一种隧道开挖面变形快速测量方法及装置与流程

1.本发明涉及隧道开挖后的变形识别技术领域，尤其是涉及一种隧道开挖面变形快速测量方法及装置。


背景技术：

2.在实际隧道工程中，时刻掌握隧道稳定性状态是保证隧道推进安全施工的关键性工作。传统的掌子面变形监测技术多以埋设测量仪器为主，对围岩变形的测量主要采用水准仪、全站仪或在围岩内布设滑动测微计的方法。但上述几种方法均存在不足之处：首先，布设测量仪器，工作量较大、耗费时间长、效率低下；其次，测量工作与现场施工互相干扰，人为因素对量测精度影响较大，量测结果不稳定；最后，现场作业时间较长，许多现场条件比较恶劣，对测量人员的人身安全带来威胁。
3.为避免上述缺陷，近年来工作人员引入无接触式测量方法，主要为基于数字照相的摄影测量技术。数字照相技术在岩土工程中应用可以提高监测的自动化程度，直观详细的展示结果，提升测量工作效率，减小对施工工作的干扰。但近景摄影测量技术还面临的突出问题有：
4.(1)目前，所有掌子面近景摄影测量方法，均需要在待测掌子面布设人工标志点。如中国专利cn110849324b公开了一种长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法，其实施步骤包括在掌子面钻孔放样时标记像控点并测量坐标；通过长曝光摄影采集低照度环境下不同角度、高分辨率、携带岩层纹理的洞身图像；针对洞身图像通过识别多张洞身图像上特征点，以多像空间前方交会法为基础计算特征点空间坐标并展点形成网格表面模型，从而得到携带地层信息、洞身轮廓表面起伏的数字表面模型。但人工标志点多为反光材料制成，安装方式以粘贴或钻孔安装为主，实际工程中，掌子面布设标志点耗费时间，需要工作人员频繁接触并长时间暴露于掌子面下，面临较大的安全风险；对于掌子面上方区域，安装工作困难，需要花费大量的时间，并对正常的隧道施工作业产生干扰，这种安装人工标志点的测量方式明显违背了隧道施工中“及时封闭”的指导原则。
5.(2)少数研究者在无标志点法摄影测量方面的研究成果。如文献“基于亚像素无标点法的掌子面变形监测技术”，提出无标点亚像素监测法，以灰度图像相关性算法为基础，设计室内试验，把角点设为特征点，对无光线变化且没有受到意外扰动的照片进行分析。但现有的无标志点掌子面变形检测技术，均是采用单相机固定监测方案，此种技术手段，在实际隧道施工过程中不具备实用性，会严重干扰掌子面后续施工；另一方面，采用单像机技术方案，获取的掌子面变形为平面二维变形，缺少掌子面鼓出变形数据。
6.(3)常规掌子面三维空间变形计算均是建立在传统双目摄影技术基础上，需要对掌子面各像素点的三维坐标进行解算，逐次对比各图像求解像素点的空间变形，但是该种计算方法计算量巨大、耗费时间较长、时效性较差。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种保障施工安全、计算量小的隧道开挖面变形快速测量方法及装置。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.一种隧道开挖面变形快速测量方法，包括以下步骤：
10.通过双目摄影获取完整的掌子面图像，并进行预处理；
11.基于爆破后炮孔痕迹对经预处理的掌子面图像进行掌子面轮廓拟合，提取掌子面轮廓，得到掌子面区域；
12.基于所述掌子面轮廓的曲率变化特征提取隧道断面轮廓关键点，所述隧道断面轮廓关键点包括拱顶和两个拱脚；
13.基于所述隧道断面轮廓关键点获得多个基准点，计算各基准点的三维空间变形，所述三维空间变形的变形类型包括平面内变形和鼓出变形，所述基准点基于变形类型选取；
14.以三基准点变形为基础计算掌子面区域内任意点的三维空间变形。
15.进一步地，所述预处理包括图像去噪处理和图像尺寸统一化。
16.进一步地，所述基于爆破后炮孔痕迹对经预处理的掌子面图像进行掌子面轮廓拟合具体包括：
17.采用k3m顺序迭代处理算法，通过从目标图像外围逐步向目标中心进行腐蚀操作，直至腐蚀至单层像素宽度，提取炮孔骨架；
18.逐条提取每一炮孔骨架的端点，筛选获得骨架端点；
19.基于拟合曲线曲率变化特性，从筛选获得的所述骨架端点中删除异常点，获得轮廓点；
