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历史和现实启示，必须加强水文生态的研究和人才培养。1992年，作者指导的博士生冯国章同志，以“水事活动对区域水文生态系统的影响”为博士论文选题开展研究，该论文2000年获全国百篇优秀博士论文奖，说明专家学者们对这方面研究的支持。作者积极建议开展干旱半干旱地区水文生态与水安全研究和人才培养，值得高兴的是教育部和国务院外国专家局批准了“111”引智计划———“干旱半干旱地区水文生态与水安全学科创新引智基地”项目，经过3年多的研究，作者对水文生态有了进一步的认识。
关于水文生态（学）的科学界定与学科内涵
在冯国章教授的论文中，对水文生态作了这样的界定：“所谓水文生态，实际上就是水文生态系统，它是由水文系统和生态系统复合而成的，集水文循环与生态进化及其共同的自然环境、人工环境于一体的，具有耗散结构和远离平衡态的、开放的、动态的、非线性的复杂巨系统”［2］。具体的水文系统是指由一定的地理空间内的各种水体及其形成、运移和赋存环境（自然的、人工的或复合的）所构成的地理、地质、生物（包括人类）等环境功能系统整体，是一个开放的复杂巨系统，同时又是一个动态的非线性系统。生态系统的定义是人们比较熟知的，它是生物群落及其生存环境共同组成的动态平衡系统；具体的生态系统是在一定的地理空间和地质系统内，生物和非生物成分通过物质循环、能量传输和信息交换而相互作用，相互依存所形成的生态学功能单元。由于水是生命之源，是万事万物之本，是生态环境的基本要素，因此，生态要素中包括着水，水文系统必然影响生态系统，生态系统的变化———如退耕还林、修造梯田，也必然影响水文系统，2个系统相互影响，具有明显的关联性和协同性，应当是一个统一的水文生态功能整体，如图1所示。因此，随着自然的和人类认识的发展以及生产实践的需要，把水文系统和生态系统作为一个整体———水文生态系统而加以看待和研究是科学发展的必然，具有十分重大的理论意义和实用价值！在水文系统和生态系统都很脆弱敏感的干旱半干旱地区尤其如此。正因为这样，我们把教育部和国务院外国专家局下达的项目“干旱半干旱地区水文生态与水安全学科创新引智基地建设”，看作一项时代的需求加以对待，通过向世界引智，向全国合作加以实现［3］。从图1可以看出，水文生态系统有大有小，人们也可以把地球看成一个大的水文生态系统，一条大江大河也会构成水文生态系统，而在其内的小江小河和中、小河流域也可以构成相应的水文生态系统。因此，水文生态系统是具有层次性的。水文生态系统的组成因子可以概括为“水－土－光－热－气－植－动（物）和人类”。再具体一些可列成图2。
水文生态系统的实例举示
水文生态系统可能是天然形成的，也可能是人工的，也可能是人工参与雕琢的。水文生态系统满目皆是，这里举示几个最具代表性的水文生态系统———灌区、梯田和绿洲。
1灌区水文生态系统如图3所示，所谓灌区水文系统是人为地修筑引、输、配水渠（管）道系统，将河水或井水引至田间，浇灌农田的灌溉工程。依靠灌溉工程保证作物、林果茁壮成长所需水分，配合光、热、气、土壤资源和生物资源的组合，形成具有良好农业生产条件的新的生态系统———灌区水文生态系统。
2梯田水文生态系统梯田是在易于产生水土流失的坡地上，分段沿等高线建造的阶梯式农田。梯田是治理坡耕地，保持水土、蓄雨纳渗的重要工程措施，梯田的最大作用是蓄积降水截流纳渗，结合土壤改良和窑窖等工程措施，消除径流，从而形成能够保持水土、有利农耕的水文生态系统，图4显示了这种系统及其功能。
3绿洲水文生态系统绿洲是指在荒漠地区比较平坦的地方，由于来自山区的地表水的滋润或地下水的抬升岀溢，使当地出现生长茂盛的生物群落，呈现较大面积的绿色景观，如图5所示。绿洲的出现充分体现了水的生态功能。绿洲的出现仰赖于水的滋润，如果补给水源遭到截取，则绿洲陷入萎缩消亡。因此，要保护和恢复绿洲生态系统，就必须保护和复壮水文系统，要破解绿洲生态的兴衰问题，其要害也在于抓住水文生态系统的动态变化。
关键词：防渗帷幕 钻孔压水试验 岩溶 电磁波CT 大功率声波CT 钻孔全景录像
中图分类号：TV543 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（b）-0024-02
四川武都水库位于四川省江油市境内的涪江干流上，是综合利用的大（I）型水利工程。前期勘探及坝基开挖显示该工程处于强岩溶发育区，在坝址区左岸发育一个大的K108岩溶管道系统，在右岸坝基下面发育一个巨大的K111溶蚀大厅，坝基上游侧发育1个较大的岩溶通道，坝基开挖及灌浆遇到较小的溶洞不低于20个。
该水库防渗帷幕线长约1.1 km，其中左岸山体布置灌浆平洞3层，右岸山体布置灌浆廊道2层，右岸顶层帷幕采用地表灌浆。
1 检测方法概述
1.1 复核及优化帷幕灌浆底线
复核及优化帷幕灌浆底线是我们在多年实际工作中总结的经验，是一个新概念。其方法即是综合利用钻孔压水试验、钻孔全景录像及电磁波CT等手段进行前期测试，达到三个目的：①对原设计防渗帷幕底线进行复核，以保证防渗帷幕底线确定的可靠性；②对可能优化部位，进行优化，节约工程造价和节省工期；③发现对工程不利的其他地质因素，提出解决方案。本次工程即采用此方法，得到业主的大力支持，取得了良好效果。
1.1.1 钻孔压水试验
传统的压水试验分单塞和双塞两种方法，由于传统的双塞法在封堵上存在封堵不严或易造成卡孔事故，一般采用单塞的方法。单塞压水试验是在钻孔过程中，钻到一定的深度后，用塞球封堵在某特定位置，利用钻机的重量让塞球变形达到封闭塞球与钻孔底段的目的，从而利用相应的压力计、流量计进行测试。为了减少对钻孔施工的影响，本程中的压水试验采用了改进的双塞压水试验的方法，即钻孔一次成形，利用油泵对特定长度的两段塞子进行加压让塞球变形达到封闭的目的，再利用压力计和流量计对该段的渗透率进行测试，该方法不依赖钻机，也不对钻孔施工造成影响，提高了测试效率与精度。
图1为钻孔压水试验成果图，根据规范要求解释试验成果图对岩体渗透性进行分类。同时结合设计给出的防渗标准，对比设计底线发现小桩号端底部岩体属于微透水区，该部位底线可抬升；而大桩号岩原底线下部岩体的透水率值大多在5Lu以上，远高于设计标准，为保证工程质量，则建议该部位的防渗帷幕底线下调（图1）。
1.1.2 电磁波CT
