[发明专利]一种隧道开挖面围岩点云模型的获取方法

说明书

本发明公开了一种隧道开挖面围岩点云模型的获取方法，包括以下步骤：(1)根据隧道环境选择相机参数；(2)根据隧道施工工序选择拍摄时间；(3)根据开挖长度选择拍摄方式选择拍摄位置及标记点位置；(4)根据隧道开挖段的环境选择拍摄参数；(5)获取隧道开挖后围岩图像集，并对图像集进行处理得到隧道开挖后围岩的三维点云模型。与现有的技术相比，本发明具有采集数据量丰富、成本低、操作快捷、灵活性高等优点，可由地质工程师在进行开挖后地质素描观察围岩时直接进行拍摄记录，不影响现场施工进度，拍摄人员可以灵活变换拍摄角度和位置，尽可能克服岩石露头相互遮挡问题。

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种隧道开挖面围岩点云模型的获取方法。

背景技术

隧道开挖后暴露出的开挖面包含大量的地质信息，这些信息对于指导隧道施工具有重要作用，但要从现场开挖面快速获取这些信息却并不容易。目前隧道施工过程中获取开挖后围岩的信息主要根据隧道工程施工技术规范要求，通过人工在现场观察进行掌子面和硐壁的地质素描，围岩信息记录存在很大的主观性，并且不详细，导致现场施工决策往往趋于定性。同时，隧道开挖后开挖面岩体存在不稳定块体掉落或坍塌的风险，工程人员过度靠近开挖面具有很大的安全威胁，往往需要对开挖面围岩进行评估、排险后才能靠近，但实际施工现场往往流于形式，导致事故频发。因此，如何安全、快速、便捷、有效地获取开挖后围岩的信息至关重要。

基于数字图像进行三维重构获取围岩信息的方法国内外学者已开展了较多相关研究，例如应用三脚架配合单反相机通过在掌子面前方架设三脚架获取掌子面左右视图，并基于双目视觉方法生成掌子面点云模型。但一般的采用基于双目视觉方法获取开挖面的信息存在以下问题：

(1)通常需采用三脚架进行稳定，控制相机拍摄方向的灵活性低，导致不易变换角度获取硐壁图像，往往忽略了硐壁围岩。

(2)需要对相机进行校正，以确定相机的内参和外参。

(3)岩体露头相互遮挡，往往需要从多角度拍摄才能获得完整的岩体露头信息。

(4)隧道内部空间狭小，相机拍摄视口较小，采集范围有限，若采用大视口进行拍摄，焦距较小，场景较大，图像分辨率降低，获取围岩三维模型精度下降。

我国的山岭隧道施工主要采用“新奥法”，其基本流程为：钻孔装药-爆破-通风(持续至下一循环爆破开始)-出渣-地质工程师进行地质素描-初期支护-下一开挖循环，隧道开挖后存在粉尘多问题，尤其是初期支护喷混开始后，易对数字图像拍摄造成影响，因此在隧道施工过程中应用数字图像进行围岩信息的采集需要克服很多问题。

三维重构技术是指应用计算机视觉方法从二维图像来恢复三维空间信息的方法，已被广泛应用于工业检测、虚拟现实、医学影像等领域。而基于多视几何原理的三维重构方法是应用SFM(Structure From Motion)算法即一种能够针对收集到的无序图像进行三维重建的离线算法；基于多视几何原理的三维重构技术的实施包括两部分内容：图像采集和三维重构计算；其中图像采集要求从不同角度获取拍摄对象的数字图像，并保证图像间具有一定的重叠，一般控制相邻两图像重叠率30％～50％左右。三维重构计算过程包括：(1)对每一张图像进行特征点提取；(2)同名特征点匹配；(3)相机位姿计算；(4)光束平差优化；(5)点云稠密化计算，输出空间点云模型。三维重构计算中图像的拍摄质量直接决定了最终的结果，相邻两图像间缺少同名特征点会导致三维重建效果差或失败，影响对围岩特征的判别。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种隧道开挖面围岩点云模型的获取方法，具有精度高、成本低、操作便捷、灵活性高等特点。

一种隧道开挖面围岩点云模型的获取方法，包括如下步骤：

(1)根据隧道环境选择相机及其参数；

(2)根据隧道施工工序选择拍摄时间；