20.以所述轮廓点为拟合数据，基于最小二乘法进行掌子面轮廓拟合。
21.进一步地，所述筛选获得骨架端点具体为：
22.对所述炮孔骨架进行二值化处理，获取炮孔骨架两端端点，以拍摄画面中心像素为基准像素，分别计算两端端点至基准像素的欧几里得距离，将距离较小的端点筛选为所述骨架端点。
23.进一步地，所述异常点基于向量夹角判断获得，具体为：
24.基于待判定点b以及与所述待判定点相邻的两个点a、c建立直角坐标系，ac方向为x轴，以ac中点为坐标原点o建立y轴；
25.判断向量ab与y轴正向夹角是否大于90度，若是，则判断待判定点b为异常点。
26.进一步地，所述拱顶的提取方法为：
27.判断各轮廓像素点的竖向坐标值，以竖向坐标值最大的像素点为拱顶；
28.所述拱脚的提取方法为：
29.对于台阶法开挖，以轮廓像素点曲率突变为0的像素点为拱脚；
30.对于全断面法开挖，以轮廓像素点曲率突变至曲率阈值以下的像素点为拱脚。
31.进一步地，对于所述平面内变形，所述基准点的选取具体为：
32.基于所述拱顶和拱脚，将所述掌子面区域划分为中间三角形区域和两侧弧形区域；
33.对于所述中间三角形区域，以拱顶、两个拱脚作为三基准点；
34.对于所述两侧弧形区域，以弧形区域的弧段中点、拱顶以及距离所述弧段中点更近的一个拱脚作为三基准点。
35.进一步地，对于所述鼓出变形，所述提取掌子面区域基准点具体包括：
36.识别获得掌子面核心区中点，作为一个基准点，以拱顶、两个拱脚以及拱顶与两个拱脚之间弧形区域的两个弧段中点中的任意相邻两点作为另外两个基准点，形成三基准点。
37.进一步地，所述基准点的三维空间变形具体计算过程包括：
38.基于双目摄影获得的两张同期图像，采用sgbm算法对两张图像进行视差计算，根据平行双目视觉的几何关系，计算得到图像的三维空间信息；
39.基于多张图片对比，计算基准点的三维空间变形。
40.本发明还提供一种隧道开挖面形变快速检测装置，包括双目摄影相机和工控机，所述工控机内存储有可被执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如上所述隧道开挖面变形快速测量方法的指令。
41.相较于传统摄影测量技术，本发明无需布设人工标志点，采用数字图像技术自动识别掌子面上稳定的几何特征点，从而快速识别掌子面变形，本发明具有以下有益效果：
42.(1)本发明通过双目摄影技术手段，识别掌子面上的几何特征点作为追踪与计算对象，无需人工设置标志点，避免工作人员频繁接触并长时间暴露于掌子面下，降低测量和人员的安全风险；同时也解决了掌子面上方区域安装工作困难、需要花费大量的时间、对正常的隧道施工作业产生干扰的问题，能够保障施工安全，大大提升工作效率。
43.(2)本发明采用双像机拍摄方案，在掌子面前方固定距离内自由设站，相较于固定设站且定时拍摄方案，本发明不会干扰隧道工程的正常施工。另一方面，相较于目前常用的单相机量测方案，双目摄影技术能够解算出掌子面特征点的三维空间坐标，进而计算准确的掌子面的三维空间变形，为后续评价掌子面前方围岩地质条件以及建立掌子面稳定性判据，提供掌子面鼓出变形数据，建立更加完善、合理的掌子面稳定性判定体系。
44.(3)相较于传统的双目相机计算掌子面变形方法，本发明先计算基准点的变形，基于三点坐标及变形值计算任意部位变形，能够避免大量计算，大大提高测量效率。
附图说明
45.图1为本发明的流程图示意图；
46.图2为炮孔骨架端点像素8连通域(水平骨架为例)示意图，其中，(2a)为左端点，(2b)为中间点，(2c)为右端点；
47.图3为正常端点断面轮廓拟合效果示意图；
48.图4为异常端点断面轮廓拟拟合效果示意图；
49.图5为异常点判定模型示意图；
50.图6为掌子面轮廓拟合及图像分割提取示意图，其中，(6a)为炮孔痕迹，(6b)为炮孔骨架提取，(6c)为掌子面轮廓拟合，(6d)为掌子面图区域分割；
51.图7为夹角计算示意图；
52.图8为平面内形变计算各点坐标关系示意图；
53.图9为鼓出形变计算分区示意图；
54.图10为掌子面鼓出形变计算示意图。
具体实施方式
55.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
