彭思元 李曉暉 袁 峰 彭 輝 孟繁榮 陳守文 豐效坤

(1.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.安徽省礦產(chǎn)資源與礦山環(huán)境工程技術(shù)研究中心,安徽 合肥 230009)

地質(zhì)體結(jié)構(gòu)面的幾何特征是地質(zhì)體穩(wěn)定性的重要依據(jù),其產(chǎn)狀量測是地質(zhì)調(diào)查中必不可缺的部分。傳統(tǒng)的羅盤接觸式測量方法面對高陡邊坡危險(xiǎn)巖體、露天礦邊坡時(shí),存在測量難度大、危險(xiǎn)性高等問題。無人機(jī)與三維虛擬化技術(shù)是解決上述問題的有效手段,該類方法具備靈活便捷、對環(huán)境要求低、實(shí)景模型還原真實(shí)環(huán)境性能好等特點(diǎn)[1-2]。有學(xué)者將無人機(jī)與三維虛擬化技術(shù)應(yīng)用于測繪大比例尺地形圖的繪制中,試驗(yàn)并證明,其成果精度滿足大比例尺地形圖的測繪質(zhì)量要求[3-5]。對于三維虛擬化構(gòu)造結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀測量方法,已有學(xué)者開展了相關(guān)研究。其中,構(gòu)造結(jié)構(gòu)面信息提取是三維虛擬化量測的關(guān)鍵。目前常用的方法包括借助三點(diǎn)法結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀原理,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面信息的快速獲取[6-9],或是采用多點(diǎn)擬合方式獲取結(jié)構(gòu)面,解決巖體結(jié)構(gòu)面粗糙導(dǎo)致測量誤差大的問題[10-15]。

近年來,Unity3D平臺在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛,其強(qiáng)大的三維可視化功能為相關(guān)應(yīng)用提供了重要支撐,使開發(fā)人員更加聚焦科學(xué)技術(shù)問題的解決。目前,已有學(xué)者以此平臺為依托開展了相關(guān)研究,如基于Unity3D平臺實(shí)現(xiàn)實(shí)景模型與BIM模型的集成發(fā)布[16];依托Unity3D平臺和三維建模軟件完成虛擬仿真系統(tǒng)搭建,實(shí)現(xiàn)了場景漫游、信息查詢、動態(tài)仿真演示等功能[17-18]。然而,以往研究重點(diǎn)多集中于應(yīng)用Unity3D平臺開展三維可視化工作與研究,對于進(jìn)一步應(yīng)用其開展三維地質(zhì)量測等方面的研究較為薄弱。

因此,本研究基于無人機(jī)獲取的三維實(shí)景模型,針對Unity3D平臺下的三維虛擬化產(chǎn)狀測量方法進(jìn)行研究,并開發(fā)了基于Unity3D的三維虛擬化構(gòu)造產(chǎn)狀量測軟件系統(tǒng),以期為地質(zhì)調(diào)查工作提供更加高效的方法和技術(shù)支持。

1 基于Unity3D的傾斜攝影三維模型構(gòu)造結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀測量方法

1.1 三維虛擬化構(gòu)造產(chǎn)狀測量方法

巖體產(chǎn)狀量測是地質(zhì)調(diào)查中不可或缺的工作,在實(shí)際測量時(shí),由于走向在量測時(shí)存在不唯一性,故通常以傾向和傾角確定構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。面對高陡邊坡、巖性不穩(wěn)定等人力無法到達(dá)的區(qū)域,利用無人機(jī)與三維虛擬化等技術(shù)能夠通過影像數(shù)據(jù)空三重組,借助不規(guī)則三角網(wǎng)完成對模型形態(tài)的擬合搭建與貼圖(圖1(a)),實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)實(shí)景模型構(gòu)建,使得三維虛擬化產(chǎn)狀測量成為可能。

圖1 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀幾何關(guān)系Fig.1 Geometric relationship of structural planes

