基于近景摄影测量的隧道掌子面地质信息快速获取方法与流程

本发明涉及基于近景摄影测量的隧道掌子面地质信息快速获取方法，属于隧道探测领域。

背景技术：

掌子面是开挖坑道不断向前推进的工作面。它不是一个固定的面，开挖面有掌子面、边墙面和拱顶面，包含着众多地质构造信息，也是工程人员判断前方可能灾害的最直接信息源。

如果人在现场施工中，基本上根本无法很快的进行掌子面结构面绘制，而掌子面的绘制本身就是对前方30-50m范围内的未知岩体进行评估。对掌子面的检测三维建模工作比较繁琐，运算方法比较复杂，建模时间较长，不利于施工方的施工进度。

目前采用的掌子面绘制方法受到光源、灰尘及替他因素的干扰较大，其绘制预测结果并不准确，不能用于全面的地质评估分析。

在隧道开挖过程中由于内部灰尘较多，在光源直接照射掌子面时，会照亮较多的灰尘颗粒，让图像获取设备获取图像时造成干扰，不能准确清晰的拍摄到结构面的全景图像，造成测量误差。

技术实现要素：

本发明针对上述不足提供了基于全站仪近景摄影测量隧道掌子面地质信息获取方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的基于全站仪近景摄影测量隧道掌子面地质信息获取方法，通过掌子面图片获取设备与全站仪结合对掌子面地质结构面信息进行获取并分析，所述的掌子面图片获取设备为照相或摄像设备放置于掌子面前端；隧道掌子面地质信息获取方法，在出渣间歇即可完成，不影响正常施工。其步骤如下：

1)、针对需要测量的隧道掌子面前端，隧道掌子面内设置光源；

2)、在隧道掌子面前放置面图像获取设备，在隧道掌子面上预设定若干个测点，依次将排布测点命名为a、b、c、d、e、f、g、h并对测点进行标记，这些控制点可以使后期经过匹配的图像三维坐标精度达到厘米级，另外可使图像模型转化为现实中的实际尺寸；

3)、将图像获取设备放置于隧道掌子面的靠左端获取隧道掌子面的全景图像，再将像获取设备放置于隧道掌子面的靠右端获取隧道掌子面的全景图像；两次获取的隧道掌子面全景图像重合率为80％；

4)、利用全站仪针对步骤2)中已经标记的隧道掌子面进行三维坐标勘测及获取；

5)、利用上述步骤3)与步骤4)中图像获取设备获取的隧道掌子面图像发送至计算机中，利用开源的运用surf算法代码程序即可为隧道掌子面进行图像匹配后实现三维建模；此时完成隧道掌子面的第一次勘测建模；

6)、重复运用上述步骤1)至步骤5)完成至少二次以上隧道掌子面建模勘测，将建模信息用于后期隧道开挖方案分析。

本发明所述的基于近景摄影测量的隧道掌子面地质信息快速获取方法，所述的图像获取设备的光轴线平行于隧道轴线，于隧道轴线左侧于右侧分别拍摄一张照片，两张图片保证重叠率达80％以上即可。

本发明所述的基于全站仪近景摄影测量隧道掌子面地质信息获取方法，所述步骤3)中将获取的图像利用计算机软件进行预处理；得到隧道掌子面节理的数字化素描图。

本发明的基于近景摄影测量的隧道掌子面地质信息快速获取方法，其所述步骤4)中全站仪获取的隧道掌子面图像坐标发送至计算机中，计算机采用surf算法处理得出匹配同名点信息，根据共线方程解出的参数和同名点图像坐标可算出的三维坐标。

本发明所述的基于近景摄影测量的隧道掌子面地质信息快速获取方法，可根据图像质量利用photoshop对隧道掌子面地质图像进行图像预处理、边缘检测和边界提取，对同一结构面上不连续结构面进行点的识取连接，提取出的边界可作为地质素描图中的结构面边界。

有益效果

本发明提供的基于全站仪近景图片测量隧道掌子面地质信息获取方法，对隧道内的光线造成的图片不佳进行优化处理。

本发明的图片截取设备配备采用高感光度iso拍照设备并且装配了红外线镜片的定焦镜头用于拍摄掌子面隧道图，克服了昏暗光线不足的条件，针对昏暗的隧道的沙尘颗粒物对图片的干扰也减少到最低。

本发明提供的基于全站仪近景图片测量隧道掌子面地质信息获取方法的算法简单，只需要利用简易的开源的surf算法程序以及不少于6个控制点的解算共线方程，就可获取真实尺度，精度达到厘米级的。

本发明提供的基于近景摄影测量的隧道掌子面地质信息快速获取方法，可以通过计算算出掌子上结构面的迹长、密度等地质信息。进而可以获得隧道掌子结构面的数字素描图，为前方岩体质量进行评估提供参数。

附图说明

图1是本发明的隧道掌子面设备布置示意图；

图2是本发明的隧道掌子面贴控制点标签示意图；

图3是本发明的隧道掌子面三维坐标标示图；

图4是本发明的隧道掌子面左、右方位全景拍照图；

图5是本发明算隧道掌子面图像采集流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围：

如图所示：基于全站仪近景摄影测量隧道掌子面地质信息获取方法，通过掌子面图片获取设备与全站仪结合对掌子面地质结构面信息进行获取并分析，所述的掌子面图片获取设备为照相机或摄像设备放置于掌子面前端。在全站仪量测完毕之后，为保证获得更全面的掌子面信息，需要尽可能清空摄站和掌子面之间的障碍物。然后根据光线情况调整好相机的参数(如提高iso值)。

在采用全站仪及照相机相结合的测量方法时：需要在掌子面上选定至少6个或8个测点，利用全站仪进行对控制点进行三维坐标测取，进而可保证后续获取的匹配图件精度达到厘米级，同时可获得实际尺寸大小的图像。

为了提高相机拍摄的图片质量，针对于光线条件较暗，需借助隧道照明灯补光，而照明灯为白炽灯，使得图像色调偏黄，另一方面，隧道施工阶段有大量粉尘悬浮，照成光线的反射，使得照片不够完全清晰，降低了照片的质量。为提高照片质量，提高掌子面信息解译的精度，需对照片进行处理：

利用高感光度iso照相机对隧道掌子面进行拍摄，保持照相机光轴线与隧道轴线平行，分别在在掌子面左、右侧拍摄掌子面全景图片；将两张图片放入计算机中进行处理，采用开源的surf运算方法程序可实现同名点匹配，进而获取图像中任意一点的三维坐标。

可根据图像质量利用photoshop对隧道掌子面地质图像进行图像预处理(如灰度去色、对比度改善、图像阈值调整等)、边缘检测和边界提取，对同一结构面上不连续结构面进行点的识取连接，提取出的边界可作为地质素描图中的结构面边界。通过上述方法得到数张不同地质构造的隧道掌子面图片，通过surf算法程序获取的素描图并可用于建立三维图建立切片图库，用于后期预测隧道前方几十米内的地质情况识别，进而为确定后期施工条件或评估风险性提供了样本库。

本发明述的基于近景摄影测量的隧道掌子面地质信息快速获取方法，通过数字图像处理技术，对隧道掌子面地质图像进行图像预处理、边缘检测和边界提取，对同一结构面上不连续结构面边界采用点的连接进行连接，提取出的边界可作为地质素描图中的结构面边界，形成数字地质素描图，提高了地质素描速度与质量，使人工地质素描中因素描人员不同结果也可能极不相同的情况得到有效控制。在只需要一台配有定焦镜头的单反与全站仪即可实现快速而精细的掌子面结构面识别，降低了成本同时也提高了识别质量。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。