（图2）为电磁波CT解释成果图。对成果图分析研判，初步辨别不良地质构造的分布情况，再结合钻孔压水试验成果和实际踏勘情况，对原防渗帷幕底线进行复核及优化。
1.1.3 大功率声波CT
在0+30、0+54位置完成了预定深度的钻孔，并进行了钻孔大功率声波CT检测。大功率声波成果图见图3。
从大功率声波成果图上可以看出，钻孔深度60 m以上，岩体波速较高，反映出岩体完整；钻孔深度60～70 m间存在2000～2800 m/s的低波速区，解释为砂层分布区，分布形态上看，小桩号端较厚，大桩号端较薄。
由于砂层埋深深、规模大，对工程影响大，属不良地质体，为保证工程质量，最后确定的处理方案是先对砂层段进行高喷处理、再进行细磨细水泥灌浆、最后根据检测情况确定是否进行化学灌浆处理。
1.2 岩溶灌后检测
施工方完成高喷灌浆后，我方利用钻孔压水、钻孔全景录像、大功率声波CT对灌浆效果进行检测，得到如下结果：
（1）钻孔压水试验成果反映：经高喷灌浆处理后，检测钻孔的透水率大多数小于1.0 Lu，说明采用高喷灌浆处理的效果良好的。
（2）大功率声波CT成果参见图4，通过成果图可以看出砂层区域的波速大幅提高，高于3.4 km/s，低速范围缩小，反映了高喷灌浆的效果良好。
（3）钻孔全景录像成果参看图5，其中发现不良灌注孔，全部进行处理，达到了控制施工质量的目标。
2 结语
通过此工程我们可以看到，对于防渗帷幕灌浆质量检测应该分为前后两步。灌前进行帷幕线的复核和优化工作，查清不良体发育范围、规模，用以指导灌浆施工；灌后采用多种方法综合判断，提高防渗帷幕灌浆施工质量的可靠性和准确性。
参考文献
[1] 朱保粮，施建新.水工隧洞固结灌浆效果检测和评价[J].海河水利，2000（5）.
关键词:滑坡；稳定性；分析评价
一、引言
坪头水电站位于四川省凉山彝族自治州美姑、昭觉、雷波三县交界处的美姑河上，距西昌市173km，距美姑县城86km，距美姑河汇入金沙江的汇入口10km。坪头滑坡位于主库段左岸斜坡地带。
二、工程地质条件
地形地貌
美姑河在该库段侧蚀比较严重。坪头滑坡体发育的左岸较陡，滑坡体前缘为一高度大于5m的陡坎，平均坡度32～37°，向上坡角逐渐增大至55°左右。微地貌上，滑坡于两山梁间，一条深约10m的冲沟从滑坡体中间穿过。
地质构造、地层岩性与地震
库区附近发育的南北向普雄河断裂带、美姑河断裂带、刹水坝～马颈子断裂对滑坡体有一定的影响，该断裂为南北向构造，倾向西，断层带宽约20m，为压扭性断裂。该断裂对坪头滑坡体上游侧岩层影响明显，局部揉皱带岩石破碎。坪头滑坡体上、下游均有基岩出露，岩层产状300o＜25o。岩性较单一，层厚30～80cm。
根据滑坡地质灾害防治工程地质勘察技术要求及《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），坪头滑坡附近地震动峰值加速度等于0.05g，影响至工程区的地震烈度大多不超过Ⅵ度。
水文气象
库区地处川西高原气候区，形成了独特的山区性气候。库区的多年平均年降水量在814.3mm，多暴雨，当地水文站观测的最大24h雨量为186.6mm。
三、滑坡基本特征
坪头滑坡于美姑河左岸，滑坡体前缘高程1700m，后缘高程1920m，高差220m。滑坡体主要由块石、碎石及粉质粘土组成。块石直径为1~1.5m，碎石粒径一般25~40cm；岩性主要为青灰色砂岩和少量粉砂质泥岩。滑坡体顺（沿）河长150m，横河宽570m，上薄下厚，前缘最大厚度达35m，后缘堆积厚度在2~4m间。估算滑坡体体积为120×104m3。
从地形地貌上看，滑坡体中上部坡角为40~50o，坡体前缘受美姑河冲刷严重，坡体前缘临空。崩坡积块碎石、碎石间多存架空结构，较松散。同时滑坡体中间发育一条泥石流沟，沟深7～10m，宽度10～20m。沟侧的堆积松散，多处有拉裂缝。裂缝较宽较长，宽度5～10cm，拉裂缝延伸最长有15m。
公路外侧挡墙因滑坡体变形及河流冲刷等原因发生强烈变形移位，多处产生滑移，错距最大达3m左右。
四 滑坡稳定性评价
（一）定性分析
滑坡体整体坡形较陡，中上部坡角为40~50o，坡体前缘受美姑河冲刷严重，坡体前缘临空，滑坡体汇水面积大；堆积物多松散，存架空结构，出现了多条张开裂缝，局部已出现松弛滑塌、蠕动滑移变形的迹象；公路外侧挡墙发生强烈变形移位，向冲沟滑移，在坡脚发现有多处有水渗出的现象。
以上种种迹象表明，该滑坡存在失稳的可能。
（二）稳定性计算
根据各勘探剖面在滑坡中的位置及其代表性，本次稳定性计算选取Ⅰ－Ⅰ主剖面作为计算剖面，如图-2。
1 计算工况及荷载组合
据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL 5180―2003），对照水电站拟装机容量180MW，电站工程等级为二级，工程规模为大（2）型，对应的水工建筑物级别为2、3级，边坡级别为2级。
2计算参数的确定
根据土工实验结果，现场大剪试验，结合经验综合确定滑坡的参数如表-1。表-2为坪头滑坡整体稳定性系数及安全评价简表。
3 计算结果分析
1）天然状况或施工状况下，该滑坡整体稳定性系数约为1，整体处于临界状态。其它工况情况下的稳定性系数为在0.799～0.997，均处于不稳定状态。
2）蓄水状况下，该滑坡整体稳定性系数为0.712～0.91，处于不稳定状态。暴雨情况下稳定性系数为0.842～0.876；若考虑地震影响，其稳定性系数为0.712～0.733，均处于不稳定状态。
结论
通过对现场的实地调查与试验，结合室内分析研究，评价洛坪头坡在目前状况下已处于失稳的边缘，在水库蓄水、暴雨等不利因素作用下将处于失稳状态。
滑坡体现状天然状态稳定性差。有进一步垮塌趋势。滑坡体所处岸坡下覆基岩界面较陡，不利于滑坡整体稳定。滑坡体的组成物质块、碎石土密实程度不高，局部架空，坡表渗水点较多，这也是不利于稳定的重要因素。滑坡体中部有一定深度的冲沟使滑坡体部分解体，加剧了冲沟两侧滑坡体的局部变形。
稳定性计算结果表明，天然状况下滑坡体处于极限平衡状态，表现为滑坡体前缘垮塌，以牵引式渐进性破坏后退，整体处于稳定～欠稳定状况，不能满足水库运营的安全要求。若再考虑降雨、地震、蓄水等因素，滑坡体将处于不稳定状态。
参考文献
[1] 严福章，水库滑坡复活机理及其发展趋势预测研究[博士论文][D]，中国科学院地质与地球物理研究所，2004.
