數碼攝影圖像處理技術及其在隧道地質判釋中的應用研究

李滿宏

（中鐵七局蘭渝指揮部，甘肅 岷縣 748400）

引言

在隧道前期勘探中，受各種條件的限制，對隧道圍巖地質狀況勘探精度要求一般較低，而且勘探的范圍也不能夠覆蓋整個隧道，因此在施工過程中經常會出現一些不可預見的工程事故，如坍塌、涌水等，給隧道施工質量和施工進度造成很大的影響，有時還會產生災難性的后果。因此，在施工過程中，對掌子面前方的地質情況作出準確、及時的預報是非常重要的。

目前對掌子面進行分析的傳統方法是人工地質素描，這種方法的分析結果因分析人員的經驗、學識等的不同而不盡相同，獲得的數據缺乏一致性和可比性，超前地質預報效果較差。在此背景下，本論文以貴陽市貴金線（金陽段）3號隧道為工程依托，對數碼攝影圖像處理技術及其在隧道地質判釋中的應用進行研究，形成圖像處理系統，以期研究成果進一步完善和豐富隧道超前地質預報手段。

1 依托工程概況

貴金線3號隧道位于貴陽市主城區北部黔靈公園西側廠黃壩鄉境內，其起點與貴金線黔靈橋相接，終點距已建金馬路約400m。該隧道按小凈距分離式設計，上、下行道路中線間距約23.90～30.10m，左線全長970m，右線全長980m。

根據鉆探成果及地表調查，隧道經過地段地層，按地層新老關系自上而下依次為第四系覆蓋層（Q）、三疊系上統二橋、三橋組（T3s+e）、三疊系中統改茶組（T2gc）、三疊系中統楊柳井組（T2y1），地面道路通過地段按地層自上而下依次為第四系覆蓋組（Q）、三疊系中統楊柳井組（T2y1）及三疊系中統松子坎組（T2sz）地層。除第四系覆蓋層（Q）與下伏三疊系（T）地層為不整合接觸外，其余為整合接觸。

2 掌子面圖像數據采集

隧道掌子面圖像數據采集具體操作步驟如下所示:

（1）用全站儀測掌子面上的標記點坐標

當對全斷面采用分步開挖時，對當前開挖形成的掌子面，在掌子面上作一標記點，采用全站儀測得掌子面上標記點的三維坐標。

圖1 分步開挖掌子面數碼成像示意圖

（2）掌子面圖像采集方法、要點

圖像采集時，數碼相機位于開挖通道的中間位置，攝影方向垂直于掌子面。掌子面圖像采集示意圖如圖1所示。設掌子面按照1、2、3、4的順序分步開挖，當開挖至第2掌子面區域時，對第2塊掌子面區域進行如圖所示的圖像數據采集。

3 掌子面圖像分析技術

以貴金線3#隧道 DK4+245里程實際數碼成像得到的左上斷面及右上斷面的掌子面圖像為例，對圖像分析技術進行說明。

3.1 圖像調整技術

現場采集的數字圖像受現場環境、相機等各種因素的干擾，使得實際圖像通常亮度低、對比度低，難以滿足圖像處理的需要，故需要對圖像質量進行調整。如圖2中，圖2 (a)為DK4+245左上斷面原始采集圖像，圖2(b)為圖像調整結果。可以看出，經調整后的圖像亮度及對比度均得到明顯提高，使圖像更適合于人眼觀察，便于分析和處理。

圖2 DK4+245左上斷面圖像調整

3.2 掌子面局部圖像拼接技術

貴金線3#隧道DK4+245里程左上斷面及右上斷面的掌子面圖像分別如圖3、圖4所示。

圖3 貴金隧道3#線DK4+245里程左上斷面圖像

圖4 貴金隧道3#線DK4+245里程右上斷面圖像

（1）首先根據圖像中標尺的實際刻度以及在圖中的像素距離的比例關系，將圖3及圖4中的圖像設置為相同比例尺a=1∶1（像素:cm），即表示1像素距離的實際長度為1cm。

（2）已知標記點1和2利用全站儀測得的三維坐標為:(46158.9912， 67991.2955， 1212.8856) 和 （46154.868，67988.3272，1212.8856），利用坐標點間距離公式得標記點1和2間的距離D=410cm。

（3）標記點1、2間的圖像距離:

由標記點1、2的三維坐標知，標記點高程相同，故可根據d值和相同高程自動調整DK4+245左上斷面和右上斷面圖像間的相對位置，使兩斷面圖像拼合成完整的掌子面圖像，并進行局部裁剪形成如圖5所示圖像。

圖5 圖像裁剪結果

3.3 掌子面巖層邊界檢測

為了對邊緣檢測方法的有效性進行評價，采用Canny邊緣檢測算子對隧道掌子面上的邊界線進行檢測。Canny采用三個邊緣檢測準則，并用數學方法系統地推導出確定圖像邊緣檢測函數性能指標的數學表達式:信噪比SNR、檢測精度L和偽邊界平均距離M。

