双护盾TBM隧道掌子面岩体三维影像成像装置的制作方法

本发明涉及地质编录技术领域，尤其涉及一种双护盾tbm隧道掌子面岩体三维影像成像装置及成像方法。

背景技术：

目前，双护盾tbm隧道施工技术在实际工程中的应用越来越广泛。但是，在双护盾tbm施工过程中受刀盘和盾体的阻挡，掌子面岩体难以进行全面观察，也为施工期地质编录工作带来极大困扰。如果能够获取掌子面的全景影像资料，就可以帮助地质工程师对掌子面的地质情况进行全面直观的了解，并经过后期地质分析解译工作进一步形成地质编录成果。

现今，针对双护盾tbm施工掌子面摄影的方式有两个途径。

第一种方法是通过刀盘上各个部位的孔隙进行拍照，这种方法的缺陷在于透过刀盘上的孔隙可以看到的岩体非常有限，可观察岩体面积仅约占开挖掌子面总面积的百分之一，而且孔隙位置比较分散。因此，基于零星而又分散的岩体信息无法准确了解掌子面的地质条件，如长大裂隙可能仅仅能够看到其局部或对短小裂隙造成遗漏。

第二种方法是工作人员从刀盘上的人口进入刀盘和掌子面之间进行拍照，这种方法的缺陷在于刀盘和掌子面之间间隙十分狭窄，对掌子面岩体拍照时拍摄角度受限难以获取正面的全景影像，也极不便于人员工作和逃生。而且，由于掌子面前方岩体处于未支护的状态，存在重大安全隐患。同时，受刀盘散热和施工灰尘影响，工作环境也十分恶劣。

技术实现要素：

为克服现有双护盾tbm施工掌子面摄影方式存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种操作安全且能清晰完整的呈现掌子面全景三维影像模型的双护盾tbm隧道掌子面岩体三维影像成像装置及成像方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

双护盾tbm隧道掌子面岩体三维影像成像装置，包括安装在刀盘上的标靶系统、照相系统和控制系统，所述标靶系统包括可向刀盘前方喷射标靶的喷射器，所述照相系统包括多个镜头朝向刀盘前方的相机，多个相机随刀盘转动拍摄的画面拼接后完全覆盖隧道掌子面，所述控制系统用于控制喷射器喷射标靶以及相机的拍摄动作。

进一步的是，所述标靶系统的喷射器为颜料喷射器或激光发射器，所述颜料喷射器可喷射不同颜色的防水颜料，激光发射器可发射不同颜色的光线。

进一步的是，所述喷射器和相机均设置在刀盘的同一径向上，多个相机在刀盘的半径或直径长度上均匀间隔设置。

进一步的是，所述刀盘上设有与刀盘轴线平行的设备安放舱，所述喷射器和相机均设置在设备安放舱内，所述控制系统位于刀盘的后方，控制系统与喷射器和相机电信连接。

进一步的是，所述喷射器和相机均通过定型泡沫垫层固定在设备安放舱内，在设备安放舱的正面开口处设有舱门，所述舱门的开闭也由控制系统控制。

进一步的是，所述用于放置相机的设备安放舱内还设有相机舱和滑轨，所述定型泡沫垫层填充在相机与相机舱之间，所述相机舱可沿滑轨滑动，在相机舱的后端设有推杆，所述推杆可通过螺栓固定在设备安放舱内，在所述设备安放舱的尾部出口处设有防尘栓塞。

进一步的是，所述控制系统包括设备保护箱，设备保护箱内设有储存器、充电电源和控制开关，储存器用于储存相机拍摄的照片，并配有数据导出端口，所述充电电源通过电源线为相机和喷射器供电，所述控制开关通过电信通讯控制相机、喷射器和舱门工作。

利用双护盾tbm隧道掌子面岩体三维影像成像装置进行成像的方法，包括以下步骤：

a、根据双护盾tbm具体刀盘开挖直径，以保证相机可以对掌子面岩体按照一定重叠率进行全覆盖拍照为依据，选择合适的相机并确定相机数量、布设间距和拍照数量；

b、结合刀盘结构在刀盘设计和制作时，基于不破坏刀盘整体结构和强度的原则上制作设备安放舱，在刀盘后方布置线路盒和设备保护箱，并对各设备进行安装连接；

c、隧道掘进过程中，在需要对掌子面岩体进行拍照的任何时刻，首先停止掘进，后退刀盘，然后利用掘进机本身设备对掌子面进行多次喷水降温除尘；

d、当刀盘前方降温除尘工作结束后，根据确定的拍照数量计算拍照间隔角度，确定起点位置后刀盘每旋转相应间隔角度时便进行拍照，直到刀盘旋转一圈，同时，当标靶喷射器旋转到上、下、左、右位置时分别喷射不同颜色的标识；

