0 引言

作为对岩体稳定性起关键作用的组成部分，岩体结构面的重要性不言而喻，所以精准有效地对结构面几何信息进行获取有助于裂隙岩体工程稳定性的评价^[1-4]。数字摄影测量技术具有成本低、操作简便、信息获取全面的优势，有助于裂隙岩体边坡结构面测量分析，近年来吸引了国内外不少相关领域专业人士的目光^[5-10]。

通过数字近景摄影测量技术对裂隙岩体结构面进行测量分析，首先要完成的是控制测量工作。控制测量数据对边坡三维模型精度及结构面测量分析都起到至关重要的作用。常规控制测量需要在被研究的物体上布设一定数量的固定控制点，但对于隧道、硐室、采石场等裂隙岩质边坡，其结构面不够完整、不具备明显的测量标志点，难以选择控制点；而活动控制系统的控制点易于选择、图像效果优质，能够短时间内在施工区域建立控制场，可以满足隧道、硐室等区域岩体结构面几何信息快速提取的需要。活动控制系统已应用于很多方面：王森虎^[11]用铝合金管材制作了750 mm×350 mm×500 mm的活动控制架，运用直接线性变换法计算出非量测相机的内、外方位元素，解决了近景摄影测量非量测相机参数未知的问题；王保丰^[12]在计算机视觉工业测量系统的研制中，利用自设的移动钢结构活动控制架(2.0 m×1.5 m×1.2 m)，采用直接线性变换的方法进行了相机的标定与点位测量；田爱军^[13]将自行设计的宽2.5 m、高3.5 m、带有13个控制点的活动控制架放置在隧道内并拍摄相片，经系统匹配后再进行平差计算即可获得隧道内控制点的空间坐标；马丽霞^[14]利用4根3 m长的铝合金水准尺加工设计了一个活动控制架，利用水准尺刻度作为控制架的控制点，通过与数字摄影测量技术的配合，完成了岩体结构面几何信息数据的获取工作。以上对活动控制系统的应用中，只有马丽霞利用活动控制系统结合摄影测量对岩体结构面进行了几何信息获取研究工作，但该活动控制架的点位分布存在控制点分布不均的问题，即边缘控制点密集、中间缺少控制点。

基于活动控制系统的研究现状，本文采用不锈钢方管自行设计并制作了一套长4.8 m、宽2.4 m的活动控制系统^[15]，其上布设了28个均匀分布且不在同一平面的控制点，并将该活动控制架同被测岩体一起摄影，经内业工作站解译获取岩体结构面几何信息，以期解决由于岩体结构面破碎、特征点不明显造成的难以在结构面上直接布设控制点的问题。

1 基础理论 1.1 数字近景摄影测量

数字摄影测量需要建立在数字影像与摄影测量的基础上，通过互联网技术、数字影像分析、影像匹配与模式鉴别等相关技术水平与理论研究，得出测量对象信息并采取数字形式体现其几何与物理特征^[16]。物点几何数据的采集需要借助共线方程构建像点、物点及摄影中心三者的联系：

式中：(x, y)为像点的像平面坐标；x₀, y₀，f是影像的内方位元素；(X_s, Y_s, Z_s)是摄站点的物方空间坐标；(X, Y, Z)是物方点的物方空间坐标；a_i、b_i、c_i(i=1, 2, 3)为影像3个外方位元素组成的9个方向余弦。

数字近景摄影测量的摄影距离通常不超过100 m。根据数字摄影测量的基本原理，国内外许多学者开发了影像内业数据处理系统，如武汉适普公司研发的VirtuoZo(VZ)数字摄影测量系统，其能够完成各类航拍、近景与遥感影像的解译，最终生成4D产品。

