隧洞全斷面攝影測量方法

孫良昱，楊建林

(1.西北農林科技大學園藝學院，陜西楊凌 712100；2.吉林省科信地理信息研究院有限公司，吉林長春 130000)

隧洞全斷面攝影測量方法

孫良昱1，楊建林2

(1.西北農林科技大學園藝學院，陜西楊凌 712100；2.吉林省科信地理信息研究院有限公司，吉林長春 130000)

闡述隧洞全斷面攝影測量方法的發展歷史，簡要說明應用該方法的隧洞全斷面圖像采集原理，設計了一種使用圖像處理軟件來拾取隧洞斷面輪廓，并將拾取結果導入CAD中進行計算處理的方法，最后對隧洞全斷面攝影測量方法未來的探索提供了若干建議。

隧洞斷面；圖像處理；攝影測量法

一、引 言

在各種隧洞的施工過程中，隧洞斷面的測量都是基本問題之一。目前廣泛應用于實際測量中的方法主要有激光經緯儀交會法、支距法及求積儀法等。而對于數千米長的隧洞，使用這些傳統的方法進行隧洞斷面測量測量，耗時很多，工作量較大，測量工作效率較低。長時間在未經襯砌的隧洞內進行測繪工作，還要時刻面臨各種危險情況。因此，探究如何在保證精度的前提下快速完成隧洞的斷面測量，減少測量工作量，并建立一種高效的測量方法，具有重要的意義。

早在1979年，李翹楚在國內首先提出隧洞全斷面攝影測量法，并對該方法進行了詳細的探討，同時為此設計了一種使用閃光燈的縫隙光源[1]。但是由于當時國內計算機尚未普及、攝影技術相對落后，這種攝影測量新方法的優勢尚不明顯。1998年，楊建林獨立設計了一種新的應用于該方法的光源并申請了實用新型專利[2]，比早先的縫隙光源更為簡便實用。2002年，費璟昊等進一步討論了隧洞全斷面攝影測量方法，提出應用計算機編寫圖像處理軟件，對隧洞斷面照片進行處理計算，并對該方法進行了進一步優化[3]。魏繼紅等也曾將圖像處理技術引入到隧洞超欠挖評價中，使用圖像處理技術對隧洞斷面照片進行邊界提取來進行隧洞斷面超欠挖的評價[4]。

綜上，施工領域對隧洞全斷面攝影測量法的探索日漸深入。隨著計算機和數碼相機的普及，以及圖像處理軟件的不斷開發，隧洞全斷面攝影測量方法可以變得更高效、更加簡便實用。本文所涉及的測量方法具有簡單、易用、快速和資金投入少的特點，能夠滿足中小型隧洞工程開挖工程量測量的需要，且已經在吉林省松江河水電站松山14 km引水隧洞出口的3個標段及小山水電站引水隧洞洞挖工程中得到了試驗和應用，并達到精度要求，已經進行了驗收，目前相關水電站已經并網發電多年，其他詳情本文不再贅述。本文擬利用現有軟件對隧洞全斷面攝影測量法的數據后期處理進行進一步探究，建立適用于該方法的圖像處理流程，并對該方法的未來發展作進一步展望。

二、隧洞斷面圖像采集

1.場地布局

如圖1所示，分別將斷面輝光器和數碼相機安置在隧洞的洞軸線上，兩者相距適當。在隧洞斷面輝光器發光形成隧洞斷面影像時，照相機曝光采集隧洞斷面影像，并保存。

圖1 隧洞斷面采樣圖

布局操作要求如下：

1)輝光器所射出光線與隧洞中心軸線垂直。

2)數碼相機架設于隧洞中心軸線上，并且要求三腳架上水平儀氣泡顯示水平，數碼相機正對隧洞斷面(即保證數碼相機底片與隧洞斷面平行)；相機與輝光器在像、物兩個平面相互以三點校正，確保相應點位影像與設計點位重合。

3)數碼相機需與隧洞斷面保持一定距離，以便拍攝隧洞全斷面輪廓。

2.圖像采集原理

通過斷面測量用輝光器照射隧洞洞壁，產生隧洞邊緣的輪廓光。根據小孔成像所成像與物像相似的原理，將隧洞邊緣的輪廓光拍攝，拍攝還包括輝光器上的標準長度尺(該尺左右長度為2 m)。拍攝后效果如圖2所示。