56.术语解释
57.掌子面：掌子面又称礃子面，是坑道施工中的一个术语。即开挖坑道(采煤、采矿或隧道工程中)不断向前推进的工作面。
58.双目摄影测量：用两部相机来定位。对物体上一个特征点，用两部固定于不同位置的相机摄得物体的像，分别获得该点在两部相机像平面上的坐标。只要知道两部相机精确的相对位置，就可用几何的方法得到该特征点在固定一部相机的坐标系中的坐标，即确定了特征点的位置。
59.标志点：布设在被测物体表面，在测量过程中作为控制点或被测点，以提高测量精度和可靠性。
60.实施例
61.本发明基于双目摄影测量技术，不设置人工标志点和标尺，采用图像处理算法自动识别、追踪掌子面关键点；在解算少量关键点的空间变形基础上，采用三点变形数据计算掌子面区域内任意部位平面变形及鼓出变形，实现掌子面三维空间变形的快速测量。
62.如图1所示，本实施例提供一种隧道开挖面变形快速测量方法，包括以下步骤：
63.s1、通过双目摄影获取完整的掌子面图像。
64.在隧道两侧分别布设两台相机同步采集，相机距离掌子面30m至50m范围最佳，保证能够采集完整掌子面图像；拍摄过程中开启补光灯，必要时配备补光设备，确保整个掌子面清晰可见且无阴影覆盖。
65.采用双目摄影技术能够解算出掌子面特征点的三维空间坐标，进而计算掌子面的三维空间变形；为后续评价掌子面前方围岩地质条件以及建立掌子面稳定性判据，提供掌子面鼓出变形数据，建立更加完善、合理的掌子面稳定性判定体系。
66.s2、掌子面图像预处理。
67.图像预处理主要包括：图像去噪处理和图像尺寸统一化。针对隧道内恶劣的施工环境所产生的灰尘、光源干扰及拍照设备自身干扰，可将图像噪声分为高斯噪声和脉冲噪声。采用高斯低通滤波处理与中值滤波处理组合手段，首先采用高斯低通滤波方法进行滤波消除高斯噪声，再采用中值滤波方法进行滤波消除脉冲噪声。最后对滤波处理后的掌子面图像做变换像素处理，进行图像尺寸统一化和格式标准化。
68.s3、掌子面轮廓提取。
69.以爆破后柱状炮孔痕迹为识别对象，采用骨架提取算法提取各柱状炮孔痕迹的骨架，并提取位于掌子面轮廓上的骨架端点；基于拟合曲线曲率变化特性，在实验的基础上提出筛选判定标准，对提取端点逐个判断，排除由掉块和排险引起的尖锐点、突变点等异常点，筛选后进行掌子面轮廓拟合。
70.如图6所示，该掌子面轮廓提取具体包括：
71.(1)炮孔骨架提取
72.采用k3m顺序迭代处理算法，通过从目标图像外围逐步向目标中心进行腐蚀操作，直至腐蚀至单层像素宽度，即可提取炮孔骨架，主要操作流程：
73.1)对单个炮孔操作，提取目标轮廓点并记录；
74.2)依次检测轮廓点的8像素邻域，是否只含有3连通像素，如果有，把此点从轮廓点删除，并在目标图像中腐蚀掉对应点；
75.3)依次检测2)中剩余轮廓点的8像素邻域，是否只含有3or 4连通像素，如果有，把此点从轮廓点删除，并在目标图像中腐蚀掉对应点；
76.4)依次检测3)中剩余轮廓点的8像素邻域，是否只含有3or 4or 5连通像素，如果有，把此点从轮廓点删除，并在目标图像中删除腐蚀掉对应点；
77.5)依次检测4)中剩余轮廓点的8像素邻域，是否只含有3or 4or 5or 6连通像素，如果有，把此点从轮廓点删除，并在目标图像中腐蚀掉对应点；
78.6)依次检测5)中剩余轮廓点的8像素邻域，是否只含有3or 4or 5or 6or 7连通像素，如果有，把此点从轮廓点删除，并在目标图像中腐蚀掉对应点；
79.7)反复执行上述操作，直至没有能够腐蚀的对象，结束操作，得到炮孔骨架。
80.采用上述处理方法，一次对识别出的所有炮孔逐个进行形态学像素腐蚀操作，得到并提取每个炮孔的骨架。
81.(2)炮孔骨架端点提取
82.基于上述炮孔骨架提取结果，逐条骨架操作，提取端点，为后续断面轮廓拟合做准备。
83.1)对炮孔骨架图像进行二值化处理，骨架为黑色，背景为白色；对各骨架像素点进行8连通域判断：若出现2个黑色像素，则为端点，黑色像素数目超出2个，则为中间点；获取骨架两端端点，如图2所示。
84.2)以拍摄画面中心像素为基准，分别计算两端点至基准像素欧几里得距离，如式(1)，对比距离数值，剔除距离较大的端点，保留距离较小的端点，作为后续轮廓拟合点。