[2] 严春杰等，三峡库区巴东新县城岩层软弱带特性研究[J]，成都理工学院学报. 2001，28：45~48.
关键词：防渗；高压；喷射；帷幕；应用
一、高压喷射帷幕的工作原理
工程施工中防渗处理主要应用是高压喷射帷幕技术。高压喷射的工作原理是把带有喷嘴的钻机注满调配比例均匀的浆体，使用钻管钻进土层预定的位置。高压喷射设置为20mpa左右使防渗的混合浆液从喷嘴在压强下喷射注入土体。由于压强的作用浆液呈脉冲形态，以大能量高速度的方式喷射到施工土层，增强土体结构强度和韧度的结构变化过程中，土里从土体里分离出来。细小不能固化的土粒随着浆体冒出施工表层，大部分土粒在高压的喷射作用下受到冲击力、压力和离心力的推动随着浆体的搅拌结合成新的混合物，按照新的排列比例产生固化。固化后的浆体分子质量排列产生新的变化，在高压的作用下形成稳定的分子结构，产生了新的物质韧性带就是我们常说的防渗帷幕。
我国防渗高压喷射帷幕施工中常用的旋喷（就是旋转性喷射）浆体注入形式。施工方法是喷头在喷射工作中以旋转和提升为运动方式，帷幕的形成方式是以圆柱体排列。旋喷法的优点是加固土层的抗剪强度、抗压强度、拉伸韧度，改变土壤密度小容易形变的特征。在施工层悬空表面在结构荷载直接作用下依旧固化圆形，形成我们需要的闭合性帷幕。闭合性帷幕的作用可以截阻地下水流也可以治理流沙。
工程基础高压喷射帷幕通常不选用旋喷技术。因为基础在下方不需要提升，高压喷射帷幕制作喷射通常用定向喷射固化泥土浆体结构的办法进行现场施工。在定向喷施的施工过程中，喷嘴插入土壤在喷射的过程中成平稳提升状态，喷射的方向不进行改变。定向喷射帷幕的形状多成壁装。最实用与水利性质稳定的河堤边坡，和深度工程防水基础施工。
防渗高压喷射被广泛应用的原因是主要通过压强的作用，对原材料的选择性价比很低，成本的低廉是广泛应用于矿山、电站、堤坝、水底工程、煤炭采集工程的主要原因。防渗喷射原材料浆液主要构成是以水泥为主添加少量的化学制剂为辅助料进行配比而成。施工中在没有特殊图纸规定、地质断层、土壤水份超标的状态下通常使用的是425号硅酸盐水泥即可。在特殊的施工土层例如：土中含有高腐蚀性元素、土壤水份含量超过施工安全规范等固结强度标准要求过高的状态下在喷射浆体里需要加入超速凝结剂和超早强固化剂等对应的化学添加剂来达到工程需要的凝结时间和速度。得到耐腐蚀、耐寒、耐水浸的施工效果。为了环保和降低工程费用防渗高压喷射中可以掺加一定比例的粉煤灰，可以减少涂层的重量，煤灰中的碳化物还是最好的固化分子。碳的结构分子式和钻石的结晶分子式几乎相同，分子的质量和硬度都是建材的首选材料。只有合理的利用既可以做到环保也可以提高工程质量，还可以减少注浆材料的成本价格。
二、防渗高压喷射帷幕的应用
由于土壤、土层变化多样，冲积层、断层、沙陷层等复杂的地质地貌处理需要工程施工设计中高科技含量的施工方法，高压喷注在软土层和水下施工中应用较为广泛。这种施工方式可以增加地基强度、强化地基的承载能力、减弱地表下沉的速度。扩散桩基的应力层，增强桩基的韧度。
河堤、围堰、井下、水下工程最为常用。由于工程的优点是增强土质密度和强度地下工程建设中应用较为广泛。在压强的作用下增强基础土层之间的摩擦力，可以不改变建筑物地表状态的情况下对建筑物基础进行维护和保修。是治理小面积塌方的最好办法。应用市政水利工程、污水治理工程等方面，可以固化渗水范围、控制溢水指数、水库坝基加固、防止沙土流动、整治路基翻浆、加固桥基水下部分、加固建筑物基础。
高压喷射帷幕由于其施工的随意性 可以在工程施工之前、也可以在工程施工中期、只有工程需要随时都可以进行维护型施工、强化型防护工作。由于其优点是不突出地层表面施工加固，不影响正常的工程进度，不占有建筑物的正常施工面积。对于图纸设计的要求不是很高，主要针对地质状况和突发性地质问题，例如：渗水度、突发性溃堤等紧急状态都可以随意的应用。不用等待图纸的设计和制定，可以随发、随用。随意性强、安全性强、对于大型的加固问题是最好的处理方案。
由于高压喷射帷幕的施工地点主要面向地质问题严重无法进行正常施工的地段，成为水下隧道主要施工手段。水下隧道施工技术主要应用了高压喷射、高压推进等技术。
三、防渗高压喷射帷幕的施工规范
防渗高压喷射帷幕的施工方式根据不同的土壤性质和施工环境可以更换喷管的根数对土壤进行机构固化。高压喷射施工简便，施工过程主要通过土层中钻出直径为50毫米或者300mm的小孔，通过小孔在土层中用高压进行浆体的固结体喷射。施工过程中环境污染的能力很小。由于是以空气压缩的方式进行浆体推进，对空气的污染指数很低。由于施工地点对位于地下，工程噪音指数也不会超标。
地表深度作业的顶部施工过程中由于土层组织脱落的频率过高通常使用单管旋喷浆体喷射方法。为防止土层脱落用特殊的喷嘴，把注浆管从土层底部侧面的方向置入土体，借助注浆管的的旋转使土体凝固形成固态结晶，起到固化的作用。
水下施工中通常是用的是双通道的二重注浆管和多管注浆技术。在注浆管钻入预定的施工层之后打开喷射管底部的同轴喷嘴，高压浆液同时喷射，压强通常选择20mpa的压力值，并且同时用其它管口用0.7mpa的压强把压缩空气同时推入土层。浆体在气流的作用下产生推力，增加固体直径面积，增强帷幕的面积和体积。起到大面积快速加固作用。