e、拍照结束后利用电脑设备将相片数据导出，并结合刀盘位置信息进行图像分析处理形成掌子面岩体的三维影像。

进一步的是，在选择相机时，选择低倍焦距的定焦相机，按照a＝(l°s)/f来估算每个相机的拍摄面积，从而确定相机数量、布设间距、拍照数量，式中：a-拍摄面积，l-相机镜头与掌子面岩体的距离，s-相机感光片边长，f-相机焦距。

进一步的是，在确定相机数量、布设间距、拍照数量和拍照间隔角度时根据相邻相机拍摄的照片重叠率以及同一相机在相邻两个拍设位置拍摄的照片重叠率均不小于30％进行计算。

本发明的有益效果是：该装置在不破坏刀盘整体结构和强度的基础上预先安装相机等摄像装置，在非掘进时段转动刀盘进行拍照获取具有一定重叠率并覆盖整个掌子面岩体的一系列照片，并通过定位标靶装置设置参考像控点，利用影像拼合处理软件并结合标靶位置信息合成工程坐标系下的掌子面全景三维影像模型，成像过程安全且方便快捷，能为后期岩体岩性特征、节理构造、地下水发育特征的识别以及相应产状、长度、面积等信息的量测提供基础成果和分析依据。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明相机模块结构示意图。

图3是本发明相机模块主视图。

图4是本发明控制系统结构示意图。

图中标记为，1-刀盘，2-喷射器，3-相机，4-定型泡沫垫层，5-设备保护箱，6-储存器，7-充电电源，8-控制开关，9-电脑设备，11-设备安放舱，12-舱门，13-防尘栓塞，31-相机舱，32-滑轨，33-推杆，34-螺栓，35-拍照开关自动触发器，61-数据导出端口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的双护盾tbm隧道掌子面岩体三维影像成像装置，包括安装在刀盘上的标靶系统、照相系统和控制系统，所述标靶系统包括可向刀盘1前方喷射标靶的喷射器2，所述照相系统包括多个镜头朝向刀盘1前方的相机3，多个相机3随刀盘1转动拍摄的画面拼接后完全覆盖隧道掌子面，所述控制系统用于控制喷射器2喷射标靶以及相机3的拍摄动作。

其中，标靶系统的作用是为了在岩体表面设置标靶，为后期三维影像制作进行图像处理时提供方位参照及像控点坐标信息。一般需要在上、下、左、右四个方向设置不同的标靶来区分，因此，所述标靶系统的喷射器2可以采用颜料喷射器或激光发射器，颜料喷射器可喷射不同颜色的防水颜料，而激光发射器可发射不同颜色的光线，从而起到提供标靶的作用。控制系统可采用接通电源的方式来控制喷射器工作。

照相系统的作用主要是实现对掌子面岩体的拍照功能。由于在tbm隧道施工过程中，后退刀盘的距离不能太远，又受焦距限制，单个相机3无法将整个掌子面岩体都拍摄清楚，所以只能采用多个相机3进行多次拍摄后再对照片进行处理，才能得到掌子面岩体的全貌。控制系统在控制相机3拍照的时候可借助拍照开关自动触发器35来实现。

为了达到较好的拍摄效果，以及便于后续的图像处理，合理布置喷射器2和各相机3的位置是一个比较关键的步骤，本申请采用的是：将喷射器2和相机3均设置在刀盘1的同一径向上，多个相机3在刀盘1的半径或直径长度上均匀间隔设置。喷射器2可以布置在该径向上的任意位置，但最好是设置在刀盘1的最外端，更有利于定位。相机如果均布在半径长度上，刀盘1需转动360°才能完成全覆盖拍摄；如果布置在直径长度上，相机3数量会增加一倍，但刀盘1只需转动180°即可完成拍摄，综合考虑成本等因素，最好就只布置在半径长度上即可。

在具体安装喷射器2和相机3时，先在所述刀盘1上开设与刀盘轴线平行的设备安放舱11，或者是借用刀盘1上原有的空隙，然后再将所述喷射器2和相机3设置在设备安放舱11内，而控制系统可设置在刀盘1的后方，控制系统与喷射器2和相机3通过电信连接，有线和无线均可。

