一种隧道开挖断面超欠挖检测方法、电子设备及存储介质与流程

本发明涉及土木工程监测，尤其涉及一种基于图像识别的隧道开挖断面超欠挖检测方法、电子设备及存储介质。

背景技术：

1、隧道轮廓形状一般分为圆形、拱形和矩形，故轮廓一般由圆弧或直线组成。隧道工程中，测量爆破开挖断面的超欠挖值时，一般是用直尺垂直隧道设计断面的工字钢段量测工字钢至爆破开挖面的距离。故对于矩形隧道而言，隧道超欠挖值应是爆破开挖面与隧道断面中线的差值；对于圆拱形隧道而言，可分为直线段和圆弧段计算超欠挖值，直线段超欠挖值可按照矩形隧道超欠挖值计算，圆弧段超欠挖值应是爆破开挖面与圆弧半径的差值。

2、目前，隧道断面超欠挖一般是主要采用卷尺、全站仪、断面扫描仪或三维激光扫描仪进行测量，其中：(1)卷尺测量的点和精度较低；(2)全站仪测量精度高但测量点较少；(3)断面扫描仪的测量精度较高且测量点较密集，但操作较复杂且计算存在差误，仪器较为昂贵；(4)三维激光扫描仪的测量精度高且测量点密集，但采集时间长、操作复杂、仪器昂贵。

3、隧道断面超欠挖值计算过程中，一般都是以隧道断面中轴点或质点为基准点，计算开挖断面点到基准点的距离与设计断面到基准点的距离的差值，其计算所得超欠挖值与实际超欠挖值存在一定差误。

4、隧道施工过程中，隧道断面超欠挖所要求的的精度为cm级，故而适用于隧道现场超欠挖测量的仪器是断面扫描仪，但其超欠挖的计算方式存在一定问题，造成超欠挖精度偏低。

技术实现思路

1、本发明提供了一种隧道开挖断面超欠挖检测方法，包括以下步骤：

2、步骤一、采集隧道开挖断面图像；

3、步骤二、从该隧道设计图中找出与隧道开挖断面图所在桩段相对应的隧道设计断面图，并将该隧道设计断面图中的轮廓进行修改和标记，得到隧道设计断面轮廓图；将隧道设计断面图与隧道开挖断面图一并输入至超欠挖检测程序中；

4、步骤三、在超次挖检测程序中对隧道设计断面图和隧道开挖断面图分别进行预处理：

5、利用双边滤波对隧道开挖断面图进行模糊处理和降噪处理；

6、采用像元计算方法和尺寸对比方法分别对隧道开挖断面图和隧道设计断面图的像素真实尺寸进行计算；

7、对隧道开挖断面图中的靶点位置以及隧道设计断面图中已知工程坐标点进行标记；

8、输入隧道开挖断面图对应靶点位置工程坐标以及隧道设计断面图工程坐标，并依据两者工程坐标将隧道开挖断面图和隧道设计断面图进行对应；

9、步骤四、利用hsv颜色空间图像分割算法对隧道开挖断面图和隧道设计断面图进行处理，以获得隧道开挖断面轮廓二值化图、隧道设计断面轮廓二值化图以及隧道设计断面轮廓曲线连接点的圆轮廓二值化图；

10、步骤五、隧道设计断面轮廓和隧道开挖断面轮廓提取：

11、基于隧道设计断面轮廓二值化图和圆轮廓二值化图对隧道设计断面轮廓以及圆轮廓进行提取，得到线宽为单像素的设计断面轮廓图、线宽为单像素的圆轮廓图以及曲线节点数量；

