CN111927552B - 基于天空地勘察技术的复杂山区长大深埋隧道勘察方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于天空地勘察技术的复杂山区长大深埋隧道勘察方法，步骤：开展卫星遥感地质解译，获取区域地质信息；开展隧址区航空物探，进行隧址区三维地质解译；开展地面物探，获取物探数据并进行地质解译；隧道洞口开展无人机三维倾斜摄影或无人机机载LiDAR遥感地质解译，获取隧道洞口地质信息；结合获取的地质信息，开展地质钻探，获取地质实物信息，并同时开展孔内测试及室内岩石试验；根据获取的地质信息，结合测绘数据、设计方案开展隧道地质BIM建模，指导隧道设计和施工。本方法满足了艰险复杂山区长大深埋隧道工程的勘察要求，工作效率和勘察精度得到有效提高，有效解决了因外部环境带来的勘察难题。
Description
技术领域
本发明属于工程勘察技术领域，具体涉及一种基于天空地勘察技术的复杂山区长大深埋隧道勘察方法。
背景技术
艰险复杂山区多为高山峡谷区，地形起伏巨大，自然环境恶劣、交通不便，受地形、交通、埋深、冰雪覆盖、恶劣气候等方面的影响，常规的勘察方法难以满足长大深埋隧道工程的要求，传统勘察手段工作效率低、限制多、盲区大，勘察精度和效率亟待提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于天空地勘察技术的复杂山区长大深埋隧道勘察方法，采用天空地多源勘察技术方法，可有效解决因外部环境带来的勘察难题，提高勘察精度和效率。
本发明所采用的技术方案为：
基于天空地勘察技术的复杂山区长大深埋隧道勘察方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
S1,进行卫星遥感地质解译：具体是沿隧道轴线开展卫星光学遥感，获取工点遥感影像数据，根据遥感影像数据进行地质解译；
S2，进行航空物探地质解译：具体是沿隧道轴线开展航空物探，获取工点的航空瞬变电磁数据、航空大地电磁数据及航磁数据，开展三维联合反演建立三维数据模型，进行隧址区三维地质解译；
S3，进行地面物探地质解译：结合场地条件和遥感、航空物探地质解译成果，在隧道场地区开展地面物探，获取物探数据并进行地质解译；
S4，隧道洞口开展无人机遥感地质：结合场地条件和现场地质调绘成果，在隧道正线和辅助坑道洞口开展三维倾斜摄影或无人机机载LiDAR，获取影像数据并进行地质解译；
S5，获取钻探地质信息：结合场地条件和遥感、航空物探、地面物探地质解译成果，选择代表性地段和物探异常点开展钻探，同时在钻孔内开展深孔综合测试和取样进行土工试验，获取隧道深部地质信息；
S6，建立隧道地质BIM模型：根据S1、S2、S3、S4、S5步骤获取的地质信息，结合测绘数据、设计方案开展隧道地质BIM建模，指导隧道设计和施工。
S1步骤中，包括如下步骤：
S1a1,根据工点研究区区域地质资料，开展卫星光学遥感地质解译，重点解译研究区的地形地貌、断裂构造、不良地质的地质信息；
S1a2,根据卫星光学遥感地质解译成果，开展高光谱多光谱岩性解译，重点解译研究区地层岩性，岩性岩组；
S1a3,根据工点研究区区域构造及地热资料，初步分析研究区域是否存在地热异常，如存在则开展高分辨热红外遥感解译，重点获取研究区地表温度，划分地热异常带；如不存在则可不用开展高分辨热红外遥感解译。
S2步骤中，航空物探地质解译，包括如下步骤：
S2a1,航空物探测线原则，根据工点研究区区域地质资料，沿隧道轴线开展航空物探测线布置，硬质岩布置测线9条，软质岩布置测线11条；
S2a2,航空物探数据获取，采用直升机搭载航空电磁法仪器设备和航磁设备沿不同测线开展航飞，获取隧道研究区不同测线的航空物探数据信息；
S2a3,航空物探数据处理，具体指对航空瞬变电磁数据、航空大地电磁数据和航磁数据进行处理，获得三维立体数据；
S2a4,航空物探解释，根据S2a3步骤中处理生成的航空瞬变电磁、航空大地电磁和航磁三维立体数据，结合区域地质资料、遥感地质和地面调绘成果，对三维立体数据进行沿隧道轴线断面与沿隧道高程平面的地质解释，获取隧道区域的航空物探地质信息。
S3步骤中，地面物探地质解译，包括如下步骤：
S3a1,地面物探数据获取，采用地面物探设备沿隧道轴线或与隧道地质条件具有密切关系的测线开展地面物探工作，获取隧道研究区沿隧道轴向或其他与隧道相交测线方向上的地面物探数据信息；
