ShapeMetriX是奥地利 3GSM 公司开发的、面向岩体工程的三维摄影测量软件平台，用于岩体、地形与开挖面的三维建模、非接触式地质编录和几何量测。系统以数字摄影测量与三维重建为核心，通过无人机或地面相机获取的多角度影像，或直接导入激光扫描点云，构建岩体出露面的高精度三维实景模型，并在此基础上半自动或自动地识别岩体结构面（节理、断层、层面等），批量提取倾向、倾角、迹长、间距、延续性及三维粗糙度等几何参数，进而为岩质边坡稳定性评价、隧道及地下洞室围岩分级、露天矿山边坡管理、爆破设计与块度分析等提供数据支撑。

自 2024 年，ShapeMetriX 已与 Dips、RocSlope3、RocFall3、RocTunnel3 等主流岩土工程软件实现无缝衔接，形成从现场非接触测量、岩体结构编录到稳定性评价的完整工作流，在国内外岩土工程界得到广泛应用，相关研究论文逐年增多。本文从发展历史、核心功能、应用场景、操作流程与优势分析五个维度，对 ShapeMetriX 进行介绍，供工程技术人员与科研人员参考。

MultiPhoto 模块用于将无人机或手持相机拍摄的多幅重叠二维影像转换为精细的三维模型。其核心是基于运动恢复结构（SfM）与多视立体（MVS）的摄影测量流程，包括稀疏重建（空三，求解相机位姿）与密集重建（生成密集点云、三角网格与纹理）。通过引入外部实测的地面控制点（GCP），模型可被地理配准到指定坐标系，获得真实空间坐标。该模块输出的三维场景文件（*.jm3x）保存了点云、表面网格与纹理信息，是后续编录与量测的基础；三维模型也可进一步导出为 OBJ、正射影像及 PDF 重建报告，便于归档与共享。

图2 ShapeMetriX软件多照片建模

ModelEditor 模块支持从已有的激光扫描仪 E57 数据或 OBJ 几何数据直接生成三维模型，并允许对模型进行裁剪、限定等编辑操作，以聚焦目标区域。这使得 ShapeMetriX 不仅依赖摄影测量重建，也能与三维激光扫描、地面雷达等多种测量手段结合，具备极强的多源数据兼容能力。

Analyst 模块是 ShapeMetriX 进行岩体结构面测绘与量测的核心。用户可在三维模型上采用“区域生长”（Region Grow）工具半自动圈定结构面：在节理面上点击种子点并控制平面扩展范围，软件自动拟合平面并计算倾向、倾角与面积；配合 Guided Trace 工具绘制结构面迹线，可测量迹长、节理间距与延续性。软件内置赤平极射投影，可对所有结构面极点进行聚类，划分优势节理组，并统计产状分布、间距等参数。测量结果以结构化数据形式保存，可导出为 CSV 等格式。

图3 ShapeMetriX软件结构面测绘

随着 ShapeMetriX 5.1 的推出，Analyst 模块新增“自动区域检测”（Automated Region Detection）功能。该工具自动扫描完整的三维网格几何，自主识别共面表面片并以彩色编码在视口中渲染，在放置任何人工测点之前即可完成结构面的初筛。软件还提供多种可视化控制方式，例如按倾角连续配色（从蓝到红，缓倾结构显示为蓝色、陡倾结构显示为红色），便于快速评估开挖面的运动学风险。该功能大幅缩短了从三维模型到结构分析的时间，是近年论文与工程实践关注的热点。

除 ShapeMetriX 外，3GSM 还开发了面向台阶爆破的 BlastMetriX3D（台阶面轮廓测量与爆破设计）与面向爆破碎块分析的 FragMetriX（块度统计与三维模型输出），三者共用同一套三维图像技术底座，构成覆盖“岩体编录—爆破设计—块度评价”的完整产品线。