工程施工方式便捷，由于喷嘴和喷管可以根据喷射的方向随时改变，喷嘴的压力和流量都有着开关控制，在增减压力更换喷嘴方向的状态下可以直接改变结晶体的形状、大小、体积。工程施工随意性强，工程难度低。
为了保证工程质量和施工安全随时监控高压阀门的安全设置，压强范围。压力必须严格控制在规定的范围，保证阀门的开关的灵活性。由于浆体密度大，沉淀性能强和空气的密度相差过于悬殊，所有不会造成由于堵孔产生的爆炸问题。工程施工可以安心的进行。施工胶管规定直径是19毫米的三层钢丝高压胶质管材，很难损坏，只要定期做好机械设备的检修和维护管理，质量和安全都是很容易保证的。
结束语：
高压喷射技术是针对地质问题难度大的施工地点，进行强度施工的一种施工技术。广泛推广高压喷射防渗技术也是提高施工技术的主要标志。
参考文献：
[1] 郑联伟;罗雪峰;;软弱围岩隧道施工技术[J];中国水运(下半月);2010年01期
2008年初的一天下午，天气非常寒冷。金晓丽下班后，坐公交车赶回位于武汉市尤李村的出租屋。男友胡旭峰因为撰写博士论文，连续熬夜，正在生病。
下了车，金晓丽急匆匆赶往租住屋。远远望去，只见那幢小楼浓烟滚滚，有人大声喊：“不好了，着火了！”金晓丽心里咯噔一下，一边急步奔跑一边呼喊男友的名字，可人群里哪有他的身影？
“他正在发烧，人迷迷糊糊的，肯定没跑出来。”金晓丽想冲进去救人，可有人拉住她：“你疯了，火这么大，冲进去会烧死的。等一下，消防车马上就到了！”“我男友还在里面，一秒钟都不能等啊！”金晓丽从别人手里抢过一桶水，从自己头顶浇下，然后一头扑进火海。
几分钟后，消防车赶到。很快，消防员抬着昏迷的金晓丽冲出来了，因为她昏倒在卫生间才幸免葬身火海，但屋里再无别人。
此时，一个年轻男子向人群走来，听见旁人议论：“这女孩真傻，硬说她男友在里面，拼了命冲进去救。”男子顿感不妙，丢下手中的购物袋冲到担架前一看，不禁失声大喊：“晓丽，你怎么了？”原来，这名男子正是胡旭峰，他下午退了烧，头也不疼了，就去外面买菜，想给女友做顿好吃的，返回时却看见人们正在救火……
昏迷不醒的金晓丽，被120急救车送往医院。经检查，她的面部和身体均有烧伤，烧伤面积达30%，尤其是腹部，医生鉴定为二级烧伤。经过5个多小时的手术，烧烫坏死的肌肉组织全部清除，金晓丽脱离了生命危险。隔着重症监护室的玻璃窗，看着躺在病床上的女友，胡旭峰心痛地流下眼泪。
胡旭峰19岁时，考入南昌大学电子工程系。在校期间，他到老人院做义工，期间结识了大一中文系女生金晓丽，两人成了一对情侣。2001年秋天，胡旭峰考取南昌大学研究生，2004年成为华中科技大学的博士生。金晓丽本科毕业后，随男友一起来到武汉，在一家电器公司谋到一份文员的工作。
出事第二天，胡旭峰父母和金晓丽70岁高龄的爷爷赶到了武汉，两家人凑了12万元给金晓丽治病。几天后，金晓丽转到普通病房，她全身仍缠满绷带，只露出嘴巴和眼睛。见到胡旭峰时，她张开嘴，轻声说：“你没事，我就放心了。”胡旭峰的眼圈红了。
两周后，金晓丽全身的纱布拆了，左脸留下一块巴掌大的疤痕，身上留下大面积疤痕。主治医生告诉胡旭峰，因为金晓丽腹部烧伤，皮肤失去弹性，以后难以怀孕生子。听到医生的话，大家的心情异常沉重。
出院后，金晓丽辞了工作，每天躲在屋里不肯出门。尽管胡旭峰在女友出院前就把家里的镜子全扔了，但金晓丽还是找到一只粉盒，从粉盒的镜子里看到了脸上的烧痕，她歇斯底里地砸碎粉盒，抱头痛哭。胡旭峰安抚女友：“医生说，等过几个月你脸上的疤痕长成熟，就可以做修复手术。”
不久，胡旭峰通过论文答辩，获得博士学位。为了筹钱给女友进行后续治疗，他放弃在高校当老师的机会，应聘到汉阳一家水利工程公司做设计师，月收入7000多元。为了多挣钱，他每天忙到深夜。好几次，金晓丽夜里醒来时，发现男友趴在桌上睡着了。凝视着男友疲惫的面容，她觉得自己成了他的累赘……
2007年春节，胡旭峰带着金晓丽回老家过年。一天晚上，金晓丽无意中听到胡旭峰的母亲对儿子说：“她将来不能生孩子，胡家就你一个独子，你总不想让胡家绝后吧？”那一刻，金晓丽决定离开胡旭峰。
大年初二，两个人一起回到金晓丽的老家盐城。假期结束后，金晓丽说自己想再陪爷爷一段时间，让胡旭峰先回武汉。返回武汉不久，胡旭峰便收到了金晓丽的信：“这一年多里，你为我吃了很多苦，这份情，我永生难忘。我不能为你生孩子，这是我最痛苦的事。我更不想看到，你身为博士，为了我过得那么辛苦。我去了一个偏远美丽的地方，你不用找我。如果你爱我，请忘了我，好好生活下去。”
胡旭峰马上给金晓丽打电话，怎么也打不通，他简直快急疯了。周末，他匆匆赶到盐城，询问金晓丽的下落。金晓丽的爷爷被胡旭峰的诚意打动，说出了孙女的去向。原来，金晓丽参加了江苏一个机构组织的大学生支教团，随团到贵州去了。
博士千里寻爱到深山
胡旭峰前往贵州寻找女友，他先坐火车到贵阳，又从贵阳坐长途汽车到从江，再徒步前往那个叫大塘的小山村。天下着雨，他深一脚浅一脚地走了好几里山路。傍晚，他来到了大山深处的学校。
