隧道掌子面地质多维数字化记录识别方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种隧道掌子面地质多维数字化记录识别方法，确定目标对象，确定摄像装置、红外测温仪、激光测距仪的安装位置，将目标对象分成4部分分别成像，对图像进行预处理，对预处理后的图像进行结构信息提取和分析，得到结构面特征和岩体纹理特征并进行三维地质结构模型重建，对地质进行预测，从三维地质结构模型中的掌子面图像得到相邻掌子面的断面及岩层节理图像，相邻的岩层节理边界为同一结构面，任意取角度的虚拟剖切面与结构面边界相交，得到地质纵剖面图。采用三种仪器快速、高效、全面的采集掌子面的情况，隧道掌子面图像的采集方式采用分区分别采集后再合成图像，可以提高采集图像的画面质量，利于后期图像处理，提高图像的准确性。

The tunnel face geological multidimensional digital record recognition method and system

The invention discloses a tunnel face geological multidimensional digital record identification method, determine the target object, determine the installation position of camera device, infrared thermometer, laser range finder, the target object is divided into 4 parts respectively for imaging, image preprocessing, structural information extraction and analysis of the image after pretreatment. Structural characteristics and rock texture and three-dimensional geological structure model reconstruction, prediction of geology, adjacent tunnel face section and rock joints image from 3D geological structure model of the face image, the adjacent rock joint boundary for the same structure, virtual section and structural plane arbitrary angle boundary the intersection, geological profile. The three instruments fast, efficient and comprehensive collection of tunnel face and tunnel face image acquisition method by using partition were collected after the synthetic image, can improve the quality of image acquisition, for subsequent image processing, improve the image accuracy.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及隧道工程
，特别涉及一种隧道掌子面地质多维数字化记录识别方法及系统。
技术介绍
目前，隧道工程的地质条件直接影响隧道施工的方法、安全、质量和进度，因而隧道掌子面地质编录作为隧道施工的一个重要的基础工作，为地质预测、隧道施工提供重要的基础数据。掌子面地质编录主要是对隧道掌子面中重要地质构造信息的采集和分析，主要是通过肉眼观察，然后通过手工描述地质特征，此种作业方法不仅工作量大、工作强度高、受隧道施工洞内光线干扰大，而且编录的几何精度低、直观性差、信息反馈慢、信息量有限，同时也不利于对编录成果的分析和应用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题之一在于提供一种隧道掌子面地质多维数字化记录识别方法，实现对隧道掌子面信息快速、高效、准确的采集和分析，直观性强。本专利技术通过以下技术手段解决上述技术问题：本专利技术提供了一种隧道掌子面地质多维数字化记录识别方法，具体包括以下步骤：S1.确定目标对象，确定摄像装置、红外测温仪和激光测距仪的安装位置；S2.经过掌子面的中心点十字相交线将所述目标对象分成4部分，分别对目标对象拍摄成像，在每部分的下部均设置钢尺测量掌子面边墙到中心点的距离，通过所述距离和图像中相对应的两点像素值，计算实物和图像的比例转换系数；S3.对所述图像进行预处理，进行灰度变换、色彩均衡化、亮度/对比度调整、色相/饱和度调整、图像滤波、蒙版的一种或多种组合进行图像处理；S4.对预处理后的图像进行边界提取后得到边界清晰的掌子面图像，再进行结构面特征分析与掌子面不同岩体区域识别，分别得到从隧道掌子面上提取的岩体节理、裂隙等边界信息和掌子面不同岩体的区域划分，最后对不同岩体图像分析得到岩体纹理特征；S5.