因此,本研究基于三維實(shí)景模型與不規(guī)則三角網(wǎng)的特點(diǎn),對Unity3D平臺下的產(chǎn)狀測量算法進(jìn)行討論,實(shí)現(xiàn)對三維實(shí)景模型的虛擬化量測功能。借助Unity3D平臺提供的射線Ray工具,由攝像機(jī)通過射線發(fā)射至模型的目標(biāo)剖面,利用碰撞器Collider組件,確定接觸面所在的三角面(圖1(b)),結(jié)合相關(guān)函數(shù)求得該三角面上3個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo),并以此作為結(jié)構(gòu)面,計(jì)算該平面的法向量,求得其傾向和傾角。

設(shè)三點(diǎn)坐標(biāo)分別為PA(XA,YA,ZA),PB(XB,YB,ZB),PC(XC,YC,ZC),該結(jié)構(gòu)面傾向?yàn)閍,傾角為b,則結(jié)構(gòu)面P的法向量n=(Xn,Yn,Zn),結(jié)構(gòu)面上不共線的兩個(gè)向量CB=(XB-XC,YB-YC,ZB-ZC),CA=(XA-XC,YA-YC,ZA-ZC)。由于平面法向量與平面上任意向量互相垂直,故法向量n與向量CB的向量積為0,法向量n與向量CA的向量積也為0,可通過下式求得結(jié)構(gòu)面P的法向量n:

法向量n在水平方向的投影ny=(Xn,0,Zn)與正北方向上單位向量N=(0,0,1)的夾角即為傾向a,公式為

法向量n與向量ny的夾角即為傾角b,公式為

1.2 多點(diǎn)采樣策略與誤差對比分析

在實(shí)際量測時(shí),由于出露的地層剖面由不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)成,通過以上方法只能獲取構(gòu)造結(jié)構(gòu)面上所選擇的某個(gè)目標(biāo)三角面的產(chǎn)狀,而構(gòu)成結(jié)構(gòu)面的不同三角面的傾向與傾角之間存在差異,直接測量某個(gè)三角面并以此作為剖面的產(chǎn)狀,則會導(dǎo)致量測時(shí)出現(xiàn)較大的隨機(jī)誤差,尤其對于狹長形裸露結(jié)構(gòu)面或有一定粗糙度的結(jié)構(gòu)面,測量結(jié)果誤差較大。為解決單點(diǎn)量測誤差突出的問題,本研究嘗試采用多點(diǎn)采樣法,以期降低解算誤差。即對同一個(gè)剖面上多個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行量測,分別采取單點(diǎn)位、4點(diǎn)位和9點(diǎn)位量測(圖2)在Unity3D平臺上,多點(diǎn)采樣法即自相機(jī)處向模型表面指定區(qū)域發(fā)射多條射線,分別計(jì)算與模型碰撞的點(diǎn)位所在的空間三角面的產(chǎn)狀信息,再依次采取均值、去極值后求均值、求中位數(shù)的方法對量測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖2 多點(diǎn)量測點(diǎn)位分布Fig.2 Point distribution for multi-point measurement

本研究通過詳細(xì)對比上述各采樣方法的數(shù)值差異,獲取最適宜的采樣與計(jì)算方法,并將其應(yīng)用于構(gòu)造結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀三維虛擬化量測算法與軟件開發(fā)工作中。

本研究選取某地層剖面(圖3)開展分析研究,實(shí)際測量該剖面的產(chǎn)狀為131°∠81°,通過在該結(jié)構(gòu)面上選取10個(gè)均勻分布的點(diǎn)位并對各點(diǎn)位分別采取單點(diǎn)位、4點(diǎn)位和9點(diǎn)位進(jìn)行產(chǎn)狀量測,結(jié)果見圖4。

圖3 結(jié)構(gòu)面多點(diǎn)量測點(diǎn)位Fig.3 Multi-point measurement points on structural plane

由圖4可知:單點(diǎn)量測在選點(diǎn)時(shí)可能存在將射線發(fā)射在粗糙剖面的凸起或拗陷位置,所測結(jié)果與實(shí)地羅盤接觸式量測結(jié)果誤差較大,通過多點(diǎn)量測并結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析梳理,可有效地減少誤差,從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)量測的效果。其中,4點(diǎn)量測和9點(diǎn)量測較單點(diǎn)量測優(yōu)勢顯著,且兩種方法所測結(jié)果誤差相近。

