一种基于数码图像的隧道掌子面地质调查方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于数码图像的掌子面地质调查方法，步骤：A、确定目标对象，在隧道掌子面上进行标示；B、利用高分辨率的数码相机对掌子面进行摄像，拍摄完整的掌子面区域；C、通过隧道掌子面上两个标示点的距离和图像中两点像素值，计算实物和图像的比例转换系数；D、对数，进行灰度变换、色彩均衡化、亮度/对比度调整、色相/饱和度调整、图像滤波；E、对数码图像中所有像素计算；F、利用结构面的二值图像计算结构面的延伸长度、单位面积裂隙总延长、结构面线性拟合、结构面视倾角和结构面间距结构面参数，得到掌子面地质调查成果。得到隧道掌子面地质素描图，提高了地质素描速度，提高了地质调查的精度和准确性。
【专利说明】-种基于数码图像的隧道掌子面地质调查方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及隧道掌子面地质调查【技术领域】，具体设及一种基于数码图像的隧道掌 子面地质调查方法，它适用于隧道掌子面节理、裂隙等结构面提取、分析。
【背景技术】
[0002] 隧道工程地质条件具有多变性、复杂性，不确定性，同一隧道的不同地段的地质情 况都千差万别。在开挖前不可能将地质情况调查得十分清楚，而必须通过开挖后的掌子面 地质调查进行再辨识和再确定。同时，隧道掌子面地质调查不仅是超前地质预报工作的基 础，还是确定地层、岩性、地下水状态等地质信息的最可靠、最有效手段，
[0003] 传统的隧道掌子面地质调查仍然是通过地质技术人员，手工方式进行地层辨识、 地质素描，现场测量、数据记录和后期处理的方式完成。实际隧洞开挖过程中，由于受施工 的影响，洞内通常粉尘多、光线弱、通视条件差、机车过往频繁，该种传统的方法不仅受众多 环境因素干扰，而且效率低；更重要的是隧道掌子面上方不易到达区域的结构面无法进行 调查，而且掌子面上方岩体有时被结构面切割成危险体也给传统调查方法带来危险；同时， 该种调查方式主观性强，调查结果往往因技术人员的经验、学识的不同而不尽相同。因此， 传统的隧道掌子面地质调查方法已经严重滞后于工程应用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是在于提供了一种基于数码图像的隧道掌子面地质调查方法，方法 易行，操作简便，自动提取隧道掌子面上的结构面，得到隧道掌子面地质素描图，提高了地 质素描速度，提高了地质调查的精度和准确性，实现了对隧道掌子面围岩状况的自动分析 和评价。
[0005] 为了实现上述的目的，本发明采用W下技术方案：
[0006] 本发明克服了传统隧道掌子面地质调查方法存在的缺陷，且有效提高了调绘精度 及效率。首先，在隧道掌子面上确定目标对象，并利用高分辨率的数码相机对掌子面进行摄 像，利用隧道掌子面上的标示点计算实物和图像的比例转换系数；然后，对隧道掌子面的数 字图像进行预处理，增强图像的质量，再计算图像的小波变换模值及梯度方向，选取目标对 象的模值作为识别阔值，扫描图像并保留在最大梯度方向上较识别阔值大的像素，同时，提 取该些像素重新生成二值图像。最后，计算结构面的延伸长度、单位面积裂隙总延长、结构 面线性拟合、结构面视倾角、结构面间距等结构面特征参数，得到隧道掌子面岩石质量指标 R孤和地质调查结果。
[0007] 一种基于数码图像的掌子面地质调查方法，包括如下步骤：
[000引步骤1 ;确定目标对象，针对隧道掌子面地质调查的要求、目的和详细程度，对隧 道掌子面上的岩层界线、岩脉、节理、裂隙等结构面。一般目标对象选取长度30-35cm之间 的裂隙面，并且在隧道掌子面上进行标示。
[0009] 步骤2 ;利用高分辨率的Nikon D3200数码相机对掌子面进行摄像。采用数码相 机拍摄掌子面照片，将数码相机固定在=角架上，将=角架放置于隧道掌子面后方视野开 阔处，调整好相机至掌子面距离，W相机能刚好拍摄完整的掌子面区域为宜。
[0010] 步骤3 ;通过隧道掌子面上两个标示点的实际距离和图像中相对应的两点像素 值，计算实物和图像的比例转换系数。
[001U 步骤4 ;对数码图像进行预处理，主要进行灰度变换、色彩均衡化、亮度/对比度调 整、色相/饱和度调整、图像滤波等，W弥补实际隧道掌子面数码图像质量上的不足。
[0012] 步骤5;对数码图像中所有像素逐一计算其小波变换模值及梯度方向，并提取目 标对象的模值作为识别的阔值，扫描图像保留在最大梯度向上较目标对象模值大的像素， 并提取该些像素生成只有主要结构面的二值图像。
[0013] 步骤6 ;利用主要结构面的二值图像计算结构面的延伸长度、单位面积裂隙总延 长、结构面线性拟合、结构面视倾角和结构面间距等结构面特征参数，得到岩石质量指标 R孤及掌子面地质调查成果。
[0014] 所述的步骤1中目标对象选取的原则是忽略那些长度小于30cm的结构面，根据地 质调查的要求、目的和详细程度，仅考虑掌子面上大于30cm的结构面。目标对象选取长度 30-35cm之间的裂隙面。
