面的地质现象（包括几何的和光谱的信息）。

　　2. 地质观察与描述。

　　3. 确定开挖面（被描述对象）和相机定位。

　　4. 将摄影图像进行投影转换,以及解译和量测等内业工作；编制所需的地质图件。

　　在隧洞摄影地质编录中,摄影是关键手段,但它并不是工作的全部。工作的核心仍然是地质现象的观察和记录。依靠像片解译可以得到许多地质信息,主要是几何地质信息,如岩层厚度、断层带出露宽度、节理密度和延伸性等等。但更多关键的地质信息,包括岩性、结构面的产状、构造岩岩性等等,都需要通过地质观察来描述和记录。因此,摄影与地质描述必须紧密结合。将摄影图像在现场就打印出来,作为地质描述的素图,是摄影地质编录外业的基础。从这个角度来说,摄影只是代替了素描和大部分地质师不易做到的地质测量工作,这种替代是十分重要的,它可以大大提高地质测量的精度,并获得客观的、能在任何时候深入研究的图像记录。

　　摄影图像的内业图像处理,主要包括两方面：①用反差扩展和滤波等方法使图像上的地质内容更清晰；②按中心投影原理,将图像投影转换,使新图像与开挖面展开图相一致。即在新图像上（有效覆盖区内）各部分的比例尺一致。投影转换后的图像,实际上是地质编录图的影像图。这对地质编录图是十分重要的。应用这种影像图,可使地质编录图的精度和客观性发生根本性的变化。

　　由于硐内摄影的每张像片覆盖面积只有几平方米至20多平方米,最多有效覆盖面积仅几十平方米（与洞的直径有关）,像片的数量很大；又因为现代开挖技术使得开挖面的起伏一般不大,所以隧洞摄影地质测量一般宜采用单像片覆盖的方法,即一般不作立体摄影和立体量测,只有在地质条件复杂或塌方的地方,可以拍摄立体图像,以便进行详细的立体观察。

　　为进行准确的投影转换,快速而准确的测量定位是必须的。在洞内,全站仪是快速定位的有效仪器。全站仪定位,是摄影地质编录的重要工作环节。

　　与隧洞摄影地质编录有关的工作还有图像地质解译、计算机成图等,不在此赘述。

　　总观隧洞摄影地质编录的意义在于：

　　1. 及时而快速地获得开挖面的像片,作为洞内地质现象的科学、客观的记录。

　　2. 用像片作为地质描述的素图,可以减少许多地质测量的工作。提高了地质测量的精度和工效,减轻了劳动强度,保证了安全。像片上记录了大量的地质信息,其中许多信息是过去的地质测量方法很难得到的,如断层带和影响带的构造细节、节理密度统计、节理排列的特征等等,丰富了地质编录的内容。

　　3. 用像片投影转换后的图像作为地质编录图的影像底图,使地质编录图不仅容易编制,而且准确生动,具有相当高的精度。

　　4. 用数码相机进行隧洞摄影地质编录,由于有计算机的支持,在外业中使摄影与地质描述密切结合,内业十分方便（省去了全部暗室工作）。而且各种资料,包括摄影的图像、中间处理图像、各种图件以及测量数据等等,都可全部储存于磁盘中,便于保存、管理和查询。

　　综上所述,应用“数码相机—全站仪—笔记本电脑—地质观察记录”的方法进行隧洞施工地质编录,可以使隧洞地质编录工作发生根本性的变化。它不仅可大大提高工效和精度,更重要的是它更科学、准确、客观地记录了地质现象,并使过去难以进行的某些编录工作变得方便易行。