图4 BlastMetriX台阶面轮廓测量与爆破设计软件

岩质边坡是 ShapeMetriX 最典型的应用场景。通过无人机或地面相机对高陡边坡进行非接触测量，重建边坡三维实景模型，提取节理、断层等结构面的产状、迹长与间距，可替代传统人工罗盘测量，规避人员登临高边坡的落石风险。结构面数据导出至 Dips 后可开展赤平投影与运动学分析，判别平面滑动、楔体滑动与倾倒破坏等失稳模式；结合 RocSlope3 可进行三维块体稳定性计算，识别边坡潜在失稳块体；结合 RocFall3 可模拟落石轨迹，评估落石风险并指导防护设计。例如在印度尼西亚某边坡研究中，研究人员利用 UAV 航测影像在 ShapeMetriX 中重建三维表面模型，并运用 Guided Trace 工具人工与半自动识别了 162 条结构面，获取倾角、倾向、延续性与间距等参数，通过聚类确定优势节理组，进而开展运动学边坡稳定性评价，验证了该方法在复杂地形条件下的适用性。

图6 岩质边坡结构面统计分析

在露天矿山，ShapeMetriX 用于台阶边坡岩体调查、采场边坡稳定性评价、爆破设计优化与排土场稳定性评估。通过定期航测，可动态监测边坡裂隙发育与变形趋势。3GSM 官方展示的案例中，工程师仅用 224 张无人机影像就在 ShapeMetriX 中构建了失稳矿坑的精细三维模型，将地质编录时间从数小时缩短至数分钟，并结合二维、三维岩土建模与雷达验证，在一周内完成了矿山边坡稳定性复核。

图7 露天矿山稳定性分析

在地下工程中，ShapeMetriX 用于掌子面与洞壁围岩的三维编录，识别围岩关键块体，评估开挖后的块体失稳风险，辅助支护设计与爆破效果校验。该系统早在 2005 年即应用于钻爆法隧道，2016 年扩展至 TBM 机械化掘进。结构面数据可用于构建离散裂隙网络（DFN）模型，支撑 3DEC、RFPA 等数值模拟分析。在国内，深部金属矿山也采用 ShapeMetriX 开展地下洞室围岩结构面编录，以解决深部空间人工测量困难、难以靠近的难题。

图8 隧道开挖三维编录

ShapeMetriX 提取的结构面参数可直接用于岩体质量分级（RMR、BQ、Q 系统）及三维粗糙度（JRC）定量表征。例如，研究者统计了两河口水电站坝址区裂隙几何参数，进而基于 RFPA3D 研究了裂隙几何参数对岩体力学特性的敏感性。结构面的产状、间距、延续性统计分布是 DFN 建模的关键输入，可显著提升岩体数值模拟的可靠性。

ShapeMetriX 可与地面雷达等监测手段结合。3GSM 与 地面雷达整合支持双向数据交换：既可将测绘的结构面与不连续面模型导入地面雷达的软件，也可将雷达位移数据读入 ShapeMetriX，与精细三维模型和结构数据联合可视化，从而更准确地理解不稳定边坡的失稳机理，服务滑坡、崩塌等地质灾害的调查与监测。

使用 ShapeMetriX 的步是获取目标岩体的多角度影像或点云数据。若采用无人机航测，应沿边坡平行规划航线，保证航向重叠率不小于 80%、旁向重叠率不小于 60%，并尽量布设地面控制点以实现地理配准；拍摄时应避开强阴影与大面积植被，以免影响后期结构面识别。若采用地面近景摄影，需使用手持式相机，从多个不同视角拍摄同一岩体露头，保证同一结构面在多张照片中可见。

图9 无人机照片采集过程中

将采集的照片导入 MultiPhoto 模块，新建项目并设置坐标系与单位后，软件自动完成稀疏重建与密集重建，生成带纹理的三角网格模型；模型可保存为 *.jm3x 工程文件。若已有激光点云（E57）或 OBJ 数据，则可直接通过 ModelEditor 导入，无需照片重建，生成的模型同样可进入后续编录环节。