圖4 多點(diǎn)量測產(chǎn)狀均值分布Fig.4 Mean distribution of attitude measured by multi-point method

為實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)健和準(zhǔn)確的測量效果,本研究進(jìn)一步對比分析了多種消除極值的計(jì)算方法,包含對多個(gè)點(diǎn)位分別采取求均值、中位數(shù)、去極值后求均值與去四分位數(shù)后求均值4種方案。其中,由于4點(diǎn)采樣法去極值和去四分位數(shù)后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相同,故只采取了求均值和求中位數(shù)的統(tǒng)計(jì)手段。通過計(jì)算各組虛擬化產(chǎn)狀測量結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)狀測量結(jié)果的方差后可知,4點(diǎn)位求中位數(shù)和9點(diǎn)位去四分位數(shù)后求均值的方法對于消除誤差效果較好,將該方法應(yīng)用于地質(zhì)產(chǎn)狀量測可確保產(chǎn)狀測量結(jié)果的穩(wěn)定性。

此外,進(jìn)一步對比4點(diǎn)位和9點(diǎn)位量測結(jié)果,如圖5所示。兩種方法的測量結(jié)果均滿足地質(zhì)量測要求,且兩種方法求均值后誤差范圍相近。原因在于,9點(diǎn)量測方法在測量點(diǎn)位增多的同時(shí),極端值出現(xiàn)概率隨之增多,故直接對測量點(diǎn)求平均后,9點(diǎn)位的優(yōu)勢并不顯著。但就全局而言,9點(diǎn)位量測可獲取結(jié)構(gòu)面上更多的點(diǎn)位信息,通過對獲取的9組傾向、傾角值通過去四分位數(shù)消除顯著異常值后求均值,使得量測結(jié)果相較于4點(diǎn)位法更接近于實(shí)測值。故本研究在三維虛擬化量測軟件系統(tǒng)開發(fā)過程中采取該方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面量測。

圖5 多點(diǎn)量測產(chǎn)狀分析統(tǒng)計(jì)Fig.5 Occurrence analysis and statistics of multi-point measurement

2 三維虛擬化構(gòu)造產(chǎn)狀測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 平臺總體框架

本研究在了解分析地質(zhì)測量人員數(shù)據(jù)采集目標(biāo)和工作流程的基礎(chǔ)上,對三維虛擬化構(gòu)造產(chǎn)狀量測系統(tǒng)進(jìn)行了深入的需求分析,設(shè)計(jì)了三維場景可視化模塊、三維構(gòu)造產(chǎn)狀量測模塊、三維構(gòu)造解譯與制圖模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊,實(shí)現(xiàn)模型動態(tài)導(dǎo)入、三維場景瀏覽、空間量測、點(diǎn)位編錄、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀量測、構(gòu)造解譯圖件自動繪制等功能,以滿足在三維虛擬化環(huán)境下開展野外地質(zhì)調(diào)查工作的實(shí)際需求。研究工作利用Unity3D平臺提供的空間三維網(wǎng)格模型可視化工具,結(jié)合相機(jī)、射線、碰撞器等組件,應(yīng)用相關(guān)三維數(shù)學(xué)函數(shù)完成了系統(tǒng)開發(fā)。開發(fā)框架充分發(fā)揮了U-nity3D平臺的三維虛擬化性能,使開發(fā)人員能夠更加聚焦目標(biāo)用戶需求的實(shí)現(xiàn),顯著提高了開發(fā)效率。

2.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究三維虛擬化構(gòu)造產(chǎn)狀測量系統(tǒng)采用Unity3D作為三維虛擬化開發(fā)平臺,結(jié)合C#語言,采用MySQL作為數(shù)據(jù)的組織和管理工具,系統(tǒng)模塊與功能劃分如圖6所示。

圖6 三維虛擬化構(gòu)造產(chǎn)狀測量系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.6 Functional architecture of 3D virtual structure occurrence measurement system