用S4所得到的掌子面图像的岩体信息进行三维地质结构模型重建，根据相邻隧道掌子面中岩体节理、裂隙等边界信息建立同一结构面在以相邻掌子面为剖面而形成的剖面线间的对应关系，从而建立结构面的三维面形；S6.从三维地质结构模型中的掌子面图像得到相邻掌子面的断面及岩层节理图像，相邻的岩层节理边界为同一结构面，任意取角度的虚拟剖切面与结构面相交，得到地质纵剖面图。进一步，所述步骤4中的边界提取步骤包括：Canny边缘检测、数学形态学处理、清除节点及单点、全自动边界连接和人工辅助修建。进一步，所述步骤4中的掌子面不同岩体区域识别，具体方法为：根据每种岩体在不同挖掘深度、不同工程路段的不同情况下拍摄的样片，从样片中提取岩体的特征建立特征库，从边界提取得到边界清晰的掌子面图像分割成多块，每一块图像进行特征提取并与特征库中相应的岩体信息进行匹配，将相同岩体区域的切割图片进行合并，将处于不同岩体之间的图像切片作为切割通道，并自动在切割通道中绘制切线，完成掌子面不同岩体区域识别。本专利技术还提供一种隧道掌子面地质多维数字化记录识别系统，包括图像采集装置，采集隧道掌子面地质图像数据；图像处理装置，根据所述采集到的隧道掌子面地质图像数据对掌子面进行岩性分析，得到掌子面结构面特征和岩体纹理特征；三维地质结构模型重建装置，将所述掌子面结构面特征和岩体纹理特征进行三维地质结构模型重建，对掌子面进行地质分析、地质切片后生成地质剖面图。进一步，所述图像采集装置包括摄像装置、红外测温仪、激光测距仪和辅助照明装置，所述摄像装置设置在掌子面的正前方，能完整拍摄整个掌子面的图像，所述红外测温仪和激光测距仪分别与摄像装置并排设置，所述辅助照明装置设置在摄像装置的非成像区域。进一步，所述图像预处理模块包括灰度变换、色彩均衡化、亮度/对比度调整、色相/饱和度调整、图像滤波、蒙版的一种或多种组合进行图像处理。进一步，所述图像处理装置包括顺次连接的图像比例转换模块、图像预处理模块、边界提取模块、结构面信息提取模块和结构面信息分析模块。进一步，所述辅助照明装置为碘钨灯。本专利技术的有益效果：本专利技术的隧道掌子面地质多维数字化记录识别方法，通过将摄像装置、红外测温仪和激光测距仪安装在设定位置，分别对隧道掌子面图像、温度和距离进行采集，快速、高效、全面的采集掌子面的情况，隧道掌子面图像的采集方式采用分区分别采集后再合成图像，可以提高采集图像的画面质量，利于后期图像处理，提高图像的准确性。预处理后的图像进行结构面特征分析与掌子面不同岩体区域识别，分别得到结构面特征和岩体纹理特征，然后根据掌子面结构面特征和岩体纹理特征进行三维地质结构模型重建，对未开挖部分地质进行预测，全面了解地质情况，对后期施工开挖作好预测工作，最后对三维地质结构模型剖切得到地质剖面图，直观地了解地质情况。通过地质三维模型观察岩体结构面产状、分析岩层走势、预测预报危险区域等，可以为隧道的安全施工提供及时辅助参考，尽可能通过地质预报的方式避免出现隧道塌陷、地下水泛滥等因素导致的人员伤亡。本专利技术的隧道掌子面地质多维数字化记录识别系统，包括图像采集装置，采集装置包括摄像装置、红外测温仪和激光测距仪，三种仪器结合快速、准确、全面采集掌子面信息，可为地质预报提供全面丰富的数据信息；图像处理装置，根据所述采集到的隧道掌子面地质图像数据对掌子面进行岩性分析，得到掌子面结构面特征和岩体纹理特征；三维地质结构模型重建装置，将所述掌子面结构面特征和岩体纹理特征进行三维地质结构模型重建，对掌子面进行地质分析、地质切片后生成地质剖面图，直观了解地质情况。通过地质模型观察岩体结构面产状、分析岩层走势、预测预报危险区域等，可以为隧道的安全施工提供及时辅助参考，尽可能通过地质预报的方式避免出现隧道塌陷、地下水泛滥等因素导致的人员伤亡。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述。图1为本专利技术实施例1的工作流程图。图2为本专利技术实施例2的结构原理图。图3为本专利技术实施例2的图像处理装置的原理框图。图4为本专利技术实施例2的三维地质结构模型重建装置的原理框图。具体实施方式实施例1以下将结合附图对本专利技术进行详细说明，本专利技术的隧道掌子面地质多维数字化记录识别方法，如图1所示：具体包括以下步骤，S1.确定目标对象，确定摄像装置、红外测温仪和激光测距仪的安装位置。为了提高检测精度，摄像装置选用有效像素数越高且成像质量越好的数码相机，采用的数码相机型号为佳能EOS45OD，为单反相机，其最大相机分辨率为4272x2848，即1220万像素，相机镜头为德国蔡司变焦距镜头，焦距为18-55mm，相机可自动或手动调焦。确定设备安装位置，将摄像装置固定在三脚架上，并将脚架云台调至水平，保持其稳定。相机拍摄方向与隧道掌子面所在平面垂直必须保持垂直。由于隧道内光线较暗、空气中混杂的粉尘较多，并且相机与被测目标对象间具有一定的距离，所以相机自带的闪光灯无法满足摄取高质量图像的要求，会给图像处理带来难度，也直接影响到摄像测量结果的精度，因此，掌子面地质图像采集过程中，利用碘钨灯照亮掌子面，以使掌子面地质图像达到系统处理亮度要求，成像效果更好。确定仪器安装位置，可提高采集掌子面图像的准确性，采用三种仪器对掌子面图像进行采集，可为地质预报提供全面丰富的数据信息。图像采集时间在掌子面排险之后，衬砌支护之前。S2.经过掌子面的中心点十字相交线将所述目标对象分成4部分，分别对4部分的目标对象分别拍摄成像，需保证图像间有20％以上的重叠度，在每部分的本文档来自技高网...

