[发明专利]基于图像的地下洞室掌子面快速安全预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种地下洞室安全预测方法，尤其是涉及一种基于图像的地下洞室掌子面快速安全预测方法。

背景技术

在岩体中力学强度较低的部位或岩性相对软弱的夹层，构成岩体的不连续面，亦称为结构面。它实际上是地质发展历史中，在岩体中形成具有一定方向、一定规模、一定形态和特性的地质界面。这些地质界面可以是无任何充填的岩块间的刚性接触面，如节理面、层面、劈理面、片理面等；亦可以是具有充填物的裂隙面或明显存在上下两个层面的软弱夹层；可以具有一定厚度的断层、构造破碎带、接触破碎带、古风化壳等。由一系列结构面具有自己的产状，彼此组合将岩体切割成形态不一、大小不等和成分各异的地块或岩块，统称为结构体。岩体就是由结构面、结构体两个基本单元组成。

岩体的变形特性主要取决于结构面裂隙，尤其是微裂隙及充填物等方面的共同作用，因此在研究岩石节理时对充填物的研究也非常重要。

综合国内外对岩体的分析，主要从三方面对岩体进行图像处理和评价，即岩体节理、裂隙；岩体块；岩体填充物；虽然这3方面都可用于评价岩体，但岩体力学特性，尤其是它的强度，主要取决于单元岩块之间接触面上的强度；对于岩体变形，主要或者可说90％～95％的变形产生于节理(裂隙)，而不是单元岩块的变形。另外由于彩色图像的噪声太多，以往对岩石裂隙及充填物的分割方法均是基于灰度图像的处理，这不利于对充填物的进一步分析。

发明内容

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高速低噪声、可视化建模、预测精度高的基于图像的地下洞室掌子面快速安全预测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于图像的地下洞室掌子面快速安全预测方法，包括以下步骤：

1)红外相机拍照，获取当前里程的掌子面图像；

2)对获得的掌子面图像进行图像预处理，分别执行步骤3)和5)；

3)对步骤2)预处理好的图像进行聚类分析，得到初步分类结果；

4)在步骤3)初步分类结果的基础上进行岩性识别，得到岩性分类信息，执行步骤7)；

5)对步骤2)预处理好的图像进行边缘检测，获取图像结构面分界线；

6)在步骤5)边缘检测后进行边界提取，得到掌子面层理节理信息，执行步骤7)；

7)结合步骤4)和步骤6)获得的岩性分类信息和层理节理信息绘制当前掌子面的地质素描图，获得当前掌子面的结构面信息；

8)移动至下一个里程，重复步骤1)-7)后，执行步骤9)；

9)根据提取到的结构面信息进行三维地质建模；

10)根据三维地质建模进行岩体块体分析，预测岩体稳定性，最终得到洞室安全预测结果。

所述的红外相机包括红外发射二极管和CCD黑白摄像机；红外发射二极管发射红外光，黑白CCD摄像机捕捉掌子面反射回来的红外光，实现成像。

所述的红外光的中心波长830～950nm。

所述的图像预处理具体为：在拍照前，对掌子面光强进行分布测量，根据测量结果，得出横纵两个方向的光强分布曲线，依据此分布曲线，对所拍摄的照片进行亮度均衡化处理。

所述的聚类分析在HSV颜色空间进行，对掌子面图像的岩性进行分类。

所述的边缘检测采用基于SUSAN算子的边缘检测算法。

所述的边界提取具体为：首先采用下抽样使不连续的折线连起来，然后采用霍夫变换进行直线检测提取。

所述的结构面信息包括起点坐标、终点坐标、裂缝宽度和节理层理类型。

所述的三维地质建模是依据前后两次掌子面分析的结构面分界线，进行三维曲面重建，具体步骤包括：

a)基于结构面分界线，建立若干剖面多边形；

b)建立前后两次掌子面的边界多边形对应关系，自动搜索控制点对；

c)前后两次掌子面边界多边形自动连接生成体周三角形；

d)判断体周三角形是否有交叉，若是，则调整控制点对，返回步骤c)，若否，则执行步骤e)；

e)相邻的前后掌子面边界多边形分别三角剖分，闭合体元前后剖面；

f)建立三维地质模型。

所述的岩体块体分析采用块体元法进行岩体稳定性分析。