S3a2,地面物探数据处理，对现场采集的数据进行编辑，以剔除不合理数据，接着对地面物探所获得的音频大地电磁法的数据进行反演、约束的处理；
S3a3,地面物探解释，根据S3a2步骤中处理生成的地面物探反演电阻率断面成果，结合区域地质资料、遥感地质和地面调绘成果，对地面物探反演电阻率断面成果进行解释，主要获取隧道附近岩性接触带、断层构造即韧性剪切带、节理密集带、岩性岩组、岩溶以及富水性的地质信息。
S4步骤中，隧道洞口无人机遥感地质解译，包括如下步骤：
S4a1，隧道洞口无人机遥感方法选择，针对隧道洞口所处地点植被覆盖不同，选择不同遥感解译方法，若植被覆盖率低，地表裸露则采用机载三维倾斜摄影；若植被覆盖率高，地表植被覆盖严重则采用机载LiDAR；
S4a2,隧道洞口无人机机载倾斜摄影或机载LiDAR数据获取，通过无人机机载倾斜摄影或机载LiDAR设备开展航飞工作，获取高精度的影响隧道洞口范围内的地表影像、坐标、高程的数据；
S4a3,无人机机载倾斜摄影或机载LiDAR数据处理，对现场采集影像及高程数据进行处理，主要包括三维建模、坐标转换、拼接匹配，最终生成可在三维平台中可以直接使用的三维倾斜摄影及三维LiDAR数据；
S4a4,洞口无人机倾斜摄影及LiDAR地质解释，根据S4a2、S4a3步骤中处理生成的洞口无人机倾斜摄影及LiDAR成果，对洞口地表地质灾害进行详细圈划，对岩体结构面产状进行提取，以获取洞口地表灾害与岩体结构面地质信息。
S5步骤中，获取地质钻探信息，包括如下步骤：
S5a1，钻探位置确定，结合S1、S2、S3、S4中获取地质解译成果，确定隧道洞身钻探位置，主要针对断裂构造发育、富水以及物探异常段落布设钻探，含竖直孔与定向孔；
S5a2，钻探岩芯获取，根据布设位置，开展钻探，获取岩芯数据，主要包括岩性、岩体破碎程度、RQD、岩溶、空洞；
S5a3，钻探综合测试，对实施完成的深孔开展孔内综合测试，获取岩体电阻率、声波波速、地温、地应力、富水性、有害气体的数据；
S5a4，开展土工试验和其它特殊试验，对实施完成的深孔岩芯进行代表性取样，对其开展力学、放射性、测年的试验，获取岩体力学参数、放射性、年龄的地质信息。
S6，步骤中建立隧道地质BIM模型，包括如下步骤：
S6a1，整理S1、S2、S3、S4、S5步骤中已获取的地质信息，实现地质平面图、地质纵断面图填绘，根据BIM建模需要，在重点工程部位、复杂地质现象的部位，增加控制性地质剖面，形成隧道工程二维地质成果；
S6a2，圈定隧道址区工程范围，根据需要取线路中心两侧500m、1000m；采用隧址区地形图或者DEM数据，建立隧址区三维地形模型，联合边界面生成隧址区三维地形体。利用空间投影，将隧址区地质平面图中地质界线的要素投影至三维地形表面；联合线路线条与三维地形，将隧道地质纵断面、地质剖面变换至三维空间；
S6a3，联合三维地形表面地质界线、三维空间地质断面和地质剖面，利用插值算法，生成地层分界面。根据S6a2所生成的隧址区三维地形体，利用布尔运算，剖切生成隧道涉及的各个地质体，在此基础上赋予各地质体属性信息，完成隧道地质BIM模型建立。
本发明具有以下优点：
1、本发明提出的基于天类卫星遥感、空类航空物探、无人机遥感和地类地面物探、深孔钻探、定向孔及深孔测试等勘察技术，建立长大深埋隧道多源立体化勘察方法，解决了高海拔、高寒、大高差地区常规勘察手段困难、效率低下的不足，确保了长大深埋隧道勘察数据的全覆盖。
2、本发明提出的三维立体化勘察方法，实现由面到线再到点的三位一体的融合，提高了勘察的精度和准确度，为长大深埋工程的设计施工提供了强大技术支撑。
附图说明
图1为本发明流程图。
图2为本发明中地面物探方法应用成果：藏东南某长大深埋隧道物探成果图。
图3为本发明中无人机机载LiDAR方法应用成果：去除植被前的DSM和去植植被后的DEM。
图4为本发明中地质BIM应用成果：藏东某长大深埋隧道地质BIM模型。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
受地形、交通、埋深、冰雪覆盖、恶劣气候等方面的影响，常规的勘察手段、技术、方法难以满足艰险山区长大深埋隧道工程的要求，如地质调绘人员无法到达、地面物探无法全覆盖、无法沿洞室轴线贯通，竖向深孔钻探局限性大，部分地段不具备实施条件，常规勘察手段工作效率低、限制多、盲区大。
