數(shù)碼攝影圖像處理技術(shù)及其在隧道地質(zhì)判釋中的應(yīng)用研究

李滿宏

（中鐵七局蘭渝指揮部，甘肅 岷縣 748400）

引言

在隧道前期勘探中，受各種條件的限制，對隧道圍巖地質(zhì)狀況勘探精度要求一般較低，而且勘探的范圍也不能夠覆蓋整個隧道，因此在施工過程中經(jīng)常會出現(xiàn)一些不可預(yù)見的工程事故，如坍塌、涌水等，給隧道施工質(zhì)量和施工進度造成很大的影響，有時還會產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此，在施工過程中，對掌子面前方的地質(zhì)情況作出準確、及時的預(yù)報是非常重要的。

目前對掌子面進行分析的傳統(tǒng)方法是人工地質(zhì)素描，這種方法的分析結(jié)果因分析人員的經(jīng)驗、學(xué)識等的不同而不盡相同，獲得的數(shù)據(jù)缺乏一致性和可比性，超前地質(zhì)預(yù)報效果較差。在此背景下，本論文以貴陽市貴金線（金陽段）3號隧道為工程依托，對數(shù)碼攝影圖像處理技術(shù)及其在隧道地質(zhì)判釋中的應(yīng)用進行研究，形成圖像處理系統(tǒng)，以期研究成果進一步完善和豐富隧道超前地質(zhì)預(yù)報手段。

1 依托工程概況

貴金線3號隧道位于貴陽市主城區(qū)北部黔靈公園西側(cè)廠黃壩鄉(xiāng)境內(nèi)，其起點與貴金線黔靈橋相接，終點距已建金馬路約400m。該隧道按小凈距分離式設(shè)計，上、下行道路中線間距約23.90～30.10m，左線全長970m，右線全長980m。

根據(jù)鉆探成果及地表調(diào)查，隧道經(jīng)過地段地層，按地層新老關(guān)系自上而下依次為第四系覆蓋層（Q）、三疊系上統(tǒng)二橋、三橋組（T3s+e）、三疊系中統(tǒng)改茶組（T2gc）、三疊系中統(tǒng)楊柳井組（T2y1），地面道路通過地段按地層自上而下依次為第四系覆蓋組（Q）、三疊系中統(tǒng)楊柳井組（T2y1）及三疊系中統(tǒng)松子坎組（T2sz）地層。除第四系覆蓋層（Q）與下伏三疊系（T）地層為不整合接觸外，其余為整合接觸。

2 掌子面圖像數(shù)據(jù)采集

隧道掌子面圖像數(shù)據(jù)采集具體操作步驟如下所示:

（1）用全站儀測掌子面上的標記點坐標

當(dāng)對全斷面采用分步開挖時，對當(dāng)前開挖形成的掌子面，在掌子面上作一標記點，采用全站儀測得掌子面上標記點的三維坐標。

圖1 分步開挖掌子面數(shù)碼成像示意圖

（2）掌子面圖像采集方法、要點

圖像采集時，數(shù)碼相機位于開挖通道的中間位置，攝影方向垂直于掌子面。掌子面圖像采集示意圖如圖1所示。設(shè)掌子面按照1、2、3、4的順序分步開挖，當(dāng)開挖至第2掌子面區(qū)域時，對第2塊掌子面區(qū)域進行如圖所示的圖像數(shù)據(jù)采集。

3 掌子面圖像分析技術(shù)

以貴金線3#隧道 DK4+245里程實際數(shù)碼成像得到的左上斷面及右上斷面的掌子面圖像為例，對圖像分析技術(shù)進行說明。

3.1 圖像調(diào)整技術(shù)

現(xiàn)場采集的數(shù)字圖像受現(xiàn)場環(huán)境、相機等各種因素的干擾，使得實際圖像通常亮度低、對比度低，難以滿足圖像處理的需要，故需要對圖像質(zhì)量進行調(diào)整。如圖2中，圖2 (a)為DK4+245左上斷面原始采集圖像，圖2(b)為圖像調(diào)整結(jié)果?？梢钥闯?，經(jīng)調(diào)整后的圖像亮度及對比度均得到明顯提高，使圖像更適合于人眼觀察，便于分析和處理。