圖6 圖像邊界檢測結果

圖6為隧道掌子地質圖像的Canny算子邊緣檢測結果；圖中除去隧道初期支護、掌子面下方開挖土石等的干擾，剩余的黑色邊界線主要為掌子面圍巖上的巖層節理、裂隙等。

3.4 圖像特征提取

3.4.1 巖體破碎程度分析

根據對如圖6所示的一系列掌子面圖像處理結果的統計分析，當巖體越破碎，黑色邊界線越多。故可根據邊界線來判定巖體的破碎程度。

（1）特征一:單位面積上的割線段數

在選定區域的水平和豎直方向設置實際間距為1cm的割線，統計割線被邊界線分割的段數Ns，設選定區域面積為A，單位面積上割線被分割的段數為N，則N=Ns/A，如圖7。

圖7 掌子面上設置割線示意圖

（2）特征二:單位面積上的邊界線條數

在選定區域內，統計邊界線的條數，若某條邊界線上存在分叉節點，則將邊界線從節點處分割開再分別統計。設統計邊界線條數為Le，單位面積上的邊界線條數為L，則L＝Le/A。

設S=N+L，將S作為評定巖體破碎程度的標準。

（3）特征三:灰度均方差

在掌子面上，巖體越破碎，則顏色變化越大，即顏色對比度越強。因此也可根據巖石的顏色灰度平均值和灰度變化程度來判定巖石風化程度。

其中，E為灰度均方差。

3.4.2 巖體風化程度分析

貴金3#線隧道內巖石以灰白色細晶白云巖為主，巖石風化程度越高，顏色越深。故可利用掌子面顏色來分析掌子面風化程度。

掌子面上顏色灰度值有一定的變化，可利用掌子面像素平均灰度值來評價掌子面巖體風化程度。

3.5 掌子面地質狀況分析

（1）根據相鄰掌子面地質特征參數預測掌子面前方的地質情況

在工程地質中，同種巖石風化及破碎程度通常是一個漸變的過程，巖石風化及破碎特征參數也同樣是一個漸變的過程。因此可對掌子面特征進行分析，并預測掌子面前方地質狀況。

根據對貴金隧道3#線部分區段的地質情況的分析，可評價掌子面巖體完整性程度和風化程度變化趨勢。假設根據對隧道掌子面的分析，得到如表1所示的特征參數。

表1 隧道掌子面特征參數示意圖

對特征參數進行線性擬合，同時預測掌子面前方的各掌子面的特征參數，可得到如圖8-圖11所示的結果。

圖8 單位面積邊界線條數曲線圖

圖9 單位面積割線段數曲線圖

圖10 平均灰度均方差曲線圖

圖11 平均灰度值曲線圖

由圖8-圖10的線性擬合結果分析，沿大里程方向，掌子面單位面積邊界線條數、單位面積割線段數、平均灰度均方差均逐漸增大，這說明隧道圍巖完整性逐漸降低，同時，由圖11知，掌子面灰度均值逐漸減小，說明掌子面巖體中風化程度隨里程增加而逐漸增強。

（2）掌子面前方的地質預測

隧道掌子面上，根據相鄰掌子面上的巖體結構面剖面線的對應關系，可重建隧道內結構面的三維地質結構。另外，通常在一定距離內，結構面可近似為在一個平面上，因此，可由此預測掌子面前方的地質結構面。

首先建立兩掌子面圖像的對應關系，如圖12(a)中編號為1和2的節理分別對應圖12(b)中編號為1和2的節理。

根據這種對應關系建立隧道開挖部分及預測的三維地質結構模型，如圖13所示。

根據對實際三維地質結構的分析并結合ZK4+214、ZK4+211的掌子面結構面信息，預測ZK4+11前方的三維地質結構，已知ZK4+211處掌子面的結構面剖面線如圖12(a)所示，由預測的三維地質結構模型知，其中的結構面1、2、3、4相繼與預測面ZK4+208、ZK4+205中的結構面對應。已開挖區域ZK4+214～+211結構面緩慢下降，該趨勢向前延伸至ZK4+208、ZK4+205。

圖12 隧道開挖部分掌子面

圖13 隧道三維地質結構及預測示意圖

4 結論

本文以貴金線3#隧道中實際數碼成相得到的掌子面圖像為例，對掌子面圖像數據采集技術和掌子面圖像分析技術進行了全面分析，得到以下結論:

（1）掌子面數字圖像采集應采用不低于1200萬有效像素的數碼相機，同時使用全站儀記錄掌子面上標記點的三維坐標，利于后續工作的開展。

（2）通過圖像調整、掌子面局部圖像拼接、掌子面巖層邊界檢測、圖像特征提取等技術，對掌子面圖像進行處理，提煉出巖層裂隙、節理以及地質構造等相關的數據，并進行量化評價，跟設計階段圍巖級別對比分析，實現圍巖級別的修正。

（3）根據分析得到的掌子面信息，建立相鄰掌子面上巖層間的對應關系，建立隧道已經開挖部分的三維地質結構模型，實現掌子面前方未開挖部分的地質結構信息預測，從而指導下一步的設計與施工。

[1]劉洋.隧道掌子面圖像處理系統的研究與實現[D].成都:西南交通大學，2007.

[2]王明華，李浩，蒼桂華.普通數碼相機在洞室地質編錄中的應用[J].煤田地質與勘探，2007，35(4):15-19.