本发明涉及一种基于天空地勘察技术的长大深埋隧道勘察方法，其主要基于天类卫星遥感、空类航空物探、无人机遥感和地类地面物探、深孔钻探、定向孔及深孔测试等勘察技术，开展长大深埋隧道多源立体化勘察。具体步骤如下：
参照图1，本发明按照如下步骤进行：
本方法包括以下步骤：
S1,进行卫星遥感地质解译：具体是沿隧道轴线开展卫星光学遥感地质，获取工点遥感影像数据，根据遥感影像数据进行地质解译。
S2，进行航空物探地质解译：具体是沿隧道轴线开展航空物探，获取工点的航空瞬变电磁数据、航空大地电磁数据及航磁数据，开展三维联合反演建立三维数据模型，进行地质解译。
S3，进行地面物探地质解译：结合场地条件和遥感、航空物探地质解译成果，在隧道场地区开展地面物探，获取物探数据并进行地质解译。
S4，隧道洞口开展无人机遥感地质：结合场地条件和现场地质调绘成果，在隧道正线和辅助坑道洞口开展三维倾斜摄影或无人机机载LiDAR，获取影像数据并进行地质解译。
S5，获取钻探地质信息：结合场地条件和遥感、航空物探、地面物探地质解译成果，选择代表性地段和物探异常点开展钻探，同时在钻孔内开展深孔综合测试和室内土工试验，获取隧道深部地质信息。
S6，建立隧道地质BIM模型：根据上述步骤获取的地质信息，结合测绘数据、设计方案开展隧道地质BIM建模，指导隧道设计和施工。
上述步骤中：
S1步骤中，需经过准备工作，包括如下步骤：
S1a1,根据工点研究区区域地质资料，开展卫星光学遥感地质，重点解译研究区的地形地貌、断裂构造、不良地质等地质信息。
S1a2,根据卫星光学遥感地质解译成果，开展高光谱多光谱岩性解译，重点解译研究区地层岩性，岩性岩组。
S1a3,根据工点研究区区域构造及地热资料，初步分析研究区域是否存在地热异常，如存在则开展高分辨热红外遥感解译，重点获取研究区地表温度，划分地热异常带；如不存在则可不用开展高分辨热红外遥感解译。
所述S1a1步骤中，卫星光学遥感地质主要工作流程如下：
A、区域遥感数据获取:沿隧道轴线收集1:5万(两侧宽度分别约15km)和1:1万(两侧宽度分别约2km)多期次多源的光学卫星遥感影像，要求所收集卫星图像数据清晰，仅在雪线以上有雪盖区，云层覆盖部分地区基本无干扰条带。
B、遥感图像处理与制作，采用几何精校正、色彩匹配、图像镶嵌等方法完成影像图制作；通过岩性及构造信息增强处理实现岩石类型或类型组合的提取；通过DEM提取地形实现直观反映地形地貌的变化、微地貌线性特征变化和变形直接反映断裂的存在；运用多种影像信息增强处理方案，结合三维遥感技术，依据收集到的多源资料，分辨出地质现象的分布和构造，提取工程地质信息。
C、初步解译，采用直译法、对比法、逻辑推理法、图像处理法、综合分析法、奥维互动地图辅助解译、DEM提取地形辅助解译等方法，依据影像的形状、大小、色调和色彩、阴影、影像结构、图案花纹等建立直接解译标志，对全区地貌、地层岩性、构造、水文地质、不良地质及特殊地质开展遥感解译，准确勾绘地貌、各类地质体界线，圈定各类不良地质、特殊地质的边界及分布范围。
D、野外调查与验证，对初步解译成果进行野外实地调查与验证，选择具有代表性、典型的地质体进行野外验证，对不良地质抽取10％的初步解译成果进行验证，对隧道洞口附近的大中型不良地质点开展100％的野外验证。
E、二次解译，根据初步解译和野外调查与验证的成果，对工点区的地貌、地层岩性、构造、水文地质、不良地质及特殊地质进行重新解译与圈定。
所述S1a2步骤中，高光谱多光谱岩性解译主要工作流程如下：
A、遥感数据获取:沿隧道轴线收集1：5万(两侧宽度分别约15km)多期次多源的高光谱、多光谱遥感影像，选择不同时段的图像，不同波段组合对比分析，尽量排除云影、积雪、植被的影响。
B、遥感图像预处理，主要进行图像的几何精校正、图像镶嵌、图像裁剪和大气校正等。在图像校正过程中，投影方式采用高斯-克吕格投影。对影像逐景进行几何校正，无缝镶嵌，色彩色调匹配等。
C、岩性波谱特征及波谱库建立，进行野外现场踏勘，采集隧道区典型岩石、矿物进行波谱测试，建立光谱库。
D、遥感图像处理及解译，对遥感图像进行了增强处理，突出图像中的有用信息，扩大不同影像特征之间的差别，提高对图像的解译和分析能力，通过波普反演进行工点区的岩性解译。
E、野外调查与验证，对初步解译成果进行野外实地调查与验证，选择具有代表性、典型的岩性进行野外验证，每一类型的岩性均有现场验证。
F、二次解译，根据初步解译和野外调查与验证的成果，对工点区的岩性，特别是分界部位进行重新解译与圈定。
