隧洞全斷面攝影測(cè)量方法

孫良昱，楊建林

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.吉林省科信地理信息研究院有限公司，吉林長春 130000)

隧洞全斷面攝影測(cè)量方法

孫良昱1，楊建林2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.吉林省科信地理信息研究院有限公司，吉林長春 130000)

闡述隧洞全斷面攝影測(cè)量方法的發(fā)展歷史，簡(jiǎn)要說明應(yīng)用該方法的隧洞全斷面圖像采集原理，設(shè)計(jì)了一種使用圖像處理軟件來拾取隧洞斷面輪廓，并將拾取結(jié)果導(dǎo)入CAD中進(jìn)行計(jì)算處理的方法，最后對(duì)隧洞全斷面攝影測(cè)量方法未來的探索提供了若干建議。

隧洞斷面；圖像處理；攝影測(cè)量法

一、引 言

在各種隧洞的施工過程中，隧洞斷面的測(cè)量都是基本問題之一。目前廣泛應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量中的方法主要有激光經(jīng)緯儀交會(huì)法、支距法及求積儀法等。而對(duì)于數(shù)千米長的隧洞，使用這些傳統(tǒng)的方法進(jìn)行隧洞斷面測(cè)量測(cè)量，耗時(shí)很多，工作量較大，測(cè)量工作效率較低。長時(shí)間在未經(jīng)襯砌的隧洞內(nèi)進(jìn)行測(cè)繪工作，還要時(shí)刻面臨各種危險(xiǎn)情況。因此，探究如何在保證精度的前提下快速完成隧洞的斷面測(cè)量，減少測(cè)量工作量，并建立一種高效的測(cè)量方法，具有重要的意義。

早在1979年，李翹楚在國內(nèi)首先提出隧洞全斷面攝影測(cè)量法，并對(duì)該方法進(jìn)行了詳細(xì)的探討，同時(shí)為此設(shè)計(jì)了一種使用閃光燈的縫隙光源[1]。但是由于當(dāng)時(shí)國內(nèi)計(jì)算機(jī)尚未普及、攝影技術(shù)相對(duì)落后，這種攝影測(cè)量新方法的優(yōu)勢(shì)尚不明顯。1998年，楊建林獨(dú)立設(shè)計(jì)了一種新的應(yīng)用于該方法的光源并申請(qǐng)了實(shí)用新型專利[2]，比早先的縫隙光源更為簡(jiǎn)便實(shí)用。2002年，費(fèi)璟昊等進(jìn)一步討論了隧洞全斷面攝影測(cè)量方法，提出應(yīng)用計(jì)算機(jī)編寫圖像處理軟件，對(duì)隧洞斷面照片進(jìn)行處理計(jì)算，并對(duì)該方法進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化[3]。魏繼紅等也曾將圖像處理技術(shù)引入到隧洞超欠挖評(píng)價(jià)中，使用圖像處理技術(shù)對(duì)隧洞斷面照片進(jìn)行邊界提取來進(jìn)行隧洞斷面超欠挖的評(píng)價(jià)[4]。

綜上，施工領(lǐng)域?qū)λ矶慈珨嗝鏀z影測(cè)量法的探索日漸深入。隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)碼相機(jī)的普及，以及圖像處理軟件的不斷開發(fā)，隧洞全斷面攝影測(cè)量方法可以變得更高效、更加簡(jiǎn)便實(shí)用。本文所涉及的測(cè)量方法具有簡(jiǎn)單、易用、快速和資金投入少的特點(diǎn)，能夠滿足中小型隧洞工程開挖工程量測(cè)量的需要，且已經(jīng)在吉林省松江河水電站松山14 km引水隧洞出口的3個(gè)標(biāo)段及小山水電站引水隧洞洞挖工程中得到了試驗(yàn)和應(yīng)用，并達(dá)到精度要求，已經(jīng)進(jìn)行了驗(yàn)收，目前相關(guān)水電站已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電多年，其他詳情本文不再贅述。本文擬利用現(xiàn)有軟件對(duì)隧洞全斷面攝影測(cè)量法的數(shù)據(jù)后期處理進(jìn)行進(jìn)一步探究，建立適用于該方法的圖像處理流程，并對(duì)該方法的未來發(fā)展作進(jìn)一步展望。

二、隧洞斷面圖像采集

1.場(chǎng)地布局

如圖1所示，分別將斷面輝光器和數(shù)碼相機(jī)安置在隧洞的洞軸線上，兩者相距適當(dāng)。在隧洞斷面輝光器發(fā)光形成隧洞斷面影像時(shí)，照相機(jī)曝光采集隧洞斷面影像，并保存。