12、基于隧道开挖断面轮廓二值化图对开挖断面轮廓进行提取以及基于隧道设计断面轮廓二值化图和圆轮廓二值化图对隧道设计断面轮廓进行提取；

13、步骤六、对设计断面轮廓图中的轮廓形状进行分类以及根据圆轮廓的数量判断组成隧道轮廓的圆弧数量；

14、步骤七、对隧道设计断面轮廓图进行直线检测以及对设计断面轮廓图进行轮廓曲线计算；

15、步骤八、对隧道开挖断面轮廓图的轮廓曲线进行划分；

16、步骤九、对断面超欠挖值进行计算；

17、步骤十、计算超欠挖面积，具体方法为：根据像素点实际尺寸，计算开挖断面轮廓像素点和设计断面轮廓像素点的真实坐标，按照对应的坐标绘制在同一张图，设定该图的真实尺寸为5*5mm，考虑到存在因原始真实尺寸小于合并后图像真实尺寸而造成轮廓像素不连续的情况，按照插值法补足隧道轮廓像素点，从而形成连续的隧道设计断面轮廓和隧道开挖断面轮廓二值化图；然后依据连通域算法寻找闭合轮廓，统计闭合轮廓像素点数量计算闭合轮廓的面积，然后任选闭合轮廓一点计算超欠挖值，用来判断闭合轮廓为超挖或欠挖，统计分析隧道断面的超挖面积和欠挖面积。

18、可选的，所述步骤四中采用利用颜色分割算法对隧道开挖断面图和隧道设计断面图进行处理的具体过程如下：

19、s4.1、将隧道开挖断面图和隧道设计断面图的图像像素的rgb转化为hsv值，并设定轮廓所在颜色的h、s、v值的范围；

20、s4.2、提取隧道开挖断面图和隧道设计断面图中与h、s、v值相对应的像素点，并将其对应像素点编为0，即为黑色；其他颜色范围的像素点编为255，即为白色；

21、s4.3、在隧道设计断面图像中分别提取红色像素和蓝色像素的色域，以获得隧道轮廓设计图的二值化图和隧道设计断面轮廓曲线连接点的圆轮廓二值化图；以及在隧道开挖断面图中提取红色像素色域，以获得隧道开挖断面轮廓的二值化图。

22、可选的，所述步骤五中基于隧道设计断面轮廓二值化图和圆轮廓二值化图对隧道设计断面轮廓以及圆轮廓进行提取的具体过程如下：

23、s5.1、首先构建一个3×3滑动窗格遍历二值化图像，利用八领域算法检测像素值为0的像素点的周边领域，确定轮廓边界并剔除单一像素点，之后通过two-pass算法进行连通域标记，确定轮廓之间连通性，获取设计断面轮廓边界图和圆轮廓边界图，根据标记的圆轮廓的数量确定曲线节点数量n个；

24、s5.2、利用腐蚀算法和开运算迭代处理轮廓边界图和圆轮廓边界图，直至轮廓边界图和圆轮廓边界图的像素宽度为单个像素，通过统计轮廓内的像素点数量和像素坐标计算，圆轮廓的零阶矩和一阶矩，从而计算得到设计断面轮廓质心坐标和圆轮廓质心坐标。

25、可选的，所述步骤六中对设计断面轮廓图中的轮廓形状进行分类的具体过程如下：

26、s6.1、构建四类断面类型隧道的断面轮廓数据库，计算不同断面类型的hu不变矩；具体的，不同断面类型具体分为圆形或圆拱形、矩形、类马蹄形以及类椭圆形四种，其中：圆形或圆拱形的隧道轮廓由单个圆或多个圆弧组成，无直线段；矩形的隧道轮廓仅由直线段组成；类马蹄形的隧道轮廓由直线段和圆弧段组成，圆弧段仅在轮廓的上部或中部；类椭圆形的隧道轮廓由直线段和圆弧段组成，直线段仅在轮廓的中部；

27、s6.2、计算设计断面轮廓的hu不变矩，在轮廓断面数据库寻找到hu不变矩值差值最小的隧道断面类型，设计断面类型即为该断面类型。

28、可选的，所述步骤七中对设计断面轮廓图进行直线检测的具体方法为：通过累计概率霍夫变换算法检测设计断面轮廓图的直线进而输出直线段的两个节点坐标，确定直线段的范围，以直线段内的像素点构建各直线段像素集合和曲线段集合，然后依据直线端点坐标计算直线公式，在设计断面质心构建对应的平行直线。

29、可选的，所述步骤七中对设计断面轮廓图进行轮廓曲线计算的具体方法为：

30、s7.1、设圆轮廓质心坐标即为曲线节点；

31、s7.2、根据曲线构建规则进一步划分曲线段集合，得到各个曲线段的像素点；

32、s7.3、以曲线第一个侧端点(x1,y1)坐标、曲线另一个侧端点(x2,y2)坐标以及曲线中点(x3,y3)坐标，计算圆弧曲线的圆心坐标(x0,y0)以及圆弧曲线对应的圆弧像素半径r0；具体公式如下：