【技术保护点】
隧道掌子面地质多维数字化记录识别方法，其特征在于：具体包括以下步骤：S1.确定目标对象，确定摄像装置、红外测温仪和激光测距仪的安装位置；S2.经过掌子面的中心点十字相交线将所述目标对象分成4部分，分别对目标对象拍摄成像，在每部分的下部均设置钢尺测量掌子面边墙到中心点的距离，通过所述距离和图像中相对应的两点像素值，计算实物和图像的比例转换系数；S3.对所述图像进行预处理，进行灰度变换、色彩均衡化、亮度/对比度调整、色相/饱和度调整、图像滤波、蒙版的一种或多种组合进行图像处理；S4.对预处理后的图像进行边界提取后得到边界清晰的掌子面图像，再进行结构面特征分析与掌子面不同岩体区域识别，分别得到从隧道掌子面上提取的岩体节理、裂隙等边界信息和掌子面不同岩体的区域划分，最后对不同岩体图像分析得到岩体纹理特征；S5.用S4所得到的掌子面图像的岩体信息进行三维地质结构模型重建，根据相邻隧道掌子面中岩体节理、裂隙等边界信息建立同一结构面在以相邻掌子面为剖面而形成的剖面线间的对应关系，从而建立结构面的三维面形；S6.从三维地质结构模型中的掌子面图像得到相邻掌子面的断面及岩层节理图像，相邻的岩层节理边界为同一结构面，任意取角度的虚拟剖切面与结构面边界相交，得到地质纵剖面图。...

【技术特征摘要】
1.隧道掌子面地质多维数字化记录识别方法，其特征在于：具体包括以下步骤：S1.确定目标对象，确定摄像装置、红外测温仪和激光测距仪的安装位置；S2.经过掌子面的中心点十字相交线将所述目标对象分成4部分，分别对目标对象拍摄成像，在每部分的下部均设置钢尺测量掌子面边墙到中心点的距离，通过所述距离和图像中相对应的两点像素值，计算实物和图像的比例转换系数；S3.对所述图像进行预处理，进行灰度变换、色彩均衡化、亮度/对比度调整、色相/饱和度调整、图像滤波、蒙版的一种或多种组合进行图像处理；S4.对预处理后的图像进行边界提取后得到边界清晰的掌子面图像，再进行结构面特征分析与掌子面不同岩体区域识别，分别得到从隧道掌子面上提取的岩体节理、裂隙等边界信息和掌子面不同岩体的区域划分，最后对不同岩体图像分析得到岩体纹理特征；S5.用S4所得到的掌子面图像的岩体信息进行三维地质结构模型重建，根据相邻隧道掌子面中岩体节理、裂隙等边界信息建立同一结构面在以相邻掌子面为剖面而形成的剖面线间的对应关系，从而建立结构面的三维面形；S6.从三维地质结构模型中的掌子面图像得到相邻掌子面的断面及岩层节理图像，相邻的岩层节理边界为同一结构面，任意取角度的虚拟剖切面与结构面边界相交，得到地质纵剖面图。2.如权利要求1所述的隧道掌子面地质多维数字化记录识别方法，其特征在于：所述步骤4中的边界提取步骤包括：Canny边缘检测、数学形态学处理、清除节点及单点、全自动边界连接和人工辅助修建。3.如权利要求1所述的隧道掌子面地质多维数字化记录识别方法，其特征在于：所述步骤4中的掌子面不同岩体区域识别，具体方法为：根据每种岩体在不同挖掘深度、不同工程路段的不同情况下拍摄的样片，从样片中提取岩体的特征建立特征库，从边界提取得到边界清晰的掌子面图像分...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海京，涂耘，曾知法，王小军，杨少晨，郑佳艳，
申请(专利权)人：招商局重庆交通科研设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50