圖1 隧洞斷面采樣圖

布局操作要求如下：

1)輝光器所射出光線與隧洞中心軸線垂直。

2)數(shù)碼相機(jī)架設(shè)于隧洞中心軸線上，并且要求三腳架上水平儀氣泡顯示水平，數(shù)碼相機(jī)正對(duì)隧洞斷面(即保證數(shù)碼相機(jī)底片與隧洞斷面平行)；相機(jī)與輝光器在像、物兩個(gè)平面相互以三點(diǎn)校正，確保相應(yīng)點(diǎn)位影像與設(shè)計(jì)點(diǎn)位重合。

3)數(shù)碼相機(jī)需與隧洞斷面保持一定距離，以便拍攝隧洞全斷面輪廓。

2.圖像采集原理

通過斷面測(cè)量用輝光器照射隧洞洞壁，產(chǎn)生隧洞邊緣的輪廓光。根據(jù)小孔成像所成像與物像相似的原理，將隧洞邊緣的輪廓光拍攝，拍攝還包括輝光器上的標(biāo)準(zhǔn)長度尺(該尺左右長度為2 m)。拍攝后效果如圖2所示。

圖2 隧洞斷面照片

3.圖像采集后的軟件處理

將數(shù)碼相機(jī)采集的隧洞斷面照片傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，首先使用Adobe Photoshop軟件對(duì)照片進(jìn)行處理，將隧洞斷面照片影像轉(zhuǎn)化成隧洞斷面影像圖(即將光柵圖片輪廓線轉(zhuǎn)化為CAD軟件可識(shí)別的矢量線)。

(1)隧洞輪廓快速選擇

使用Adobe Photoshop軟件的具體操作步驟如下：

1)用Adobe Photoshop軟件打開隧洞斷面照片。

2)使用“魔術(shù)棒工具”快速圈選出光線輪廓。

3)對(duì)于細(xì)微之處，可使用“索套工具”或使用筆尖調(diào)小后的“魔術(shù)棒工具”對(duì)于選區(qū)進(jìn)行人工微調(diào)。

4)檢查符合要求后，在修剪完成的選區(qū)內(nèi)按右鍵，選擇“建立工作路徑”，容差：2像素，點(diǎn)擊“確定”即可。

5)使用“鋼筆工具”在斷面測(cè)量用輝光器的“標(biāo)準(zhǔn)長度尺”處定點(diǎn)，確定標(biāo)準(zhǔn)長度路徑，如圖3所示，即連接出和“標(biāo)準(zhǔn)長度尺”一樣長的直線路徑。

6)選擇“文件”→“導(dǎo)出”→“路徑到 Illustrator”，導(dǎo)出該路徑為AI格式。

圖3

(2)將光柵圖片輪廓路徑轉(zhuǎn)化為CAD軟件可識(shí)別的矢量線

1)使用Adobe Illustrator打開剛導(dǎo)出的AI文件，因?yàn)槲募锹窂?，因此即便打開也看不到。

2)選擇“文件”→“導(dǎo)出”，導(dǎo)出文件為DWG格式，選擇默認(rèn)參數(shù)即可。

(3)將矢量線導(dǎo)入CAD中進(jìn)行調(diào)整

1)使用AutoCAD打開剛導(dǎo)出的DWG文件。2)選中“標(biāo)準(zhǔn)長度尺”中的直線，查詢其長度，如圖4所示。

圖4

通過快速計(jì)算器計(jì)算“標(biāo)準(zhǔn)長度尺”CAD線條長度與“標(biāo)準(zhǔn)長度尺”的真實(shí)長度的比值，得知照片輪廓比例與真實(shí)輪廓比例大小，通過該比例來縮放外部輪廓線，即可得到真實(shí)隧洞斷面圖。得到真實(shí)隧洞斷面后，刪除“標(biāo)準(zhǔn)長度尺”線段。