胡旭峰找到校长，自我介绍是来支教的志愿者。他打听到金晓丽的住处，迫不及待地去找她。来到一个小木屋前，透过开着的窗子，胡旭峰终于见到了日思夜想的女友。她正坐在昏暗的屋子里做刺绣，神情落寞而寂寥。
胡旭峰鼻子一酸：“晓丽！”金晓丽转过身，望着满身泥泞的男友，眼泪夺眶而出：“你怎么来了？”
胡旭峰恳求道：“你跟我一起回去吧，我要挣钱为你整容，就算你不能生孩子，我也不在乎，你明白吗？”金晓丽强忍住内心的激动，冷冷地说：“你如果留在这里，我就走！”两人僵持不下，最后，金晓丽妥协了：“你可以留下，但不要跟任何人提起我们的过去，否则我会马上离开这里。”胡旭峰答应了。
胡旭峰和支教老师们打成了一片，白天教孩子们学习，晚上聚在一起玩。金晓丽从不参加大家的活动，不上课时，她总是把自己关在小木屋里。
胡旭峰的到来，引起了一个女孩的关注。她叫谢曼，来自广州，家庭条件很好。谢曼身材婀娜，长相甜美，追求者甚多，但心高气傲的她一直没有遇到心中的白马王子。胡旭峰儒雅稳重的气质，深深打动了谢曼。
金秋时节，一年一度的苗族庆祝活动开始了，老师们到寨子里和苗家人一起欢庆。苗家青年人穿上了节日的盛装，载歌载舞，互相对歌，倾吐爱慕之情。谢曼加入了苗家女孩的队列，唱起了情歌。有人打趣她是唱给胡旭峰听的，便鼓动胡旭峰对唱。热情的苗家小伙自告奋勇地教胡旭峰唱歌，胡旭峰只好硬着头皮唱了几句。谢曼的心里像喝了蜜一样甜，等着胡旭峰向她表白……
周末，大家相约去山里野炊。胡旭峰想陪伴金晓丽，推说有事不去了。傍晚，大家返回学校时，看到胡旭峰和金晓丽坐在山坡上，胡旭峰搂着金晓丽的肩。大家不解：胡旭峰怎么会看上这个性格孤僻的丑姑娘呢？谢曼觉得颜面尽失，对金晓丽生出怨恨之心。
几天后，谢曼去保管室领办公用品，恰好碰见金晓丽，她没好气地说：“你凭什么跟我抢，你凭什么跟胡旭峰好，就凭你这张脸吗？”金晓丽的脸涨得通红，她扭头冲出了保管室。
事后，胡旭峰去找金晓丽，想好好安慰她一番。金晓丽不在宿舍，桌上有一封信：“谢曼很爱你，你也对她有好感，你们俩很般配。我们的缘分，其实早该断了。我走了，希望你好好爱她。”
胡旭峰急得寝食难安，向校领导递交了辞呈。得知胡旭峰要走，谢曼再也顾不上自尊和矜持，对他说：“难道你还不明白我的心吗？我爱你，我不放你走！”胡旭峰只好将自己与金晓丽的故事和盘托出。谢曼惊得目瞪口呆，她连声说着“对不起”……
胡旭峰通过各种渠道，终于打听到金晓丽的去向。原来，金晓丽有个远房亲戚在上海宝山区一家工厂当负责人，金晓丽去那里上班了。
30万整容还你最美新娘
胡旭峰来到上海，见到金晓丽。金晓丽说：“我离开，是想成全你们，因为谢曼很爱你。”谢曼也来到上海，她真诚地向金晓丽道歉，并且表示愿意帮助金晓丽整容。谢曼的肺腑之言打动了金晓丽，她接受了谢曼及其父母的资助，也接受了胡旭峰坚如磐石的爱情。
几个月后，胡旭峰和谢曼陪金晓丽来到上海一家医院。医生说，金晓丽的面部容貌可以通过植皮得到修复，加上腹部疤痕修复的费用，大约需要30万元。
由于疤痕增生较明显，须采用植皮术。根据金晓丽的创面情况看，从她自己身上取皮困难。胡旭峰决定为女友捐皮，最终，医生取用了他的头部皮肤为金晓丽植皮。胡旭峰忍着剧痛，在一个月时间里连续做了三次捐头皮手术。
10天后，医生高兴地宣布：“移植到金晓丽身上的皮肤全部存活！等她腹部的新皮肤完全长出并稳定成熟后，只要孕期控制胎儿体重，她完全可以顺利生子。”
关键词：激光遥感技术； 古建筑保护； 历史街区保护； 三维重建
Abstract：Nowadays, the application of laser remote sensing is a great chance for protecting ancient architectures and historic districts. This paper introduces the principles and applications of laser remote sensing technology; then it focuses on the laser-based of ancient architectures: measurement, 3D reconstruction and the application of protecting ancient architectures based on 3D reconstruction; And it expounds on the laser-based 3D reconstruction of historic districts and the application of protecting and redeveloping historical districts; Finally, it analyses the prospects and problems that need urgent solution of the protection of ancient architectures and historic districts based on the laser remote sensing technology.