[0015] 所述的步骤2中隧道掌子面的照片采集时间应该在隧道出渣结束，掌子面危岩体 被排除后进行。
[0016] 所述的步骤3中图像比例转换系数a标示点分别在隧道掌子面上的实际距离D和 在数码图像上的像素坐标（xi，yi)、（X2，y,)计算，其计算公式别为=
[0017] 式中；a为转换系数、D为距离、（X。yi)、咕，y2)为像素坐标。
[001引所述的步骤4中隧道环境下采集的掌子面图像不但存在曝光不足，图像偏暗，或 曝光太足，图像偏亮的问题，同时，图像中包含大量噪声。为使图像效果更好，需通过灰度变 换、色彩均衡化、亮度/对比度调整来增强隧道掌子面地质图像对比度的效果。为了降低隧 道掌子面地质图像的噪声，同时达到增强图像细节的目的，需通过图像滤波、图像柔化和 图像锐化处理。
[0019] 所述步骤5中针对图像中的任意像素坐标（x，y)，每个像素的小波变 换模值及最大梯度方向的计算分别为：Mi/(x,>') = ?^每/〇，.v) - +仍；;/(x，.v)-， . of： f(x, v) 4/Cr，W = arctaii -其中， 为小波变换模值 、为最大梯度方向， 吗(.X? .V) M\J (x, V) Alf{x,y) 鸣/(x，.v)为沿水平方向的梯度矢量，雌/沁>')为沿垂直方向的梯度矢量。
[0020] 所述的步骤5中将掌子面摄像前标注的目标对象所对应的小波变换模值作为阔 值，实现对掌子面众多结构面的筛选。
[0021] 所述的步骤5中W目标对象所对应的小波变换模值作为阔值，将图像中所有像素 点进行扫描、判断，变换模值小于阔值的像素点将被删除，仅保留在最大梯度方向上较目标 对象模值大的像素点；然后提取该些像素点生成只有主要结构面的二值图像。
[0022] 所述的步骤6中隧道掌子面上结构面长度的计算公式为
[0023]
【权利要求】
1. 一种基于数码图像的掌子面地质调查方法，其步骤是： A、 确定目标对象，针对隧道掌子面地质调查的要求、目的和详细程度，对隧道掌子面上 的岩层界线、岩脉、节理、裂隙等结构面，目标对象选取长度30-35cm之间的结构面，在隧道 掌子面上进行标示； B、 利用高分辨率的NikonD3200数码相机对掌子面进行摄像，采用数码相机拍摄掌子 面照片，将数码相机固定在三角架上，将三角架放置于隧道掌子面后方视野开阔处，调整好 相机至掌子面距离，以相机能拍摄完整的掌子面区域； C、 通过隧道掌子面上两个标示点的距离和图像中相对应的两点像素值，计算实物和图 像的比例转换系数； D、 对数码图像进行预处理，进行灰度变换、色彩均衡化、亮度/对比度调整、色相/饱和 度调整、图像滤波，以弥补实际隧道掌子面数码图像质量上的不足； E、 对数码图像中所有像素逐一计算其小波变换模值及梯度方向，提取目标对象的模值 作为识别的阈值，扫描图像保留在梯度向上目标对象模值的像素，提取像素生成结构面的 二值图像； F、 利用结构面的二值图像计算结构面的延伸长度、单位面积裂隙总延长、结构面线性 拟合、结构面视倾角和结构面间距结构面参数，得到岩石质量指标RQD及掌子面地质调查 成果； 所述的步骤A中目标对象选取的是长度30-35cm之间的结构面，根据地质调查的要求、 目的和详细程度，长度大于30-35cm之间的结构面才被统计和分析，小于30-35cm之间的结 构面将被忽略； 所述的步骤B中隧道掌子面的照片采集时间在隧道出渣结束，掌子面危岩体被排除后 进行； 所述的步骤C中图像比例转换系数a标示点分别在隧道掌子面上的实际距离D和在数
所述的步骤D中隧道下采集的掌子面图像不但存在曝光不足，图像偏暗，或曝光太足， 图像偏亮，通过灰度变换、色彩均衡化、亮度/对比度调整来增强隧道掌子面地质图像对比 度，降低隧道掌子面地质图像的噪声，达到增强图像细节，通过图像滤波、图像柔化和图像 锐化处理； 所述的步骤E中针对图像中的任意像素坐标（X，y)，每个像素的小波变换
式中，h为第j条裂隙的延伸长度，a为比例转换系数，n为第j条裂隙上拾取的像素 坐标的总数，（Xi，yi)、（xi+1，yi+1)为隧道掌子面地质图像中第i点和第i+1点的图像像素坐 标；
隙的延伸长度，S为隧道掌子面区域的面积； 所述步骤F中结构面线性拟合计算方法如下：设n为掌子面上结构面数，第j个结构面 上有m个己知像素点坐标的为（Xi,yi)，其中，i<m)，第j个结构面的线性拟合计算
所述步骤F中结构面视倾角，计算公式为：a=arctg(kj)，式中，kj为隧道掌子面上第j条结构面的斜率；
b_为同组结构面拟合直线方程中最大截距值，bmin为同组结构面拟合直线方程中最小截距 值，N为同组结构面数量，k为同组结构面倾角平均值的正切值；
结构面间距，n为结构面间距大于IOcm的数量,Dj为第j条切割线的长度，m为切割线数量。
【文档编号】G01V8/02GK104502990SQ201510004416
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月6日 优先权日:2015年1月6日
【发明者】蔡俊华, 贾洪彪 申请人:中国地质大学（武汉）