4.求取隧洞超、欠尺寸和超、欠面積的CAD圖形處理

(1)CAD中的隧洞全斷面圖形處理

1)把施工設(shè)計(jì)隧洞輪廓(以城門洞形隧洞為例)導(dǎo)入AutoCAD中，與真實(shí)隧洞斷面重疊。

2)將超、欠部位用兩種圖案分別進(jìn)行圖案填充，然后選擇該圖案查詢特性即可顯示所求面積，如圖5所示。

圖5

3)使用陣列工具快速連接所需的各個(gè)距離量線，進(jìn)行修剪，最后處理結(jié)果如圖6所示。

圖6

由此選中其中的一條線即可在CAD上查詢隧洞某一點(diǎn)的超、欠尺寸。

(2)CAD中的隧洞超、欠尺寸的標(biāo)注

1)CAD本身不具有批量標(biāo)注線段長度的功能，故需要引入Lisp插件來幫助完成，在命令欄中輸入：appload，選擇LSP文件進(jìn)行加載。

2)執(zhí)行命令：biaozhu，選擇所需標(biāo)注的線段完成批量標(biāo)注，如圖7所示。

圖7

3)記錄之前得到的超挖面積和欠挖面積，在輸出圖旁書寫表格，隨尺寸圖一并輸出打印即完成所有操作。

5.進(jìn)一步討論及構(gòu)想

光柵圖是最小單位由像素構(gòu)成的圖，只有點(diǎn)的信息，縮放時(shí)會(huì)失真。這種格式的圖適合存儲(chǔ)圖形不規(guī)則，而且顏色豐富沒有規(guī)律的圖，如照相、掃描。與光柵圖相對(duì)的是矢量圖，記錄的是點(diǎn)、線、面的位置和顏色信息的描述，矢量圖不僅有點(diǎn)的信息，還有線、面、基本圖形等信息，但只是描述。重現(xiàn)時(shí)看圖軟件就解讀這些描述重繪出來。這樣，圖形放大不會(huì)失真，適合存儲(chǔ)像標(biāo)志、線路圖、設(shè)計(jì)圖等。

在圖形處理過程中，如何從光柵圖像上捕捉斷面輪廓的坐標(biāo)點(diǎn)并生成矢量圖是該過程面臨的一個(gè)難題，現(xiàn)有圖像處理軟件公司爭(zhēng)相開發(fā)識(shí)別率更高的處理軟件，并持有著該項(xiàng)技術(shù)，如果要獨(dú)立開發(fā)軟件則需投入大量人力物力。因此利用現(xiàn)有軟件完成隧洞全斷面攝影測(cè)量方法的圖像后期處理問題是一項(xiàng)低成本、效率高的選擇。當(dāng)然，隨著該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，為其開發(fā)專門適用的軟件必定成為其未來的發(fā)展方向，在此提出對(duì)未來軟件與硬件開發(fā)的若干建議：

1)改進(jìn)測(cè)量攝影時(shí)所使用的輝光器，以及改進(jìn)攝影技術(shù)問題使隧洞斷面輪廓更加清晰。

2)因?yàn)榕袛嗨矶磾嗝孑喞恍枰?，所以可以開發(fā)只識(shí)別光強(qiáng)的攝錄儀器，在圖像輸出時(shí)輸出數(shù)據(jù)量更小的圖像。

3)完成步驟2)的情況下，可設(shè)定灰度閥值，來選取具有一定光強(qiáng)的像素，隨后生成黑白矢量圖，通過程序處理其中的白點(diǎn)，計(jì)算生成隧洞斷面的矢量線。

4)數(shù)據(jù)處理部分的開發(fā)可在已有CAD平臺(tái)上刪減不需要使用的功能，并開發(fā)專門應(yīng)用于該方法的Lisp程序嵌入。

5)完成各方面一體化、自動(dòng)化，開發(fā)隧洞斷面測(cè)量設(shè)備，在測(cè)量隧洞斷面時(shí)及時(shí)打印出隧洞斷面超欠挖圖形和數(shù)據(jù)，提高隧洞施工質(zhì)量和工作效率。

三、總結(jié)與展望

本文利用了現(xiàn)有的圖像處理軟件，通過快速處理光柵圖像，選擇所需的矢量路徑，可以將隧洞全斷面輪廓快速導(dǎo)入至CAD中進(jìn)行分析處理，填補(bǔ)了隧洞全斷面攝影測(cè)量方法無現(xiàn)有軟件處理技術(shù)支持的空白。但是本文所提出的軟件處理過程仍需要大量的手動(dòng)操作，還無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理，相信該方法在未來會(huì)有進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展。

[1] 李翹楚.隧洞全斷面攝影測(cè)量法[J].測(cè)繪通報(bào)，1979 (6)：15-18.

[2] 楊建林.斷面測(cè)量用輝光器：中國，98236752.X[P]. 1998-02-25.

[3] 費(fèi)璟昊.隧洞斷面數(shù)字圖像處理方法研究及軟件開發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué)，2001.

[4] 魏繼紅，吳繼敏，孫少銳.圖像處理技術(shù)在隧洞超欠挖評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2005(1)：105-108.

A Full Cross-section Photogrammetric Method Applied in Tunnel

SUN Liangyu，YANG Jianlin

P234

B

0494-0911(2014)07-0086-04

2013-04-17

孫良昱(1991—)，男，吉林長春人，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)、園藝等。

孫良昱，楊建林.隧洞全斷面攝影測(cè)量方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(7)：86-89.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0233