基于光声组合测量的地质钻孔三维可视化研究_汪进超.pdf

第 42 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 Vol.42 No.3 2023 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2023 收稿日期：收稿日期：20220523；修回日期：修回日期：20220722 基金项目：基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目(41902294)；湖北省自然资源科技项目(ZRZY2022KJ08)Supported by the National Natural Science Foundation for the Youth of China(Grant No.41902294)and Natural Resources Research Project of Hubei Province (Grant No.ZRZY2022KJ08)作者简介：作者简介：汪进超(1988)，男，2018 年于中国科学院大学岩土工程专业获博士学位，现任副研究员，主要从事地下空间探测及岩土测试方面的研究工作。E-mail： DOI：10.13722/ki.jrme.2022.0528 基于光声组合测量的地质钻孔三维可视化研究基于光声组合测量的地质钻孔三维可视化研究 汪进超1，王川婴1，杜 琦2，罗 鹏2，黄俊峰3(1.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；2.湖北省自然资源厅 地质灾害应急中心，湖北 武汉 430064；3.湖北省自然资源厅 测绘应急保障中心，湖北 武汉 430064)摘要：摘要：鉴于目前地质钻孔中孔壁光学图像信息在反映孔壁轮廓特征方面存在的局限性问题，同时，也为了丰富地质钻孔岩壁纹理和几何轮廓信息来源，提出一种基于光声组合测量的地质钻孔三维可视化方法，通过融合钻孔周向和轴向上的纹理图像与扫描轮廓信息来直观呈现钻孔岩壁的三维形貌特征，并解决孔壁光学图像重构、孔壁轮廓曲线重构、基于光学图像信息与声波数据同步融合的三维建模与数据可视化优化等一系列难题。首先，以能够实现钻孔精细化测量的光学和声学同步测量技术原理为基础，提出孔壁光学图像重构与孔壁轮廓曲线重构方法，实现不同深度钻孔孔壁纹理图像的拼接与孔壁三维轮廓建模；随后，在孔壁表面纹理和孔壁几何轮廓的基础上，建立光声组合测量数据之间的映射关系与融合机制，形成基于光声组合测量的地质钻孔三维可视化体系；最后，结合具体案例，完成地质钻孔的三维可视化与形貌特征分析，并验证了该方法的可行性和优越性。研究表明，利用光声组合测量方式获取到的钻孔数据更加丰富，形成的地质钻孔三维可视化模型能够有效提高地质钻孔孔壁数据解译和判读的准确性和客观性，为岩体结构的探测技术研究提供了一种新的技术方法与技术手段。关键词：关键词：岩石力学；光声测量；钻孔探测；岩体结构；孔壁可视化 中图分类号：中图分类号：TU 45 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2023)03064912 Research on 3D visualization of geological boreholes based on photo-acoustic combination measurement WANG Jinchao1，WANG Chuanying1，DU Qi2，LUO Peng2，HUANG Junfeng3(1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China；2.Geological Disaster Emergency Center，Hubei Provincial Department of Natural Resources，Wuhan，Hubei 430064，China；3.Emergency Surveying and Mapping Support Center，Hubei Provincial Department of Natural Resources，Wuhan，Hubei 430064，China)Abstract：In view of the limitations of borehole optical image information in reflecting the borehole contour characteristics，and at the same time，in order to enrich the source of borehole texture and geometric contour information，this paper proposes a 3D visualization method of geological boreholes based on photo-acoustic combination measurement，which visually presents the 3D morphological characteristics of the borehole wall by integrating the circumferential and axial texture images and scanning contour information of the borehole.The method can solve a series of problems，such as borehole wall optical image reconstruction，contour curve reconstruction，3D modeling and data visualization optimization based on the synchronous fusion of optical image 650 岩石力学与工程学报 2023 年 information and acoustic scanning data.Firstly，based on the principle of optical image and sound scanning synchronous measurement technology，which can realize the borehole fine measurement，a method of borehole wall optical image and contour curve reconstruction is proposed，which can realize the stitching of borehole wall texture images at different depths and the modeling of borehole wall 3D contour.Then，based on the borehole wall surface texture and geometric contour，the mapping relationship and fusion mechanism between the photo-acoustic combined measurement data are established，and a 3D visualization system of geological boreholes based on photo-acoustic combined measurement is formed.Finally，combined with a specific case，the 3D visualization and morphological feature analysis of geological borehole are completed，and the feasibility and superiority of this method are verified.The research shows that the borehole data obtained by the combined measurement of optical image and sound scanning is more abundant，and the 3D visualization model of geological borehole can effectively improve the accuracy and objectivity interpretation of geological borehole wall data，which can provide a new idea and method for the fine detection and research of geological borehole rock mass structure.Key words：rock mechanics；photo-acoustic measurement；borehole detection；rock mass structure；borehole wall visualization 1 引引 言言 随着全球经济的快速发展，各种大型基础设施建设与能源开采工程也正在以稳健的速度向前发展，在这些大型工程项目的施工前期，往往需要准确掌握工程所在的地质构造、岩体结构形态以及地基稳定性等基础特征1。岩体是指在一定工程范围内，由包含软弱结构面的各类岩石所组成的具有不连续性、非均质性和各向异性的地质体2-4。岩体是在漫长的地质历史过程中形成的，具有一定的结构和构造，并与工程建筑有关。通过地质钻孔能够有效获取地质地层结构信息，为地下空间精细化探测提供了实施通道，为此，地质钻孔是目前能源、交通、水利等各领域工程中被广泛应用的技术手段之一5-7。在施工过程中对地质钻孔中典型岩体结构进行精细化探测、岩体结构特征可视化、岩体结构特征参数定位具有重要的实际意义。传统的钻孔信息往往以柱状图或者各孔之间的连线方式进行呈现，属于一种静态和固定角度的平面二维展示方式，若能够将地质钻孔数据以三维的方式进行描述和展示，能够呈现出更多钻孔岩体结构的细节信息，为进一步定量分析岩体结构和地质资源提供更为有效的数据支撑，因此，将地质钻孔的数据进行三维可视化处理具有重要意义。目前能够进行地质钻孔的测试技术手段众多，根据不同的测试原理，采集的数据也存在明显差异，主要的理论基础涉及到：光学、电学、磁学、电磁学、声学、热学、核物理学等8-10，其中，最直观呈现孔壁特征信息的技术手段是利用光学成像原理的钻孔摄像技术。钻孔摄像技术利用截头的锥面反射镜，通过图像变换处理技术，实现了钻孔岩壁的360 图像采集，形成的图像能够有效反应钻孔岩体的颜色差异与纹理信息11-12，然而，由于采用的是单一钻孔成像技术，获取的主要为二维图像信息，形成的柱状图为虚拟的三维岩芯图，无法有效区分充填结构与非充填结构，其获取的数据对描述钻孔整个区域还不全面13-14。为了减少不必要的地质灾害，需要尽可能的确定非填充区域的几何特征，便于及时治理。传统的钻孔轮廓测量通常采用井径仪，由于井径仪展臂的数量有限，导致在钻孔同一断面轮廓上采集的点数较少，容易产生较大的误差15。王川婴等16自主研发了一套基于双锥面镜成像的钻孔摄像系统，可以从 2 个不同角度对同一孔壁结构特性进行像对成像，并得到钻孔孔径的形态变化特征和孔壁细节的差异特征。王益腾等17-18提出触头式显微光学孔径变形测量方法，通过利用显微光学成像技