(1)三維場景可視化模塊。三維場景可視化模塊支持三維實(shí)景模型的動態(tài)導(dǎo)入。通過設(shè)置相機(jī)坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度的設(shè)置,實(shí)現(xiàn)三維全景漫游功能。同時(shí)設(shè)置了小地圖導(dǎo)航和三軸坐標(biāo)同步的功能,可實(shí)現(xiàn)模型三維空間展示、測點(diǎn)地理位置信息獲取與方位坐標(biāo)實(shí)時(shí)觀測等功能。

(2)三維構(gòu)造產(chǎn)狀量測模塊。三維構(gòu)造產(chǎn)狀量測模塊是軟件系統(tǒng)的核心,模塊界面如圖7所示。模塊能夠?qū)崟r(shí)記錄用戶目標(biāo)采集的產(chǎn)狀測量點(diǎn)位信息,并基于1.1節(jié)所述產(chǎn)狀量測方法,實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)面、線性構(gòu)造產(chǎn)狀的三維虛擬化量測。同時(shí)模塊還具有空間距離、面積量測等輔助測量功能,幫助用戶獲取更全面的測量信息。

圖7 三維構(gòu)造產(chǎn)狀量測模塊界面Fig.7 Interface of the measurement module of 3D structure occurrence

(3)三維構(gòu)造解譯與制圖模塊。三維構(gòu)造解譯與制圖模塊包括節(jié)理玫瑰花圖、赤平投影圖等構(gòu)造解譯圖件自動繪制,以及地質(zhì)界線和剖面圖的人機(jī)交互繪制等功能。其中,節(jié)理產(chǎn)狀玫瑰花圖與赤平投影圖等構(gòu)造解譯圖件繪制功能基于Vectrosity繪圖插件開發(fā),能夠自動獲取空間量測模塊計(jì)算的傾向和傾角等信息,并自動繪制相關(guān)圖件,如圖8所示。

圖8 三維構(gòu)造解譯與制圖模塊界面Fig.8 Interface of 3D structure interpretation and mapping module

(4)數(shù)據(jù)庫管理模塊。數(shù)據(jù)庫管理模塊主要用于對影像數(shù)據(jù)和文字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存儲和讀取,文字?jǐn)?shù)據(jù)包括觀測信息、空間量測信息等,影像數(shù)據(jù)包括三維模型數(shù)據(jù)、地質(zhì)解譯圖件、標(biāo)本影像圖件等。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 研究區(qū)概況

本研究以安徽省巢湖市北郊平頂山南側(cè)剖面(圖9)為例,對所開發(fā)的三維虛擬化構(gòu)造產(chǎn)狀量測系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用和性能檢驗(yàn)。該處邊坡基巖出露,結(jié)構(gòu)面發(fā)育顯著,剖面東西長約120m,垂直高度達(dá)80m,坡度60°～90°。剖面縱深呈上陡下緩形態(tài),邊坡陡峭,巖性以灰?guī)r為主,部分地層為灰?guī)r與鈣質(zhì)泥巖互層,巖層裸露,極易風(fēng)化剝落,僅能在坡腳進(jìn)行人工測量工作,難以對上層巖體結(jié)構(gòu)面信息進(jìn)行接觸式量測。

圖9 研究區(qū)測點(diǎn)分布Fig.9 Distribution of the monitoring points in the study area

3.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集情況

(1)影像數(shù)據(jù)。本研究采用大疆精靈Phantom4 Pro V2.0輕型無人機(jī),對區(qū)域進(jìn)行傾斜影像獲取。通過3個(gè)架次、30 min航飛,獲取影像561幅。飛行質(zhì)量方面,航向重疊率和旁向重疊率均達(dá)到90%以上。因剖面呈上陡下緩形態(tài),故在獲取影像信息時(shí)將航線規(guī)劃為兩組,行高設(shè)置為60m時(shí),調(diào)節(jié)云臺俯角為-30°,獲取山體影像;行高設(shè)置為50 m時(shí),調(diào)節(jié)云臺俯角為-50°,獲取坡腳影像數(shù)據(jù)。

(2)實(shí)測數(shù)據(jù)。在剖面中選取9組人工可達(dá)的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面,確定結(jié)構(gòu)面位置并采用地質(zhì)羅盤對構(gòu)造結(jié)構(gòu)面進(jìn)行產(chǎn)狀量測。