所述S1a3步骤中，热红外遥感解译主要工作流程如下：
A、初步分析研究区地热特征:通过收集区域地质、地热资源等相关资料，结合现场温泉调查和遥感地质构造解译，初步分析工点范围内是否存在地热异常，如不存在则可不开展热红外遥感解译，如可能存在地热异常，则应开展热红外遥感解译工作。
B、遥感数据获取:收集隧道场址研究区可能存在地热异常的地段内的1:5万(两侧宽度分别约15km)高分辨多期次热红外遥感数据。
C、遥感图像处理和地表温度初步计算，主要进行辐射定标、大气校正、图像裁剪、几何校正、去除植被干扰因素、地表温度计算等。
D、野外测温与验证，对地表温度初步计算成果进行野外实地测温与验证，选择具有代表性、典型的地热异常点进行野外验证。
E、二次解译，根据地表温度初步计算成果和野外调查与验证的成果，对工点区的地表温度进行重新计算反演，重新解译与圈定地热异常区。
S2步骤中，航空物探地质解译，包括如下步骤：
S2a1,航空物探测线原则，根据工点研究区区域地质资料，沿隧道轴线开展航空物探测线布置，硬质岩布置测线9条，软质岩布置测线11条；
S2a2,航空物探数据获取，采用直升机搭载航空电磁法仪器设备和航磁设备沿不同测线开展航飞，获取隧道研究区不同测线的航空物探数据信息。
S2a3,航空物探数据处理，对航空瞬变电磁数据、航空大地电磁数据和航磁数据进行处理。
S2a4,航空物探解释，根据S2a3步骤中处理生成的航空瞬变电磁、航空大地电磁和航磁三维立体数据，结合区域地质资料与地面调绘成果，对三维立体数据进行沿隧道轴线断面与沿隧道高程平面的地质解释，获取隧道附近航空物探地质信息。
所述S2a3步骤中，航空瞬变电磁数据处理主要工作流程如下：
A、记录点位置校正，对时间滞后与位置偏移做出校正。信号发射与接收之间会有一定的时间延迟，这种时间延迟会使记录点的位置产生一定的偏移；当飞行的方向不同时，由于刮风等原因，会使接收的传感器的位置与记录测点的GPS坐标出现不同程度的偏差，导致记录点异常与实际异常位置有一定的偏移，对该偏移做出一定的校正。
B、时间常数的计算，异常体的时间常数决定瞬变场衰减速率的大小，是确定异常体电性好坏的重要参数。
采用“移动时间常数”的方法来计算dB/dt和B场的时间常数。计算原理基于使用移动窗口，根据在噪声水平和衰减中有响应的滑动衰减曲线，寻找晚期合适的4个时间道。通过对这4个时间道进行最小二乘法拟合来获得时间常数。
C、电阻率深度成像(RDI)，电阻率深度成像(RDI-Resistivity depth imaging)是通过对测量的数据进行反褶积从而将电磁响应衰减数据快速转化为相同意义上电阻率深度断面的一种方法。所采用的电阻率-深度转换的RDI算法基于Maxwell A.Meju(1998)的视电阻率转换和导电半空间的TEM响应原理。
RDI能够提供具有参考价值的导体深度、垂向延伸等信息，并能准确提供每条测线上的一维层状介质视电阻率断面。根据RDI能够获得VTEM系统的探测深度、半空间二次场分布、有效电阻率、初始几何形态和导电体的位置等资料。
所述S2a3步骤中，航空大地电磁数据处理主要工作流程如下：
A、倾子计算，垂直入射的天然电磁法在横向不均匀的介质中将会产生垂直磁场分量，垂直磁场分量与两个水平磁场分量存在如下的复线性关系：
式中：
Hx、Hy、Hz—水平X、Y，垂直Z方向磁场分量；
T＝[Tzx Tzy]—倾子矢量；
Tzx、Tzy—表示倾子T在沿测线方向(X)和垂直测线方向(Y)的分量。
由理论可知，倾子的实部(In-phase，同相分量)能很好地反映介质横向的不均匀性，目标体的几何形态；而倾子的虚部(Quadrature，异相分量)与目标体的电学性质有关。横向电阻率的变化影响倾子的实部、虚部的大小。倾子资料实部由低阻到高阻的横向电性分界面处均表现为正异常，由高阻到低阻的横向电性分界面均表现为负异常。虚部由低阻到高阻的横向电性分界面处均表现为负异常，由高阻到低阻的横向电性分界面处均表现为正异常。振幅则都表现为正异常信息。利用倾子的这些特点可以对多个异常体的边界进行区分和解释。
振幅响应曲线携带有丰富的与地下地质体有关的信息。此数据经过处理后作为下一步成图和电阻率反演的基础数据。
B、TD(Total derivative)总散度计算，TD是通过沿测线方向(X)和垂直测线方向(Y)上的倾子的导数而得到，计算公式如下：