[0085][0086]
式中：d——两像素间欧式距离；
[0087]
p——端点，像素坐标为(x，y)；
[0088]
q——基准，像素坐标为(s，t)。
[0089]
(3)基于曲率变化特征的异常点筛选方法
[0090]
根据公路隧道断面几何特征可知，公路隧道设计断面为标准三心圆组合，爆破后隧道断面来不及变形，初始轮廓基本保持圆弧状。由于爆破质量控制具有不确定性，炮孔端点可能出现质量不好的情况；同时，由于节理的存在，隧道顶部可能出现掉块趋势；上述原因均可造成初始断面拟合过程中，出现尖锐点、突变点的现象。通过异常点的剔除，有效提高拟合精度。
[0091]
假设b’为顶部掉块引起的异常点，在后续施工过程中会受到扰动而整体滑落，在拟合初始断面时需要将其剔除。
[0092]
由图3可以看出，正常断面轮廓，由a至b至c曲线光滑，整体曲率变化较小；带有异常点的拟合曲线，在a点、b’点、c点三处曲率变化较大，如图4所示。
[0093]
所以，可以根据曲率变化程度大小，对异常点进行判定。另一方面，直接进行曲率计算较为复杂，且判定基准不易确定，所以本发明将其转化为判断向量夹角的方式进行判定，并给出定量的判断标准。
[0094]
如图5所示，a、b、c为相邻的3个点，弧形abc为色痕迹轮廓曲线。如图建立坐标系，ac方向为x轴，以ac中点为坐标原点o建立y轴。
[0095]
对于设计轮廓，向量ab与y轴正向夹角小于90度。由于施工因素、地质因素、图像处理技术的问题，实际提取的炮孔端点b’位置会发生变动，拟合出的弧线ab’c曲率发生变化，向量ab’与y轴正向夹角也在发生变化。
[0096]
基于大量拟合试验，认为当b’点位于坐标系第1、2象限时，曲线拟合精度影响不大，此时向量夹角θ1小于90度；当b’点位于坐标系第3、4象限时，拟合结果较差，可判定为异常点，此时向量夹角θ2大于90度。
[0097]
对于夹角的计算可以采用如下公式：
[0098][0099]
(4)基于最小二乘法的掌子面轮廓拟合
[0100]
基于上述筛选后的炮孔端点为拟合数据，对于初始的断面轮廓，可采用最小二乘法进行分段圆形拟合，最终组合出三心圆的隧道断面轮廓。对于后续变形后的断面，可以采用分段多项式拟合。
[0101]
关于圆的最小二乘法拟合，采用如下代数距离平方和及其修正公式：
[0102][0103]
式中：xi——拟合数据点横坐标；
[0104]
yi——拟合数据点纵坐标；
[0105]
xc——拟合圆心横坐标；
[0106]
yc——拟合圆心纵坐标。
[0107]
s4、掌子面基准点提取。
[0108]
基于所提取的掌子面轮廓的曲率变化特征提取隧道断面轮廓关键点，包括拱顶和两个拱脚等。基于隧道断面轮廓关键点获得多个基准点，基准点的选取根据三维空间变形的变形类型确定，不同变形类型选取不同的基准点，所述三维空间变形的变形类型包括平面内变形和鼓出变形。
[0109]
为掌握掌子面收敛变形，需要提取掌子面的拱顶及拱脚点。对于不同的施工工况，做出如下规定：
[0110]
1)对于台阶法开挖，只能拍摄到部分掌子面，将边墙与地表的交点作为拱脚进行变形监控。
[0111]
2)对于全断面开挖，能够拍摄到整个断面，将仰拱与变强的连接处作为拱脚进行变形监控。
[0112]
相应地，拱顶和拱脚的判定具体如下：
[0113]
(1)拱顶判定
[0114]
拱顶处于断面最上端，可直接采用此特征，判断各轮廓像素点的竖向坐标值，竖向坐标值最大的像素点为顶点，用于后续断面收敛计算。
[0115]
(2)拱脚判定
[0116]
对于分割以后的掌子面图像，以曲率变化特点为评价标准，识别拱顶与拱脚。
[0117]
对于台阶法开挖，拱脚为圆弧与地面的交界处。对于全断面开挖，拱脚为圆弧与仰拱交界处，均有有明显的曲率变化。采用边界像素曲率值计算的方法，记录曲率数值突变点，标记为拱脚。
[0118]
步骤如下：如图7所示，在任意点处，取前后两个大小均为ω的向量，计算它们之间的夹角θ。即：取这个点的前面第ω个点与后面第ω个点，分别与该点组成2个向量v1和v2，则v1和v2的夹角：
[0119][0120]
拱脚判定方法如下：
[0121]
1)对于台阶法，地面为直线，曲率为0；当曲率突变为0，则标记为拱脚；
[0122]