Key words：laser remote sensing； protection ancient architecture； historic district； 3D reconstruction
中图分类号：O433.5+4
文献标识码：A
文章编号：1008-0422(2008)02-0121-04
城市古建筑及历史街区延续了城市历史文脉，是城市根源的具体体现。随着经济社会的发展，必须采取积极的手段进行保护、利用古建筑及历史街区。保护和利用过程需要对古建筑进行维护、整理或修复，同时也需要保护或恢复历史街区的空间格局与尺度。国家重大古建筑在大规模修复前要求进行精确的测绘工作，以取得较完备的科学记录档案，为古建筑规划保护和修复提供第一手资料，同时也是研究中国古建筑史和建筑理论的重要资料[1]。因而对于保护、利用古建筑及历史街区，测绘和记录两者的完备资料是最为主要的。
1激光遥感技术的介入
传统的由建筑师手绘的结构图和由地面近景摄影测量方法测出的结构图都能够表达建筑的关键部位和整体结构，但由于技术手段的局限，难以对古建筑进行快速测绘和对整体立体空间进行清晰的表达。据文物部门统计，我国目前被列入保护范围的古建筑群有近30万处，古建筑的保护、抢救及修复的工作量非常大，而传统的建筑测绘和资料整理的方法和技术手段远远不能满足古建筑保护的实际需要。
新型传感器――地面激光扫描仪和配套的专业数码相机融合了激光扫描及遥感等技术，可以同时获取空间三维点云(Point cloud)和彩色数字图像(Color imagery)两种数据，扫描点空间定位精度达到5~10mm的扫描精度，使该项技术成为欧美等国在高效率空间数据获取方面的研究热点。近年欧美等地应用涉及城市规划、资源调查、灾害管理、工程设计及国防等方面，特别在城市三维景观、古建重建、虚拟现实与仿真等方面。
激光扫描技术可以快速重构整个建筑的全方位立体空间，完整描述建筑物的每一个关键要素，因此可以为古建筑保护与更新提供真实准确的三维模型。保护方案依据真三维模型来制定，不仅提高工作效率，而且修复计划的精细程度和表现效果大为提高。因此，利用地面激光扫描仪进行古建筑和历史街区的保护具有重要现实意义，也是一项高科技的文化工程。
2激光遥感技术的应用现状
2.1三维激光影像扫描技术原理
本文所提的激光遥感技术特指三维激光影像扫描技术，三维激光影像扫描技术又称“实景复制技术”，它利用三维地面激光扫描仪可以深入到任何复杂的现场环境中进行扫描操作，并直接将各种实体的三维数据完整地采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据, 同时, 它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作(如: 测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等) [2]。所有采集的三维点云数据及三维建模数据都可以通过标准接口格式转换给各种工程软件直接使用。
在三维激光影像扫描仪所获数据组成的立体模型上可以非常精确地量测出建筑物及物体的尺寸，完全可以代替传统的测量方式。三维激光影像扫描仪的单点精度，一般可以达到毫米级，这对于古代建筑物的几十米体量来说，精度已经够用，并且它建模以后的量测精度不比传统测量方法差[2]。三维激光扫描最大的意义在于效率高，激光扫描内外业所需时间往往只有传统方法测量的1/20。另外传统方法只测到了物体部分点的数据，而激光扫描则测量到了物体的全部细节。
2.2激光遥感应用现状
激光遥感应用范围非常广泛，主要包括对地形、建筑物以及其他对象进行高精度测量。
2.2.1带状地形测图数据采集
地面三维激光影像扫描仪可进行野外局部带状地形区域分段扫描。在具有一定重复扫描区域内，进行三维影像拼接和合并生成带状影像图。通过少量的测量控制点转换到国家或城市坐标系中，用地形和地物的三维点云数据建立模型，生成带状地形图。对于铁路、公路、大江大渠两岸的局部不规则带状地形图测量，较常规测量速度快、精度高[3]。
2.2.2建立高精度的数字地面模型和城市模型
三维激光扫描影像数据作为GIS 系统和数据库更新的重要来源。采集的三维点云数据经过拼接和合并后，进行数据预处理剔除粗差数据，运用数据滤波和分类算法获得地面高程数据以及地物数据。地面高程数据用于建立高精度的数字地面模型，地物数据经提取和目标识别处理可实现城市三维模型的建立。
2.2.3古文物建筑物测量及逆向工程应用
地面三维激光影像扫描技术可为三维数字化设计、三维测量及逆向工程、快速模具制造等相关技术方面提供服务。能够快速高精度地完成复杂的古建筑结构测量，大型景观(如建造大佛景观)三维数字设计与模板制作。
1999年，来自斯坦福大学和华盛顿大学的一个30人小组使用三维激光扫描系统对意大利佛罗伦萨的米开朗基罗的大卫雕像进行了测量，近距离目标点的测量精度达到了亚毫米级[4]。举世闻名的中国山西大同云冈石窟，时下正由文物管理专家展开三维激光测绘，并绘制精确的“三维立面图”，以便对五万余尊千年古佛像进行保护和修复。正在进行的北京故宫修复工作中运用了多项现代测绘技术，其中包括激光扫描，它具有快速、精确、多方位的特点，为古建筑测绘探索新的途径。
2.2.4其它方面的应用
此外，地面三维激光影像扫描仪可应用于复杂工业设备的测量与建模、房屋建模与房产图测量、工程建筑物变形监测、灾害三维实时监测、事故灾害评估、矿山及隧道测量和大型水利工程安全监测与研究等方面[3]。