由于tbm在掘进过程中，刀盘1部位振动较大，粉尘较多，为了保证设备安放的稳定性，所述喷射器2和相机3均通过定型泡沫垫层4固定在设备安放舱11内，并在设备安放舱11的正面开口处设有舱门12，所述舱门12的开闭也由控制系统控制。在正常掘进过程中舱门12关闭，需要拍照时再打开舱12门，拍照完毕舱门12再自动关闭，从而对设备安放舱11中的设备进行保护。

只通过定型泡沫垫层4来固定喷射器2和相机3，稳定性可能还是不够，特别是相机3的位置，如果出现松动移位，会导致焦距不统一，后续照片处理出现问题。所以进一步的改进如图2、图3所示，在所述用于放置相机3的设备安放舱11内还设有相机舱31和滑轨32，所述定型泡沫垫层4填充在相机3与相机舱31之间，所述相机舱31可沿滑轨32滑动，在相机舱31的后端设有推杆33，所述推杆33可通过螺栓34固定在设备安放舱11内，在所述设备安放舱11的尾部出口处设有防尘栓塞13。具体安装过程是：首先设备安放舱11要设置成贯穿刀盘1的通孔，然后在设备安放舱11内安装滑轨32，在相机舱31外部设置相应结构使其能沿滑轨32稳定滑动，因为刀盘1较厚，所以需要借助推杆33来移动相机舱31，最后，将相机3固定到相机舱31中，将相机舱31从刀盘1后端推入设备安放仓11，到达预定位置后，再将推杆33通过螺栓34固定到设备安放舱11上，即可完成相机1的固定。设置防尘栓塞13主要是为了避免粉尘从相机舱31与滑轨32的间隙进入刀盘1后部。

控制系统也是一个比较关键的部件，所述控制系统包括设备保护箱5，如图4所示，设备保护箱5内设有储存器6、充电电源7和控制开关8，储存器6用于储存相机3拍摄的照片，并配有数据导出端口61，所述充电电源7通过电源线为相机3和喷射器2供电，所述控制开关8通过电信通讯控制相机3、喷射器2和舱门12工作。

利用本装置进行成像的方法，主要包括以下步骤：

a、根据双护盾tbm具体刀盘开挖直径，以保证相机3可以对掌子面岩体按照一定重叠率进行全覆盖拍照为依据，选择合适的相机并确定相机数量、布设间距和拍照数量；

b、结合刀盘结构在刀盘设计和制作时，基于不破坏刀盘1整体结构和强度的原则上制作设备安放舱11，在刀盘1后方布置线路盒和设备保护箱5，并对各设备进行安装连接；

c、隧道掘进过程中，在需要对掌子面岩体进行拍照的任何时刻，首先停止掘进，后退刀盘1，后退距离一般不小于1m，然后利用掘进机本身设备对掌子面进行多次喷水降温除尘；

d、当刀盘1前方降温除尘工作结束后，根据确定的拍照数量计算拍照间隔角度，确定起点位置后刀盘1每旋转相应间隔角度时便进行拍照，直到刀盘1旋转一圈，同时，当喷射器2旋转到上、下、左、右位置时分别喷射不同颜色的标识；

e、拍照结束后利用电脑设备9将相片数据导出，并结合刀盘位置信息进行图像分析处理形成掌子面岩体的三维影像。

在选择相机3时，选择低倍焦距的定焦相机，按照a＝(l×s)/f来估算每个相机的拍摄面积，从而确定相机数量、布设间距、拍照数量，式中：a-拍摄面积，l-相机镜头与掌子面岩体的距离，s-相机感光片边长，f-相机焦距。

进一步的，在确定相机3数量、布设间距、拍照数量和拍照间隔角度时根据相邻相机拍摄的照片重叠率以及同一相机在相邻两个拍设位置拍摄的照片重叠率均不小于30％进行计算。

采用本装置进行隧道掌子面岩体三维成像，具有以下优点：信息全面，该设备可以获取掌子面岩体的整体影像，同时分辨率高对细节也可以分析，获取的信息全面、丰富、完整；便捷，该设备利用刀盘预先安装照的相机装置进行拍照，快速便捷；安全，所有工作均在刀盘后方进行，不用进入刀盘前方及刀盘内部工作，安全性高。