圖2 DK4+245左上斷面圖像調(diào)整

3.2 掌子面局部圖像拼接技術(shù)

貴金線3#隧道DK4+245里程左上斷面及右上斷面的掌子面圖像分別如圖3、圖4所示。

圖3 貴金隧道3#線DK4+245里程左上斷面圖像

圖4 貴金隧道3#線DK4+245里程右上斷面圖像

（1）首先根據(jù)圖像中標尺的實際刻度以及在圖中的像素距離的比例關(guān)系，將圖3及圖4中的圖像設(shè)置為相同比例尺a=1∶1（像素:cm），即表示1像素距離的實際長度為1cm。

（2）已知標記點1和2利用全站儀測得的三維坐標為:(46158.9912， 67991.2955， 1212.8856) 和 （46154.868，67988.3272，1212.8856），利用坐標點間距離公式得標記點1和2間的距離D=410cm。

（3）標記點1、2間的圖像距離:

由標記點1、2的三維坐標知，標記點高程相同，故可根據(jù)d值和相同高程自動調(diào)整DK4+245左上斷面和右上斷面圖像間的相對位置，使兩斷面圖像拼合成完整的掌子面圖像，并進行局部裁剪形成如圖5所示圖像。

圖5 圖像裁剪結(jié)果

3.3 掌子面巖層邊界檢測

為了對邊緣檢測方法的有效性進行評價，采用Canny邊緣檢測算子對隧道掌子面上的邊界線進行檢測。Canny采用三個邊緣檢測準則，并用數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)地推導(dǎo)出確定圖像邊緣檢測函數(shù)性能指標的數(shù)學(xué)表達式:信噪比SNR、檢測精度L和偽邊界平均距離M。

圖6 圖像邊界檢測結(jié)果

圖6為隧道掌子地質(zhì)圖像的Canny算子邊緣檢測結(jié)果；圖中除去隧道初期支護、掌子面下方開挖土石等的干擾，剩余的黑色邊界線主要為掌子面圍巖上的巖層節(jié)理、裂隙等。

3.4 圖像特征提取

3.4.1 巖體破碎程度分析

根據(jù)對如圖6所示的一系列掌子面圖像處理結(jié)果的統(tǒng)計分析，當(dāng)巖體越破碎，黑色邊界線越多。故可根據(jù)邊界線來判定巖體的破碎程度。

（1）特征一:單位面積上的割線段數(shù)

在選定區(qū)域的水平和豎直方向設(shè)置實際間距為1cm的割線，統(tǒng)計割線被邊界線分割的段數(shù)Ns，設(shè)選定區(qū)域面積為A，單位面積上割線被分割的段數(shù)為N，則N=Ns/A，如圖7。

圖7 掌子面上設(shè)置割線示意圖

（2）特征二:單位面積上的邊界線條數(shù)

在選定區(qū)域內(nèi)，統(tǒng)計邊界線的條數(shù)，若某條邊界線上存在分叉節(jié)點，則將邊界線從節(jié)點處分割開再分別統(tǒng)計。設(shè)統(tǒng)計邊界線條數(shù)為Le，單位面積上的邊界線條數(shù)為L，則L＝Le/A。

設(shè)S=N+L，將S作為評定巖體破碎程度的標準。

（3）特征三:灰度均方差

在掌子面上，巖體越破碎，則顏色變化越大，即顏色對比度越強。因此也可根據(jù)巖石的顏色灰度平均值和灰度變化程度來判定巖石風(fēng)化程度。

其中，E為灰度均方差。

3.4.2 巖體風(fēng)化程度分析

貴金3#線隧道內(nèi)巖石以灰白色細晶白云巖為主，巖石風(fēng)化程度越高，顏色越深。故可利用掌子面顏色來分析掌子面風(fēng)化程度。

掌子面上顏色灰度值有一定的變化，可利用掌子面像素平均灰度值來評價掌子面巖體風(fēng)化程度。

3.5 掌子面地質(zhì)狀況分析

（1）根據(jù)相鄰掌子面地質(zhì)特征參數(shù)預(yù)測掌子面前方的地質(zhì)情況

在工程地質(zhì)中，同種巖石風(fēng)化及破碎程度通常是一個漸變的過程，巖石風(fēng)化及破碎特征參數(shù)也同樣是一個漸變的過程。因此可對掌子面特征進行分析，并預(yù)測掌子面前方地質(zhì)狀況。