C、TPR(Total phase rotated)总相位旋转计算，PR(Phase Rotation)是采用相位旋转技术分别对各个频率沿测线方向(X)和垂直测线方向(Y)的倾子数据进行处理，把双极性场异常响应转换为单极性场异常响应，在对应异常区带的中心位置出现极大值。通常由相位旋转后的两个正交网格整合在一起得到各个频率同相和异相分量的总相位旋转(Total Phase Rotation，TPR)。TPR可以弥补TD数据的不足。
D、视电阻率反演，使用沿测线方向的实部、虚部倾子数据，选择较为合理的背景电阻率来进行反演，反演时进行了地形、飞行高度校正等，反演结果以输入误差来衡量。
所述S2a3步骤中，航磁数据处理主要工作流程如下：
A、修正处理，航磁数据的修正处理主要是△T磁异常的计算。航磁数据的修正处理包括正常地磁场修正、磁日变修正等。
正常地磁场修正：使用的国际地磁参考场为IGRF2015(有效使用期为2015-2019年)，对每个磁测点分别使用实测的经纬度和GPS高度计算对应点的正常磁场值，在此基础上完成正常地磁场修正。
磁日变修正：对同步观测的磁日变数据进行编辑、剔除人文干扰数据和滤波后，逐点进行校正。
B、数据调平，实测数据和经各项修正的测线数据，由于受到测量高度、飞行方向等因素的影响，相邻测线之间往往呈现出“条带状”，为此需做适当的调平处理。
C、航磁位场转换处理，航磁位场转换处理主要包括磁场化极、解析信号、斜导数计算等。△T化极处理：化极是将斜磁化△T换算为垂直磁化磁异常的磁场换算方法。根据2015年国际地磁参考场(IGRF2015)模型，计算当地的磁倾角和磁偏角进行化极。
解析信号计算：为了突出断裂构造位置及侵入岩边界信息，采用航磁解析信号法对航磁数据进行了进一步处理。磁场解析信号处理为磁场水平梯度模处理，是磁场水平方向导数(梯度)平方之和的开方。其信息能够突出磁场剧变信息，便于磁源体边界的确定。
D、磁矢量3D反演，通常三维磁反演时假设磁异常磁场方向与地球磁场方向相同，只考虑感磁。但通常情况下，由于剩磁及其它因素的影响，磁异常的磁场方向与地球磁场方向并不相同。磁矢量反演(Magnetic Vector Inversion，MVI)则考虑了剩磁的影响。
在MVI处理过程中△T总场数据被转化为磁三分量矢量数据，其反演结果不仅有3D矢量信息还包括一个标量的MVI视磁化率信息。通常使用标量的MVI视磁化率三维数据库成图，可以绘制不同方向的剖面，也可以横切不同深度的切面。
S3步骤中，地面物探地质解译，包括如下步骤：
S3a1,地面物探数据获取，采用地面物探设备沿隧道轴线或与隧道地质条件具有密切关系的测线开展地面物探工作，获取隧道研究区沿隧道轴向或其他与隧道相交测线方向上的地面物探数据信息。
S3a2,地面物探数据处理，对现场采集的数据进行编辑，以剔除不合理数据，对地面物探所获得的音频大地电磁法(AMT)、高密度电法等数据进行反演、约束等处理。
S3a3,地面物探解释，根据S3a2步骤中处理生成的地面物探反演电阻率断面成果，结合区域地质资料与地面调绘成果，对地面物探反演电阻率断面成果进行解译解释，主要获取隧道附近岩性接触带、断层构造(韧性剪切带)、节理密集带以及富水等地质信息，如图2。
所述S3a2步骤中，音频大地电磁法(AMT)数据处理主要工作流程如下：
A、曲线分析，将隧道原始AMT曲线进行类型划分，原始曲线经过了D+拟合处理、并根据拟断面图揭示的电阻率、相位对应关系，对高频、低频段的电阻率及相位进行了编辑调整，使D+拟合曲线更加符合电阻率与相位的匹配形态。
B、拟断面图分析，根据原始拟断面的特征，在曲线编辑处理时，确定了如下原则：对数据质量较好的中频段数据不部做调整，主要编辑高频和低频段的畸变数据，通过调整使D+曲线拟合完好。
S4步骤中，隧道洞口无人机遥感地质解译，包括如下步骤：
S4a1，隧道洞口无人机遥感方法选择，针对隧道洞口所处地点植被覆盖不同，选择不同遥感解译方法，若植被覆盖率低，地表裸露则采用机载三维倾斜摄影；若植被覆盖率高，地表植被覆盖严重则采用机载LiDAR。
S4a2,隧道洞口无人机机载倾斜摄影或机载LiDAR数据获取，通过无人机机载倾斜摄影或机载LiDAR设备开展航飞工作，获取高精度的影响隧道洞口范围内的地表影像、坐标、高程等数据。
S4a3,无人机机载倾斜摄影或机载LiDAR数据处理，对现场采集影像及高程数据进行处理，主要包括三维建模、坐标转换、拼接匹配等，最终生成可在三维平台中可以直接使用的三维倾斜摄影及三维LiDAR数据。