3.3 誤差分析與方法驗(yàn)證

通過9條羅盤測量的產(chǎn)狀(表1)與本研究采用的多點(diǎn)采樣法計(jì)算所得的產(chǎn)狀(表2)對比發(fā)現(xiàn),傾向平均絕對誤差為3.7°,傾角平均絕對誤差為4.4°。應(yīng)用SPSS軟件對實(shí)測數(shù)據(jù)與通過該量測系統(tǒng)完成的同一結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),兩組數(shù)據(jù)的平均值差異均在5°以內(nèi)。在平均值的95%置信區(qū)間內(nèi),實(shí)測結(jié)果與虛擬量測結(jié)果的上下限誤差均小于6°,實(shí)測結(jié)果和虛擬量測結(jié)果的極值之差基本保持一致。

表1 實(shí)測與虛擬量測結(jié)果對比Table 1 Comparison of the measured results and virtual measurement results (°)

表2 描述統(tǒng)計(jì)量Table 2 Descriptive statistics

為分析野外實(shí)測與虛擬化量測產(chǎn)狀結(jié)果的顯著性差異,分析虛擬化量測結(jié)果的可信度,本研究引入了統(tǒng)計(jì)學(xué)上的多重比較方法:Duncan多重比較法和最小顯著差數(shù)法(LSD)[19-21],結(jié)果見表3和表 4。Duncan平均數(shù)多重比較檢驗(yàn)表(表3)顯示,當(dāng)顯著性水平為0.05時(shí),實(shí)測與虛擬量測的傾向和傾角均無顯著性差異性。LSD多重比較結(jié)果(表4)顯示:野外實(shí)測與虛擬化量測的傾向和傾角的平均差異分別為-1.11和4.02,中方差分析的t檢驗(yàn)顯著性,P1=0.966＞α=0.05,P2=0.878＞α=0.05,同樣也表明野外實(shí)測產(chǎn)狀與虛擬量測產(chǎn)狀之間不具備顯著性差異。

表3 Duncan法多重比較結(jié)果Table 3 Multiple comparison results based on Duncan method

表4 LSD多重比較結(jié)果Table 4 LSD multiple comparison results

兩種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析均表明:野外實(shí)測與虛擬化量測產(chǎn)狀具有較好的一致性,傾向和傾角的誤差均較小,因此虛擬化量測方法可滿足實(shí)際工程應(yīng)用的基本要求。對于高陡邊坡危險(xiǎn)巖體調(diào)查、露天礦邊坡地質(zhì)調(diào)查等人力難以企及的情形,利用三維虛擬化量測方法和軟件系統(tǒng)能夠在保證測量精度的同時(shí)顯著提高量測效率。

4 結(jié) 論

(1)基于Unity3D設(shè)計(jì)開發(fā)了三維虛擬化構(gòu)造產(chǎn)狀測量軟件系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠基于三維實(shí)景模型開展構(gòu)造產(chǎn)狀三維量測、地質(zhì)編錄、自動化制圖等虛擬化地質(zhì)調(diào)查工作,進(jìn)一步推進(jìn)了Unity3D平臺在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

(2)基于Unity3D的三維虛擬化構(gòu)造產(chǎn)狀測量系統(tǒng)開發(fā)和使用便捷,配合9點(diǎn)位量測法結(jié)合去四分位數(shù)后求均值的平差方法測量效果更優(yōu),可有效降低測量誤差。實(shí)例研究表明:測量結(jié)果與傳統(tǒng)實(shí)地產(chǎn)狀測量結(jié)果一致性較好,誤差均控制在5°以內(nèi),可滿足實(shí)際工程應(yīng)用的基本要求。

(3)對于高陡邊坡、巖性不穩(wěn)定等人力難以到達(dá)的區(qū)域,利用三維虛擬化量測方法和軟件系統(tǒng)能夠降低野外實(shí)測工作難度與危險(xiǎn)性,在保證測量精度的同時(shí)顯著提高量測效率。后續(xù)工作中可在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上不斷豐富地質(zhì)編錄與地質(zhì)解譯等相關(guān)功能,為地質(zhì)調(diào)查工作及相關(guān)研究提供更為高效的軟件工具。