在 Analyst 模块中，用户可选择“区域生长”工具半自动圈定结构面，或使用新版“自动区域检测”功能批量识别共面区域。软件自动计算每个结构面的倾向、倾角、面积，并通过 Guided Trace 测量迹长与间距。随后利用内置赤平投影完成节理组聚类与统计。此环节通常需要结合地质专业判断，对自动识别结果进行人工复核与修正。

完成结构面解译后，可将产状、极点数据导出至 Dips 进行运动学分析，或将三维模型与块体信息导出至 RocSlope3 开展三维块体稳定性计算，也可导出至 RocFall3 模拟落石轨迹。数据还可输出为 CSV 文本，供 3DEC、RFPA 等第三方软件使用。整个过程构成“影像采集—三维建模—结构面编录—稳定性评价”的完整闭环。

ShapeMetriX 在岩质边坡与地下工程稳定性分析中的优势主要体现在以下几个方面。

，非接触测量，保障现场作业安全。高陡、危险、临空边坡及井下掌子面等人员难以登临的区域，仅需通过无人机或地面相机远距离采集数据，无需人工攀爬岩体进行罗盘测量，有效规避落石与滑塌风险。

第二，数据样本量大，岩体结构统计更可靠。传统人工罗盘只能进行少量、离散的点位测量，而 ShapeMetriX 可在整个露头面批量识别大量结构面，一次性获取上百组节理数据及全套几何参数，显著降低小样本带来的统计偏差，更真实地反映裂隙的空间分布特征。

第三，与 Rocscience 软件生态无缝衔接，形成一体化工作流。结构面数据可一键导出至 Dips、RocSlope3、RocFall3、RocTunnel3 等软件，免去人工转录与 Excel 录入，避免二次录入误差，从现场测量到稳定性评价形成完整闭环。

第四，三维实景建模，突破二维简化假设。传统分析常将边坡简化为二维剖面，忽略边坡走向变化与结构面的空间交切关系，容易低估楔体等三维破坏模式。ShapeMetriX 重建带真实坐标的三维边坡模型，能在三维空间中准确判断结构面与临空面的组合关系，识别真实潜在失稳块体。

第五，多源数据兼容，适用场景灵活。系统既支持无人机与地面相机的摄影测量重建，也支持激光扫描 E57、OBJ 点云的直接导入，可覆盖从局部露头到大型露天矿山的多种尺度场景。

第六，测量可复现，降低人为主观误差。三维模型可存档，所有结构面识别与量测过程可回溯复核，多人可在同一模型上重复量测。测量精度方面，多项对比研究表明 ShapeMetriX 的倾角误差一般小于 2 度（个别可达 7 度），倾向误差一般小于 10 度（个别可达 20 度），满足岩土工程精度要求。

第七，内置岩体结构统计与可视化工具。软件自带赤平投影、节理组聚类、迹线统计等功能，可完成岩体结构统计分析，支撑 RMR、BQ、Q 分级，并可提取三维 JRC 粗糙度，为 Barton 抗剪强度模型提供实测参数。

图10 ShapeMetriX软件生成的三维模型

ShapeMetriX 作为以三维摄影测量为核心的岩体表征软件，历经从 2005 年隧道应用起步，到 2025 年推出全自动区域识别，已成为国际岩土工程界应用广泛、生态完善的非接触地质编录工具。它在岩质边坡、露天矿山、地下工程、岩体质量评价与地质灾害监测等领域具有显著优势，尤其在与 Dips、RocSlope3 等软件的协同工作流中展现出强大的工程价值。展望未来，随着自动化识别算法、无人机航测与多源数据融合技术的持续进步，ShapeMetriX 有望在测量精度、自动化程度与智能化程度方面进一步提升，为岩体工程的数字化、智能化转型提供更高效的技术支撑。

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