3基于激光数据的古建筑保护应用
3.1古建筑量测
目前很多古代建筑缺少可用的CAD数据，即使建立低水平的细节CAD模型，也需要借助测量和其他方法，必须进行大量耗时的，成本高昂的，而且非常困难的测量，更不用说制作正射影像了。数字正射影像是一种既具有像片影像特征同时又具有线划地图数学、几何与制图特征的图种。由于其包含的信息丰富、直观性强，具有可量测性，因而受到人们的广泛关注[5]。
采用三维激光影像扫描技术，能在不损伤建筑物的条件下，快速采集古建筑物外部表面的精确数据。通过使用软件，可以快速地为扫描获得的点云赋予相应的彩色信息，再经过加工便制作成正射影像，向用户展示一个完全的实景彩色图像。如图1所示。相对于以往近景摄影来说，正射影像具有更为精确的可量测性，古建筑设计和保护人员可以精确对门、窗、柱、梁等构件进行测量，如图2所示。借助CAD便可以制作出用于施工的CAD数据图，如图3所示。
3.2古建筑三维重建
古建筑三维重建的关键问题主要包括五个方面的因素，其中两点直接影响到古建筑三维重建的真实性[6]：① CAD木构件数本身存在的问题，CAD木构件模型是早期利用AutoCAD软件建立的线框图，由于线框模型只有点和直线段，没有给出模型的表面信息，因此无法得到有关表面属性的拓扑信息和几何信息，无法得到正确的几何模型信息化成为古建筑三维重建的关键问题所在；② 纹理材质的表现，纹理和材质的映射除了能提供逼真的视觉感受以外，还能在一定程度上展现建筑物的风格。古建筑除了其造型独特之外，其色彩装饰的运用也是一大特色：古代匠师们根据色彩对人们生理和心理所起的作用，采用色彩明暗的对比和冷暖色调调和的手法来营造各种不同的色彩环境。古建筑物这种复杂的色彩组合环境不可避免地带来了三维模型重建过程中纹理和材质映射的难度。
而基于激光数据的古建筑三维重构就是以古建筑木构架体系为知识体系，实现“古建筑的数字化”，在计算机环境下从原有的无规则点云数据中高精度提取古建筑的表面特征，利用规则的形状实现模型的表面重建，再现实际古建筑的立体轮廓和真实纹理，完成复杂古建真三维的几何表达，使得古建筑在三维表达上完全可以避免以上提到的两个问题。所以图4所示为基于三维激光扫描数据进行三维重建的福州市孔庙三维模型。
另外从微观上来看，古建筑还包含一些具有表面形态丰富多彩的艺术品，如石雕、砖雕、木雕、彩画等，这部分的重建由于形态各异，在重建方面其对精确度和色彩真实性的要求更为严格，以往的三维重建技术手法根本难以满足其要求，而利用三维激光影像扫描技术获取到的激光数据无论在精确度还是在色彩真实性上都可以用于艺术品的精细重建。在著名的米开朗基罗项目中，激光扫描可以精确地得到雕像的每个细节，目标点的距离测量精度实际达到了±0.25mm，另外还拍摄了7000幅的彩色数码相片用于渲染贴图，最终的大卫雕像模型包含了20亿个多边形，其模型采用高密度的Mesh模型真实地表现建筑物中艺术品细腻的形态[4]。
3.3基于激光数据的古建筑保护应用
通过对古建筑进行量测和三维重构，古建筑保护利用可以有以下几个方面：
3.3.1对细部和装饰残缺的或已经破坏的古建筑进行复原
利用形状匹配技术，通过三维激光设备将文物数字化，通过空间曲面轮廓线的提取，并根据轮廓线的匹配结果可实现残损文物的拼接复原。主要由曲面模型的匹配拼接、三维曲面模型的融合和曲面的三维编辑，构造自动拼接与手工调整相结合的文物复原过程模型，最后将三维计算机模型送入快速成型设备复原微缩建筑进行实体检查，为文物研究及文物保护提供准确的科学数据。
3.3.2对典型建筑构件、营造技术或法式进行分析与剖视
对台基、石雕、门窗、柱、柱础、屋檐、斗拱、梁、檩、屋顶等典型建筑构件进行分析、剖视、建模，及搭建过程的演示。
4基于激光数据的历史街区三维重建
基于激光数据的历史街区三维重建主要是对历史街区进行特征分析，屋顶、墙体、街道等要素的重建。
4.1三维重建必要性
历史街区保护的原则之一：“原真性”与“可读性”相结合。要保持或恢复街区的传统风貌，“原真性”是历史街区保护与更新的一个首要原则。为使街区恢复“原汁原味”，三维激光影像扫描技术可以进行充分地现场测绘，并可以获取详细的照片，然后按照“整旧如故，以存其真”的原则，依据每一幢建筑不同的建造年代、建筑风貌及建筑质量就可以进行三维重建，从而达到保护和修缮的目的。另外基于激光数据的历史街区三维重建可以快速地表达一个完整而具有特色的空间形态，使“可读性”成为可能。
4.2基于激光数据的历史街区三维重建
传统的用于街区建筑物批量建模的方法有两类：一类是采用商品化建模软件进行建模，另一类是根据采集得到的观测数据进行建模[7]。即：① 采用商品化建模软件的建模方法是利用一些专门用于建模的商品化软件(如：AutoCAD，3Dmax，Maya，MultiGen等)，基于原有的CAD设计图纸和数据，利用AutoCAD＋3DS软件建模，最后通过函数接口读入程序中，从而能够真实表达建筑物内部的细节特征。这些文件中已将模型剖分为空间三角网，我们只需将这组数据以一定的比例、角度在通过旋转、平移、缩放在空间坐标系中定位，同时到实地拍摄建筑物的影像，运用图像处理软件制作出建筑物的表面纹理，贴附于模型之上，从而实现建筑物模型的重建。② 三维几何自主建模这种建模方法是对建筑物进行三维几何表示，它可以看作是从实际三维物体到物体模型的映像，但是目前这些重建方法一是建模精确不高，二是建模的工作量大。