2)对于全断面法，仰拱较拱顶、拱肩、边墙明显平缓，曲率明显较小；当去率突变为较小值，且后续曲率持续保持较小值，标记此处为拱脚。
[0123]
s5、基于图像匹配与坐标解算，计算基准点的三维空间变形。
[0124]
基于双目摄影获得的两张同期图像，采用sgbm算法对两张图像进行视差计算，根据平行双目视觉的几何关系，计算得到图像的三维空间信息，基于多张图片对比，计算基准点的三维空间变形。
[0125]
s6、掌子面变形计算。鉴于解算掌子面各点三维空间坐标，计算量较大、耗费大量时间，不能满足工程中及时监控的需求。本实施例以拱顶、拱脚、掌子面中心等关键点为计算基准点，将掌子面划分区域，采用三个基准点变形数据计算掌子面各部位变形值，能够避免大量计算，以快速获得掌子面变形。
[0126]
根据不同变形类型，基于选取的不同的三个基准点实现掌子面变形计算，具体为：
[0127]
(1)平面内变形计算方法
[0128]
1)将整个掌子面进行区域划分，划分为中间三角形区域和两侧弧形区域，如图8所示；
[0129]
2)对于中间三角形区域，可采用拱顶、两侧拱脚变形作为基准点，分别记为a、b、c，计算内部任一点p的变形值；
[0130]
3)对于两侧弧形区域，增加弧段中点为基准点，记为d、e，采用拱顶、拱脚、弧段中点作为基准点，计算弧形区域变形。
[0131]
以中间三角形区域为例，已知a点横向位移ua、纵向位移va，b点横向位移ub、纵向位移vb，c点横向位移uc、纵向位移vc。对掌子面上任意一点p的位移(u，v)，可以表示为坐标的多项式组合：
[0132][0133]
对三个基准点则有：
[0134][0135]
vc＝β4 β5xc β6ycꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6-2)
[0136]
将横、纵向位移整理为矩阵形式，经变换求解，可以得到p点位移：
[0137][0138][0139]
式中：
[0140]
在已知基准点a、b、c坐标和变形值的条件下，根据上述公式可快速求解abc区域内任意p点的平面变形值。
[0141]
对两侧弧形区域，可根据基准点a、b、d或a、c、e，同样采用上式进行求解。
[0142]
(2)鼓出变形计算方法
[0143]
对于掌子面鼓出变形，由于掌子面尺寸较大，鼓出变形量较小，虽然鼓出面呈弧形，但是曲率半径极大，近似直线，采用插值方法近似计算。
[0144]
对于掌子面区域的划分如图9所示，采用图像处理手段，识别掌子面核心区中点，标记为o，设置为一个基准点，另外以拱顶、两个拱脚以及拱顶与两个拱脚之间弧形区域的两个弧段中点中的任意相邻两点作为另外两个基准点，形成三基准点。
[0145]
具体计算方法如下：
[0146]
以区域obd为例，如图10所示，平面odb为初始掌子面，o
′d′b′
为变形后掌子面；在已知o、d、b三个基准点的坐标及鼓出变形的条件下，采用相似三角形原则计算变形。
[0147]
在直角梯形b
′
bdd
′
内：
[0148][0149]
在直角梯形h
′
hoo
′
内：
[0150][0151]
通过上式，可求得pp
′
长度，即为p点鼓出变形量。
[0152]
上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说
对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0153]
实施例2
[0154]
本实施例提供一种隧道开挖面形变快速检测装置，包括双目摄影相机和工控机，所述工控机内存储有可被执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如实施例1所述隧道开挖面变形快速测量方法的指令。双目摄影相机通过支架布设在隧道两侧合适位置，优选地，可在隧道前方30m-50m范围内布设两台相机，相机连接工控机，实现采集图像的本地实时回传和处理。
[0155]
在优选的实施方式中，该装置还包括补光设备，对掌子面进行补光。
[0156]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。