1.2 活动控制系统

活动控制(系统)即测量控制坐标系统，是事先设计好活动控制架，在其上均匀布设控制点，并测量好控制点坐标，内业解译时作为已知数据使用。活动控制架在外业工作时应满足安装快速、坚固耐用、便于携带的特点。在数字摄影测量时，将该控制架放于研究区岩体结构面控制范围内，设计好拍摄距离与摄影基线，将活动架与被拍摄岩体共同摄入镜头，在左右摄站分别拍摄一张影像，构成一个立体像对，即快速地完成了外业控制测量的过程。活动控制系统主要应用于被测目标较小且数量较多、结构面破碎导致特征点不明显、无法应用常规控制测量方法进行控制点选取与测量的研究区域。本文根据研究区的实际情况，应用不锈钢方钢管设计并制作了活动控制架(图 1)，在其上均匀布设了不在同一平面的28个控制点，采用免棱镜激光全站仪对其控制点进行了测量并经室内外稳定性检验，证明该系统坚固、稳定、携带方便。

1.3 结构面几何信息计算数学模型

作为岩体结构面的关键数据资料，迹长与产状的测量计算务必精确。迹长测量时首先要选择岩体结构面上两个最远距离控制点的端点连线；再借助数字摄影测量近景模块处理系统VZ计算迹线端点的空间坐标值；最后将全部迹线端点坐标位置在边坡展示面上做出展示，完成迹线图的制作。

产状作为地质结构分析的基本要素，是指结构面所处的空间坐标位置。产状由走向、倾向与倾角3个元素构成，其中走向与倾向能够进行换算，故可将产状要素看做倾向与倾角2个元素。基于结构面特征点不共线原则进行产状测量，首先要明确结构面的平面法向量。假设结构面表示为z=Ax+By+C，那么法向量(向上)可以表示为N=[-A，-B，1]。假设对一个结构面n(n≥3)个不在同一直线上特征点的坐标进行测量，如x_i, y_i, z_i, i=1, 2, …，n，那么通过最小二乘法对A，B，C进行计算可得:

对结构面上的倾角α、倾向β进行计算可得：

1) 当A=0时，

2) 当A≠0时，

2 研究区概况

研究区位于长春市净月北山废弃采石场，选取采石场一低矮边坡为研究对象，边坡上覆第四纪土壤，岩性为侵入岩和变质岩，属上二叠统杨家沟组。边坡走向74°，倾向164°，倾角68°，高约3.8 m。由于开采岩体大量出露，裂隙发育，展示了大量随机结构面信息，但结构面相对破碎、特征点极其不明显，难以找到合适的控制点，现场布设控制点较困难，恰好可以作为本文基于活动控制架的岩体结构面几何信息快速获取的研究场地。

3 结构面几何信息获取过程

结构面信息的快速获取需要进行外业数据采集与内业数据解译两个环节。外业主要是进行活动控制架的安装与摄影测量等工作，用于获取原始数据；内业主要在VZ工作站上进行信息解译，获取控制点的坐标，然后解算迹长与产状(倾向、倾角)要素，即可获得结构面的几何信息。具体过程为：踏勘—活动控制架安装与稳定性检验—摄影(获取立体像对)—内业数据处理(基于VZ工作站)—获得结构面几何信息—精度评定。

3.1 外业工作 3.1.1 活动控制架安装与检验

根据活动控制架的平面图编号进行安装工作，安装时必须严格与编号一一对应，一旦各个控制点的位置安装错位将导致其空间坐标值发生改变，直接影响内业数据处理的精度。

现场检查：将活动控制架拼装安置完毕，选择就近地形平整处，通过免棱镜激光全站仪完成少数控制点间距的测量工作，得出如表 1所示数据。比较室内观测与野外检验数据结果，距离中误差在±1 mm以内，意味着活动控制架坚固稳定，能够应用。若测量现场不具备免棱镜激光全站仪，可事先准备一把一级线纹尺进行活动控制架任意两控制点间距离的检查，以保证活动控制架控制点坐标的准确性。

3.1.2 数据采集(摄影)

活动控制架拼装安置完毕后，将活动控制架摆放在所摄岩体前，根据活动控制架的控制范围设置摄影距离与摄影基线长度。本次摄影距离为3.8 m。按照摄影测量作业规范：通常取摄影距离的1/5~1/10作为摄影基线的长度，本次左右摄影站基线长选择为1/10，即0.38 m，且平行边坡走向，左右像片的重叠度为91%，摄像光轴角近似为0°，采用Canon 1200万单反相机近似正直摄影方式完成摄像，获得结构面E1像对，如图 2所示。