基于激光数据历史街区的三维重建主要是利用现有的激光点云数据快速地提取矢量化的建筑群模型，是工作量和模型精准度都优于传统的建模方法，目前国外很多学者在对基于激光的建筑物模型自动提取的研究做深入的研究，并取得一定成果，这为历史街区三维重建提供了极大的便利。建筑物模型自动提取主要包括：①获取建筑物的近似大小(长、宽、高)；②区分出平顶和尖顶房屋；③区分出建筑物是矩形、T、L、U 和十字形状；④获得主要的屋顶面的个数和形状；⑤ 检测并分离距离较近的建筑物；⑥ 清除屋顶面上的扰动或者噪音（包括天窗和烟筒）；⑦ 检测出屋顶上的小建筑并将他们合为一体[8]。图5是福州市三坊七巷历史保护街区现场测绘的激光点云扫描后恢复的三维场景。
4.3历史街区三维重建的应用
4.3.1提高历史街区保护与更新中的公众参与程度
纵观历史街区保护与更新的理论和实践的发展过程，可以看出，历史街区的保护更新离不开生活在其中的公众的参与和支持，历史街区的改造和公众的参与就像“鱼和水”的关系一样，是相互依赖、共同生长和发展的。当今历史街区保护更新的发展趋势也渐渐向公众参与的方向发展，小规模改造、“微循环”式的改造都离不开公众全方位的参与和支持。三维重建后的虚拟历史街区将继续秉承虚拟现实的优势，增强公众对改造后街区在感官上的认识，从而提高历史街区保护与更新中的公众参与程度。
4.3.2 多种历史建筑要素的比较以及综合或专项评价
三维重建后，通过搜索出历史建筑要素的边界，求出轮廓线，然后将研究对象与建筑图库中不同历史年代对应元素进行比较，便可作出评价和结论。
4.3.3对木构做法、建筑格局进行深度分析
建筑格局比较复杂，主要有庭院式布局(廊院式、合院式)；非庭院式布局(贯联式布局、联排式布局、散点式布局)。通过三维重建，搜索出所有建筑的边界、中心、法线方向，最后由专家根据自然环境、风水、民俗等进行评价，并做出结论。
总之，通过对历史街区的特征着手分析，如：①有序的鱼骨状街坊格局；②连绵起伏的屋脊，坡屋顶构筑的天际轮廓线；③街巷口门拱门楼、粉墙灰瓦、朱门雨檐门斗、条石路面等独特内涵构成的连续坊巷界面；④是组合多进式、前堂后寝边花厅式的平面布局；⑤是“观音兜”式封火墙、夯土防火墙、飞檐翘角等墙式；⑥是以石、土、砖、木等的建筑材质。这些特征，极大地优化了所得的激光数据，为历史街区三维重建及肌理分析打下了良好的基础。
5前景及存在问题
5.1前景
5.1.1潜在用户
国家建设部已经正式批准了100余座历史文化名城，其中绝大部分都存在古建筑的保护与利用问题，如北京的故宫、福州的三坊七巷等。据文物部门统计，我国目前被列入保护范围的古建筑群有近30万处。利用激光扫描技术快速构建古建筑三维模型的技术方法，具有重要的理论意义和应用价值。各历史文化名城的规划建设部门和文物保护单位都将是该应用的潜在用户。
5.1.2市场前景
随着激光扫描硬件软件性价比的不断提升，古建筑空间结构的快速三维重构技术将受到各类用户的青睐。已修复完成的地区可以利用该技术建立历史街区的完整三维虚拟模型，用于展示和推广(包括网络上的推广)；尚未修复的地区在建立三维虚拟模型之后，可以利用三维设计CAD软件对修复工作进行方案设计，从而显著提高工作效率。因此，该技术成果将具有良好的市场前景。
5.1.3 经济效益及社会作用
由于存在较大的潜在市场，成果将会产生良好的经济效益。由此带来的城市历史文脉的保留与延续，则有利于提升城市的品质，激发城市居民的归属感和自豪感，从而产生积极的社会意义。
5.2存在的问题
激光遥感技术虽然已经被广泛地用于古建筑物的重建工作中，但是仍然存在很多的问题需要解决。各种普通的特征提取与处理算法直接应用于古建筑物重建中还有一定距离，自动化程度较低是目前困扰实际应用的一个重要难题，也是日后该应用研究力求解决的重要问题。
5.2.1 三维点云数据特征检测。由于建筑物年代久远、表面粗糙，给特征检测中的阈值设定带来了困难；另外，古建筑物的结构复杂，表面形状多变，难以用一种或几种形状表达。此外，在三维空间下的特征检测本身就比较复杂。
5.2.2古建筑物模型重建。古建筑物重建过程中需要涉及到具有规则几何形状和任意形态的两种类型的部件，如何界定并分离这两种部件是比较困难的工作。由多个简单几何形体构成复杂结构的识别与重建也是十分复杂，一方面几何的复杂性增加了特征检测的不可靠性，另一方面，几何的复杂性也给结构的重建和表达带来了困难。
5.2.3古建筑物纹理的提取
纹理可以充分表现建筑物的光影信息，使结果更加真实。正常的纹理产生可以通过提取每一个部件的纹理，使用多站点下纹理数据的融合实现，但是融合过程中如何选择最优的规则是一个技术难点。另外，当纹理缺失时，通过纹理的近似程度，从已有的数据中寻找近似纹理数据完成纹理缺失区域的补充是非常复杂的问题。
参考文献：
[1] 余明，丁辰，刘，过静. 北京故宫修复测绘研究[J]. 测绘通报，2004(4):11-13.
[2] 周克勤，许志刚，宇文仲. 三维激光影像扫描技术在古建测绘与保护中的应用. 工程勘察，2004(5) :43-46.
[3] 郑德华，雷伟刚. 地面三维激光影像扫描测量技术[J]. 铁路航测，2003(2) :26-28.
[4] 张远智，胡广洋，刘玉彤，王庆洲. 基于工程应用的3维激光扫描系统[J]. 测绘通报，2002(1) :34-36.
[5] 万霞，郦淑俊，王朝晖. 一种快速的正射影像制作方法[J]. 现代测绘，2006，29(2):34-35.
[6] 夏慧琼，朱庆，张叶廷，龚俊，杜志强. 基于CAD与GIS集成的仿唐古建筑景观的三维重建方法[J]. 武汉大学学报(工学版)，2005，38(5):114-119.