根據(jù)對貴金隧道3#線部分區(qū)段的地質(zhì)情況的分析，可評價掌子面巖體完整性程度和風(fēng)化程度變化趨勢。假設(shè)根據(jù)對隧道掌子面的分析，得到如表1所示的特征參數(shù)。

表1 隧道掌子面特征參數(shù)示意圖

對特征參數(shù)進行線性擬合，同時預(yù)測掌子面前方的各掌子面的特征參數(shù)，可得到如圖8-圖11所示的結(jié)果。

圖8 單位面積邊界線條數(shù)曲線圖

圖9 單位面積割線段數(shù)曲線圖

圖10 平均灰度均方差曲線圖

圖11 平均灰度值曲線圖

由圖8-圖10的線性擬合結(jié)果分析，沿大里程方向，掌子面單位面積邊界線條數(shù)、單位面積割線段數(shù)、平均灰度均方差均逐漸增大，這說明隧道圍巖完整性逐漸降低，同時，由圖11知，掌子面灰度均值逐漸減小，說明掌子面巖體中風(fēng)化程度隨里程增加而逐漸增強。

（2）掌子面前方的地質(zhì)預(yù)測

隧道掌子面上，根據(jù)相鄰掌子面上的巖體結(jié)構(gòu)面剖面線的對應(yīng)關(guān)系，可重建隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)面的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)。另外，通常在一定距離內(nèi)，結(jié)構(gòu)面可近似為在一個平面上，因此，可由此預(yù)測掌子面前方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面。

首先建立兩掌子面圖像的對應(yīng)關(guān)系，如圖12(a)中編號為1和2的節(jié)理分別對應(yīng)圖12(b)中編號為1和2的節(jié)理。

根據(jù)這種對應(yīng)關(guān)系建立隧道開挖部分及預(yù)測的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，如圖13所示。

根據(jù)對實際三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析并結(jié)合ZK4+214、ZK4+211的掌子面結(jié)構(gòu)面信息，預(yù)測ZK4+11前方的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，已知ZK4+211處掌子面的結(jié)構(gòu)面剖面線如圖12(a)所示，由預(yù)測的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型知，其中的結(jié)構(gòu)面1、2、3、4相繼與預(yù)測面ZK4+208、ZK4+205中的結(jié)構(gòu)面對應(yīng)。已開挖區(qū)域ZK4+214～+211結(jié)構(gòu)面緩慢下降，該趨勢向前延伸至ZK4+208、ZK4+205。

圖12 隧道開挖部分掌子面

圖13 隧道三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)及預(yù)測示意圖

4 結(jié)論

本文以貴金線3#隧道中實際數(shù)碼成相得到的掌子面圖像為例，對掌子面圖像數(shù)據(jù)采集技術(shù)和掌子面圖像分析技術(shù)進行了全面分析，得到以下結(jié)論:

（1）掌子面數(shù)字圖像采集應(yīng)采用不低于1200萬有效像素的數(shù)碼相機，同時使用全站儀記錄掌子面上標記點的三維坐標，利于后續(xù)工作的開展。

（2）通過圖像調(diào)整、掌子面局部圖像拼接、掌子面巖層邊界檢測、圖像特征提取等技術(shù)，對掌子面圖像進行處理，提煉出巖層裂隙、節(jié)理以及地質(zhì)構(gòu)造等相關(guān)的數(shù)據(jù)，并進行量化評價，跟設(shè)計階段圍巖級別對比分析，實現(xiàn)圍巖級別的修正。

（3）根據(jù)分析得到的掌子面信息，建立相鄰掌子面上巖層間的對應(yīng)關(guān)系，建立隧道已經(jīng)開挖部分的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)掌子面前方未開挖部分的地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息預(yù)測，從而指導(dǎo)下一步的設(shè)計與施工。

[1]劉洋.隧道掌子面圖像處理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].成都:西南交通大學(xué)，2007.

[2]王明華，李浩，蒼桂華.普通數(shù)碼相機在洞室地質(zhì)編錄中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2007，35(4):15-19.