[发明专利]一种隧道掌子面三维点云模型的获取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维点云模型的获取方法，尤其是涉及一种隧道掌子面三维点云模型的获取方法。

背景技术

隧道开挖过程中形成的开挖面会揭露出大量的地质信息，然而要快速提取出其中有用的信息并加以分析利用却并不容易。施工现场受各种因素的制约，通常不允许在施工现场逗留太多时间对隧道开挖面进行观测和分析。另外，受技术条件限制，目前国内多数情况下仍然是通过地质技术人员采用皮尺、地质罗盘、游标卡尺等传统的工具在现场接触测量。地质工程师在采集数据过程中，需要直接暴露在岩崩、岩爆以及和不稳定的岩体下，人工地质素描不仅危险而且时间长，常常不能满足工程快速施工的需要，此外，地质素描的结果因人而异，很大程度上取决于人的主观判断以及相关经验，最后，高处的岩体难以测量到，因此也只能目测估计。所以人工地质素描有很大的局限性。综上所述，在实际工程中，受快速施工及落后的人工素描技术的影响，开挖面的地质信息并没有得到充分提取、分析和利用，更不能形成及时有效的反馈作用。因此，如何快速、可靠、客观地取得隧道开挖面地质信息变得至关重要。

数字摄影测量技术是基于数字影像与摄影测量的基本原理，应用计算机三维成像技术、影像匹配、图像插值、模式识别等多学科理论与方法，可以瞬间获取物体大量几何信息。并随着数字摄影测量技术和数码相机的发展，促进了研究人员通过普通数码相机获得多幅二维图像，并进行三维重构的研究和应用，目前已能达到相当高的测量精度。

然而要将数字摄影测量技术运用于实际施工中的隧道岩体信息的采集中，还需要克服很多的限制条件。我国的山岭隧道施工多采用“新奥法”，“新奥法”施工工序为：钻孔一装药一爆破一通风一出渣一初期支护一二次支护，其中开挖作业与支护作业同时交叉进行。在开挖方式上，以人工钻孔爆破为主；在初期支护中的锚喷环节，喷射混凝土仍以干喷占主要地位。上述施工手法所带来的粉尘已成为恶化隧道施工环境的重要因素，主要是爆破开挖岩石所带来的大量粉尘，干喷混凝土中的粉尘，以及炸药爆破后的有害气体，施工机械上的柴油机排放的烟尘等。其中开挖以及干喷环节中产生的粉尘居主要地位。此外，隧道中没有自然光，只能使用人造光源照明进行拍摄。拍摄过程中需注意光照角度、强度问题。最后，由于隧道施工工序比较紧凑，适合用于拍摄的时间较短。

基于单相机的双目三维重构包括特征点提取与匹配、相对位姿计算、极线校正、稠密匹配和三维重构等步骤。三维重构中图像处理的第一步是进行图像特征点的检测和提取，根据检测结果进行特征点匹配，然后计算两个拍摄位置上相机的相对位姿。两个点的误匹配会在三维空间造成一个很大的变异，在视觉感官上而言是就是一些孤零的突起，由于形状上像“毛刺”，因此称呼其为毛刺。这些少数的毛刺对于重构对象的整体效果有着很大的影响，一旦这些点很多时，甚至会影响后续对岩体特征的识别。因此特征点的正确检测非常重要，直接影响到后续工作的完成。两副图像特征点的检测的好坏常常取决于图像获取的质量。

综上所述，有必要针对隧道的特殊环境，对如何获取清晰的照片实现双目三维重构获得掌子面岩体的三维点云模型进行探讨，并给出具体的相机参数设置和拍摄步骤，减少后期三维重构的误差。

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精度高、成本低、快速便捷、可操作性强、适用范围广、可重复性强的隧道掌子面三维点云模型的获取方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种隧道掌子面三维点云模型的获取方法，包括以下步骤：

1)根据隧道内部的拍摄环境选择拍摄相机；

2)在隧道循环施工工序中确定相机的拍摄时间；

3)确定相机拍摄的位置和光源的位置；

4)根据隧道内部的拍摄环境采用现场试验的方法确定相机的拍摄参数；

5)拍摄左右图像，并对左右图像进行处理得到掌子面三维点云模型。

所述的步骤1)中选择拍摄相机为佳能5DMark II数码相机，镜头为佳能EF 24mm f/1.4L定焦镜头。

所述的步骤2)中的拍摄时间为在人工排险之后或在支钢拱架之后。

所述的步骤3)中的相机拍摄的位置为掌子面正前方3m～4m的位置处，拍摄光源设有2个，其位置为掌子面前2m～3m处，并且左右对称设置。