3.2 内业解译 3.2.1 非量测相机数据处理注意事项

外业数据采集所应用的相机为非量测相机，所摄影像进行内业分析处理时要注意以下几点：1)进行测区参数的构建时选择影像类型为非量测相机；2)进行数据格式转换要选择影像分辨率为-1 mm；3)定向时只做相对定向与绝对定向；4)相对定向时需要通过手工量测同名像点，再通过自动相对定向的方式保障相对定向的精准性；5)绝对定向时控制点数量不得少于4个，实际应用时通常选择6~8个，并且所选控制点尽量均匀分布在像对中，以便提高精度。

3.2.2 解译流程

解译流程如图 3所示。

3.2.3 结构面特征点选取原则

为了保证岩体结构面几何信息获取的准确性，在VZ工作站上对结构面特征点进行数据采集时选点必须准确并具有一定代表性，因此解译时按照以下原则选取特征点(图 4)：1)三点法，在结构面上找到不共线的三点且所选择三点构成的三角形面积尽量大、三角形形状尽量接近等边三角形，取上述三点作为结构面特征点；2)对于狭长不规则的结构面则按照结构面的形状选取多点，然后按照最小二乘法计算其产状。

3.2.4 净月北山二采石场边坡VZ解译结果

按照岩体结构面信息解译流程对净月北山二采石场岩体边坡结构面E1像对选取37个结构面进行了迹长与产状的解译，结果如表 2所示。

按照迹线端点坐标绘制的边坡迹线图如图 5所示。

4 精度分析 4.1 罗盘测量精度评定

在研究区域随机选取11个结构面，两人用罗盘同时测量结构面产状，并计算较差d；根据文献[7]给出的计算观测值中误差公式 (N为统计的倾向(倾角)数目)，计算得出m_倾向=±2°，m_倾角=±2°，精度与文献[7]统计的人工罗盘量测结果(m_倾向=±4°，m_倾角=±3°)相近。依据测量误差理论：取3倍中误差作为产状观测值的极限误差，则内业解译产状的误差m_倾向=±6°、m_倾角=±6°即可满足精度要求。

4.2 活动控制架上控制点解译精度分析

对E1像对进行分析处理时，选择作业区内8个控制点为绝对定向点完成建模，再选取10个控制点为检查点，然后将全站仪外业实测控制点的坐标值与内业工作站解译坐标值进行对比得出控制点较差，并以此计算点位中误差为±0.028 m(表 3)，这为解译结构面的迹线与产状提供了保障。另外，位于活动控制架中心的点解译误差相对小，趋向边缘的点解译误差逐渐增大。换句话说，每张影像中央变形小，越趋向边缘变形就越大，导致内业解译结果的误差越大。所以在进行实际测量时，可以通过增加像对数量来提高岩体结构面几何信息获取的精度。

4.3 摄影测量工作站VZ获取产状精度评定

表 4给出了VZ解译产状与罗盘测量结果的对比情况。表 4数据表明，基于活动控制选取的11个岩体结构面内业解译的产状数据值与罗盘量测产状值对比中误差都小于允许误差，满足测量误差理论要求。因此，通过数字近景摄影测量工作站解译的结构面产状数据精确、可靠，该方法切实可行，可以将其应用到实际工程中。

5 结论

1) 本文针对目前获取岩体结构面几何信息时所应用的活动控制架存在控制点分布不均的问题，自行设计了一套可方便安装拆卸、其上均匀分布28个控制点的控制系统。该控制系统能较好地解决研究区域结构面破碎时难以布设控制点的问题并满足施工进程中快速提供活动控制的需要，结合数字近景摄影测量技术的其他环节，可快速获取结构面几何信息。该系统的应用大大减少了外业工作量，使数据采集更加方便快捷。

2) 本文基于活动控制系统的岩体结构面几何信息数字近景摄影测量技术环节及相关注意事项，可为低矮边坡及隧洞施工中结构面信息的快速获取提供参考。

3) 长春净月北山采石场边坡的信息获取实践表明，该方法精度可靠，效果较好，尤其为施工开挖掌子面信息的快速测量提供了一种全新的手段。