S4a4,洞口无人机倾斜摄影及LiDAR地质解释，根据S4a3步骤中处理生成的洞口无人机倾斜摄影及LiDAR成果，根据坡体形态或目视解译，对洞口地表地质灾害进行详细圈划，对岩体结构面产状进行提取，以获取洞口地表灾害与岩体结构面地质信息。
所述S4a3步骤中，无人机倾斜摄影数据处理主要工作流程如下：
A、区域整理平差，多视影像区域整理平差充分考虑影像间的几何变形及遮挡关系。结合POS数据提供的外方位元素，采用由粗到精的金字塔匹配策略，在每级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差，得到较好的同名点匹配结果。同时建立连接点和连接线、控制点坐标、GPS辅助数据的多视影像自检校区域网平差的误差方程，通过联合解算，确保平差结果的精度。
B、通过多视影像密集匹配，影像匹配的关键问题是如何快速准确地获取多视影像上同名坐标，从而得到高密度数字点云。如果单独使用一种匹配基元或匹配策略，往往难以获取建模需要的同名点，目前许多倾斜影像后处理软件则采用多基元、多视影像密集匹配。
C、三维TIN格网构建，经过多视角影像密集匹配获得的高密度点云数据量非常大，需要进行切割分块处理，并对切块的点云数据进行不规则三角网构建。
D、自助纹理映射，自助纹理映射是基于瓦片技术，将整个目标区域分割成一定数量的子区域(瓦片)，借助集群处理系统中并行处理机制，将每个瓦片建立成为一个任务执行模型与纹理影像的配准，并进行纹理贴附，进而生成最终的三维场景。
所述S4a3步骤中，无人机机载LiDAR数据处理主要工作流程如下：
A、POS后差分处理，基站数据获取之后，联合无人机载GNSS数据、IMU数据，按照后处理精密动态测量模式进行姿态解算，获取飞行过程中各时刻GNSS天线的基准坐标，POS解算时选择该架次距离测区最近的基站数据进行解算或采用多基站数据联合解算，并且剔除姿态不佳的编号卫星数据，确保最终差分数据质量。
POS解算完成后，通过数据质量因子、精度衰减因子、卫星周跳情况、正反算结合分离指数、浮动/固定模糊度及GNSS定位精度(差分GNSS解算结果)等指标进行综合评定，满足精度要求方可使用，最后导出轨迹文件成果，必要时进行格式转换。
B、点云数据解算，点云解算之前应获取机机载LiDAR系统各部件的检校场或室内检校数据，主要用于改正飞行过程的系统误差、航带偏移等。将系统部件之间的偏心角、偏心分量数据，通过整体平差的方法解算出定向定位参数，改正航带平面和高程漂移系统误差。联合机载平台POS航迹线数据、原始激光测距数据以及系统检校参数，进行点云数据解算融合，可得到任意点的三维坐标。
C、点云去噪，由于飞机飞行受振动、空气悬浮颗粒物、荷载减震系统等影响，获取的点云中包括大量的噪声点，此外点云数据密度不规则，因遮挡等问题会产生离散点等，需要进行滤波处理，才能更好的进行点云配准。点云滤波方法常用的有：双边滤波、高斯滤波、直通滤波、随机采样一致性滤波等，根据实际数据情况，可采用自动滤波或人机交互方式进行处理，确保最终的点云数据中不含或仅存在较少噪点。
D、点云航带平差，无人机机载LiDAR的扫描幅宽，受到扫描角度和飞行高度的限制，不具备大面积测量的能力，只能对作业区域进行多条航带飞行，来获取整个测区的点云数据，相邻航带之间一般保持10％～20％的重叠度，同一地物目标在不同航带之间存在空间“漂移”的误差，需要对机载LiDAR点云数据，进行航带平差处理，来消除或者尽可能减小相邻航带同名地物之间的误差，获取作业区域的无缝拼接点云。
E、点云分类，预处理后的激光点云数据是包含地面点、植被点、建筑物点等多个目标三维坐标点的集合。为了获取数字表面模型(DSM)以及真实地面的数字高程模型(DEM)，就需要从这些点云中分离出植被点、建筑物点、地面点和错误的点，点云分类通过自动滤波或人机交互的方式提取地面点。然后利用这些不同类别点通过不规则三角网或格网来构建DSM或DEM。
F、构建三维数字成果，数字表面模型(Digital Surface Model，DSM)与DEM(Digital Elevation Model，数字高程模型)相比，DEM只包含了地形的高程信息，并未包含其他地表信息，而DSM是在DEM的基础上，进一步涵盖了除地面以外的其他地表信息的高程，如建筑物、植被等地物信息，表达各种建筑物表面和植被覆盖情况，反映坐落于地面的所有物体的表面特征，能够准确、直观的表达地理信息。无人机机载LiDAR扫描结果以海量的点云数据表达丰富的地形和地物信息，但这些离散的矢量点没有明显的拓扑关系，其离散特性不能连续表达地表信息，需要基于点云数据的采集密度和分辨率，选择合理的内插方法生成相应的DSM和DEM模型来实现地形信息的可视化表达，如图3。