33、式中，(x1,y1)为曲线一侧端点的列号、行号，(x1,y1)为曲线林另一侧端点的列号、行号，(x3,y3)为曲线重点的列号、行号，(x0,y0)为曲线对应的圆弧圆心的列号、行号，r0为曲线对应的圆弧像素半径。

34、可选的，所述步骤八中对隧道开挖断面轮廓图的轮廓曲线进行划分的具体过程如下：

35、s8.1、遍历隧道开挖断面轮廓二值化图，提取像素值为255的黑色像素点，得到每个黑色像素点的行、列号后计算其各点坐标值；

36、s8.2、按照设计轮廓曲线和直线端点坐标制定范围划分准则划定开挖断面轮廓线段集合，划分起点从隧道轮廓左下方的端点开始，并制定了如下规则：

37、①首先划分直线段的开挖断面轮廓像素点集合，再划分曲线段的开挖断面轮廓像素点的集合；

38、②对于直线段范围的划分，一般计算过节点垂直该直线段的直线与开挖断面轮廓线的交点，两个节点则在两侧形成两个交点，交点所组成的范围即为直线段像素点集合；

39、③考虑到隧道轮廓线存在两条直线段相交的情况，对于超挖情况，一般是按照规则①划分，两条直线段在相交的节点划分剩余部分，则独立作为该节点的集合；对于欠挖情况，计算过两条直线段的交点、斜率为竖直线段长度/水平线长度的直线与开挖断面轮廓的交点，该交点与规则②直线段另一个节点的交点组成直线段像素点集合；

40、④对于曲线段范围的范围，一般计算过曲线段节点和圆心的直线与开挖断面轮廓线的交点，曲线段两个节点则在两侧形成两个交点，交点所组成的范围即为曲线段像素点集合；

41、⑤考虑到隧道轮廓线存在一条直线段与曲线段相交的情况，按照规则①先划分直线段范围，曲线段范围则为直线段与开挖断面轮廓线的交点与规则④计算曲线段与开挖断面轮廓线的交点所组成的集合；

42、⑥考虑到隧道轮廓线存在两条曲线段相交的情况，将上一条曲线段计算的与开挖断面轮廓线的交点与本曲线段另一侧节点按照规则④计算的与开挖断面轮廓线的交点组成本曲线段的开挖断面轮廓曲线段像素集合。

43、可选的，所述步骤九中对断面超欠挖值进行计算的具体过程如下：

44、s9.1、按照所述步骤八中所划分的直线段、曲线段和节点的隧道开挖断面轮廓像素点，计算不同范围的超欠挖值，具体计算公式如下：

45、对于直线段，其超欠挖值d＝d2-d1，其中：d1为直线与过设计断面质心的平行直线的距离，d2为某点与过设计断面质心的平行直线的垂直距离；

46、对于曲线段，其超欠挖值d＝r-r0；对于节点，其超挖值d＝[(x-x1)2+(y-y1)2]0.5；

47、s9.2、判断该隧道断面是否存在超挖，若d大于0，则为超挖；若d小于0，则为欠挖；其中：

48、

49、式中，α为像素真实尺寸，单位为cm；l0为设计直线段与过设计断面质心的平行直线的距离，li为开挖断面轮廓某像素点至过设计断面质心的平行直线的垂直距离；r0为曲线段对应的圆弧的半径，ri为开挖断面轮廓某像素点至曲线段对应的圆弧圆心的距离；xi,yi为开挖断面轮廓某像素点的列号、行号，m,n为节点的列号、行号。

50、本发明还提供了一种电子设备，应用至如上述所述的隧道开挖断面超欠挖检测方法中，该电子设备包括一个或多个处理器；

51、存储装置，用于存储一个或多个程序；

52、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现前述的方法。

53、本发明还提供了一种存储介质，应用至如上述所述的电子设备中，存储有计算机程序，计算机程序实现超欠挖计算方法的所有步骤。

54、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

55、本发明提供了隧道开挖断面超欠挖检测方法，通过对图像进行程序处理即可获得隧道断面轮廓坐标以及超欠挖数据，较人工检测更加快捷、经济和客观。且与其他传统超欠挖计算方法相比，该检测方法图像采集过程耗时少、操作简便，超欠挖计算过程更为快捷方便。

56、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。