S5步骤中，获取地质钻探信息，包括如下步骤：
S5a1，钻探位置确定，结合S1、S2、S3、S4中获取地质解译成果，确定隧道洞身钻探位置，主要针对断裂构造发育、富水以及物探异常段落布设钻探，含竖直孔与定向孔；
S5a2，钻探岩芯获取，根据布设位置，开展钻探，获取岩芯数据，主要包括岩性、岩体破碎程度、RQD、岩溶、空洞等。
S5a3，钻探综合测试，对实施完成的深孔开展孔内综合测试，获取岩体电阻率、声波波速、地温、地应力、富水性、有害气体等数据。
S5a4，开展土工试验和其它特殊试验，对实施完成的深孔岩芯进行代表性取样，对其开展力学、放射性、测年等试验，获取岩体力学参数、放射性、年龄等地质信息。
S6，建立隧道地质BIM模型，根据上述步骤获取的地质信息，结合测绘数据、设计方案开展隧道地质BIM建模，指导隧道设计和施工。
S6，步骤中建立隧道地质BIM模型，包括如下步骤：
S6a1，整理S1、S2、S3、S4、S5步骤中已获取的地质信息，实现地质平面图、地质纵断面图填绘，根据BIM建模需要，在重点工程部位、复杂地质现象的部位，增加控制性地质剖面，形成隧道工程二维地质成果。
S6a2，圈定隧道址区工程范围，根据需要取线路中心两侧500m、1000m；采用隧址区地形图或者DEM数据，建立隧址区三维地形模型，联合边界面生成隧址区三维地形体。利用空间投影，将隧址区地质平面图中地质界线等要素投影至三维地形表面；联合线路线条与三维地形，将隧道地质纵断面、地质剖面变换至三维空间。
S6a3，联合三维地形表面地质界线、三维空间地质断面和地质剖面，利用插值算法，生成地层分界面。根据S6a2所生成的隧址区三维地形体，利用布尔运算，剖切生成隧道涉及的各个地质体，在此基础上赋予各地质体属性信息，完成隧道地质BIM模型建立。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.基于天空地勘察技术的复杂山区长大深埋隧道勘察方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
S1，进行卫星遥感地质解译：具体是沿隧道轴线开展卫星光学遥感，获取工点遥感影像数据，根据遥感影像数据进行地质解译；
S2，进行航空物探地质解译：具体是沿隧道轴线开展航空物探，获取工点的航空瞬变电磁数据、航空大地电磁数据及航磁数据，开展三维联合反演建立三维数据模型，进行隧址区三维地质解译；
S3，进行地面物探地质解译：结合场地条件和遥感、航空物探地质解译成果，在隧道场地区开展地面物探，获取物探数据并进行地质解译；
S4，隧道洞口开展无人机遥感地质：结合场地条件和现场地质调绘成果，在隧道正线和辅助坑道洞口开展三维倾斜摄影或无人机机载LiDAR，获取影像数据并进行地质解译；
S5，获取钻探地质信息：结合场地条件和遥感、航空物探、地面物探地质解译成果，选择代表性地段和物探异常点开展钻探，同时在钻孔内开展深孔综合测试和取样进行土工试验，获取隧道深部地质信息；
S6，建立隧道地质BIM模型：根据S1、S2、S3、S4、S5步骤获取的地质信息，结合测绘数据、设计方案开展隧道地质BIM建模，指导隧道设计和施工；
S4步骤中，隧道洞口无人机遥感地质解译，包括如下步骤：
S4a1，隧道洞口无人机遥感方法选择，针对隧道洞口所处地点植被覆盖不同，选择不同遥感解译方法，若植被覆盖率低，地表裸露则采用机载三维倾斜摄影；若植被覆盖率高，地表植被覆盖严重则采用机载LiDAR；
S4a2，隧道洞口无人机机载倾斜摄影或机载LiDAR数据获取，通过无人机机载倾斜摄影或机载LiDAR设备开展航飞工作，获取高精度的影响隧道洞口范围内的地表影像、坐标、高程的数据；
S4a3，无人机机载倾斜摄影或机载LiDAR数据处理，对现场采集影像及高程数据进行处理，主要包括三维建模、坐标转换、拼接匹配，最终生成可在三维平台中可以直接使用的三维倾斜摄影及三维LiDAR数据；
S4a4，洞口无人机倾斜摄影及LiDAR地质解释，根据S4a2、S4a3步骤中处理生成的洞口无人机倾斜摄影及LiDAR成果，对洞口地表地质灾害进行详细圈划，对岩体结构面产状进行提取，以获取洞口地表灾害与岩体结构面地质信息。
2.根据权利要求1所述的基于天空地勘察技术的复杂山区长大深埋隧道勘察方法，其特征在于：
S1步骤中，包括如下步骤：
S1a1,根据工点研究区区域地质资料，开展卫星光学遥感地质解译，重点解译研究区的地形地貌、断裂构造、不良地质的地质信息；
S1a2,根据卫星光学遥感地质解译成果，开展高光谱多光谱岩性解译，重点解译研究区地层岩性，岩性岩组；
S1a3,根据工点研究区区域构造及地热资料，初步分析研究区域是否存在地热异常，如存在则开展高分辨热红外遥感解译，重点获取研究区地表温度，划分地热异常带；如不存在则可不用开展高分辨热红外遥感解译。
3.根据权利要求2所述的基于天空地勘察技术的复杂山区长大深埋隧道勘察方法，其特征在于：
S2步骤中，航空物探地质解译，包括如下步骤：
S2a1，航空物探测线原则，根据工点研究区区域地质资料，沿隧道轴线开展航空物探测线布置，硬质岩布置测线9条，软质岩布置测线11条；
S2a2，航空物探数据获取，采用直升机搭载航空电磁法仪器设备和航磁设备沿不同测线开展航飞，获取隧道研究区不同测线的航空物探数据信息；
S2a3，航空物探数据处理，具体指对航空瞬变电磁数据、航空大地电磁数据和航磁数据进行处理，获得三维立体数据；
S2a4，航空物探解释，根据S2a3步骤中处理生成的航空瞬变电磁、航空大地电磁和航磁三维立体数据，结合区域地质资料、遥感地质和地面调绘成果，对三维立体数据进行沿隧道轴线断面与沿隧道高程平面的地质解释，获取隧道区域的航空物探地质信息。
4.根据权利要求3所述的基于天空地勘察技术的复杂山区长大深埋隧道勘察方法，其特征在于：
S3步骤中，地面物探地质解译，包括如下步骤：
S3a1，地面物探数据获取，采用地面物探设备沿隧道轴线或与隧道地质条件具有密切关系的测线开展地面物探工作，获取隧道研究区沿隧道轴向或其他与隧道相交测线方向上的地面物探数据信息；
S3a2，地面物探数据处理，对现场采集的数据进行编辑，以剔除不合理数据，接着对地面物探所获得的音频大地电磁法的数据进行反演、约束的处理；
S3a3，地面物探解释，根据S3a2步骤中处理生成的地面物探反演电阻率断面成果，结合区域地质资料、遥感地质和地面调绘成果，对地面物探反演电阻率断面成果进行解释，主要获取隧道附近岩性接触带、断层构造即韧性剪切带、节理密集带、岩性岩组、岩溶以及富水性的地质信息。
5.根据权利要求4所述的基于天空地勘察技术的复杂山区长大深埋隧道勘察方法，其特征在于：
S5步骤中，获取地质钻探信息，包括如下步骤：
S5a1，钻探位置确定，结合S1、S2、S3、S4中获取地质解译成果，确定隧道洞身钻探位置，主要针对断裂构造发育、富水以及物探异常段落布设钻探，含竖直孔与定向孔；
S5a2，钻探岩芯获取，根据布设位置，开展钻探，获取岩芯数据，主要包括岩性、岩体破碎程度、RQD、岩溶、空洞；
S5a3，钻探综合测试，对实施完成的深孔开展孔内综合测试，获取岩体电阻率、声波波速、地温、地应力、富水性、有害气体的数据；
S5a4，开展土工试验和其它特殊试验，对实施完成的深孔岩芯进行代表性取样，对其开展力学、放射性、测年的试验，获取岩体力学参数、放射性、年龄的地质信息。
6.根据权利要求5所述的基于天空地勘察技术的复杂山区长大深埋隧道勘察方法，其特征在于：
S6，步骤中建立隧道地质BIM模型，包括如下步骤：
S6a1，整理S1、S2、S3、S4、S5步骤中已获取的地质信息，实现地质平面图、地质纵断面图填绘，根据BIM建模需要，在重点工程部位、复杂地质现象的部位，增加控制性地质剖面，形成隧道工程二维地质成果；
S6a2，圈定隧道址区工程范围，根据需要取线路中心两侧500m、1000m；采用隧址区地形图或者DEM数据，建立隧址区三维地形模型，联合边界面生成隧址区三维地形体；利用空间投影，将隧址区地质平面图中地质界线的要素投影至三维地形表面；联合线路线条与三维地形，将隧道地质纵断面、地质剖面变换至三维空间；
S6a3，联合三维地形表面地质界线、三维空间地质断面和地质剖面，利用插值算法，生成地层分界面；根据S6a2所生成的隧址区三维地形体，利用布尔运算，剖切生成隧道涉及的各个地质体，在此基础上赋予各地质体属性信息，完成隧道地质BIM模型建立。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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