圖2 隧洞斷面照片

3.圖像采集后的軟件處理

將數碼相機采集的隧洞斷面照片傳輸到計算機，首先使用Adobe Photoshop軟件對照片進行處理，將隧洞斷面照片影像轉化成隧洞斷面影像圖(即將光柵圖片輪廓線轉化為CAD軟件可識別的矢量線)。

(1)隧洞輪廓快速選擇

使用Adobe Photoshop軟件的具體操作步驟如下：

1)用Adobe Photoshop軟件打開隧洞斷面照片。

2)使用“魔術棒工具”快速圈選出光線輪廓。

3)對于細微之處，可使用“索套工具”或使用筆尖調小后的“魔術棒工具”對于選區進行人工微調。

4)檢查符合要求后，在修剪完成的選區內按右鍵，選擇“建立工作路徑”，容差：2像素，點擊“確定”即可。

5)使用“鋼筆工具”在斷面測量用輝光器的“標準長度尺”處定點，確定標準長度路徑，如圖3所示，即連接出和“標準長度尺”一樣長的直線路徑。

6)選擇“文件”→“導出”→“路徑到 Illustrator”，導出該路徑為AI格式。

圖3

(2)將光柵圖片輪廓路徑轉化為CAD軟件可識別的矢量線

1)使用Adobe Illustrator打開剛導出的AI文件，因為文件是路徑，因此即便打開也看不到。

2)選擇“文件”→“導出”，導出文件為DWG格式，選擇默認參數即可。

(3)將矢量線導入CAD中進行調整

1)使用AutoCAD打開剛導出的DWG文件。2)選中“標準長度尺”中的直線，查詢其長度，如圖4所示。

圖4

通過快速計算器計算“標準長度尺”CAD線條長度與“標準長度尺”的真實長度的比值，得知照片輪廓比例與真實輪廓比例大小，通過該比例來縮放外部輪廓線，即可得到真實隧洞斷面圖。得到真實隧洞斷面后，刪除“標準長度尺”線段。

4.求取隧洞超、欠尺寸和超、欠面積的CAD圖形處理

(1)CAD中的隧洞全斷面圖形處理

1)把施工設計隧洞輪廓(以城門洞形隧洞為例)導入AutoCAD中，與真實隧洞斷面重疊。

2)將超、欠部位用兩種圖案分別進行圖案填充，然后選擇該圖案查詢特性即可顯示所求面積，如圖5所示。

圖5

3)使用陣列工具快速連接所需的各個距離量線，進行修剪，最后處理結果如圖6所示。

圖6

由此選中其中的一條線即可在CAD上查詢隧洞某一點的超、欠尺寸。

(2)CAD中的隧洞超、欠尺寸的標注

1)CAD本身不具有批量標注線段長度的功能，故需要引入Lisp插件來幫助完成，在命令欄中輸入：appload，選擇LSP文件進行加載。

2)執行命令：biaozhu，選擇所需標注的線段完成批量標注，如圖7所示。

圖7

3)記錄之前得到的超挖面積和欠挖面積，在輸出圖旁書寫表格，隨尺寸圖一并輸出打印即完成所有操作。

5.進一步討論及構想

光柵圖是最小單位由像素構成的圖，只有點的信息，縮放時會失真。這種格式的圖適合存儲圖形不規則，而且顏色豐富沒有規律的圖，如照相、掃描。與光柵圖相對的是矢量圖，記錄的是點、線、面的位置和顏色信息的描述，矢量圖不僅有點的信息，還有線、面、基本圖形等信息，但只是描述。重現時看圖軟件就解讀這些描述重繪出來。這樣，圖形放大不會失真，適合存儲像標志、線路圖、設計圖等。

在圖形處理過程中，如何從光柵圖像上捕捉斷面輪廓的坐標點并生成矢量圖是該過程面臨的一個難題，現有圖像處理軟件公司爭相開發識別率更高的處理軟件，并持有著該項技術，如果要獨立開發軟件則需投入大量人力物力。因此利用現有軟件完成隧洞全斷面攝影測量方法的圖像后期處理問題是一項低成本、效率高的選擇。當然，隨著該項技術的發展，為其開發專門適用的軟件必定成為其未來的發展方向，在此提出對未來軟件與硬件開發的若干建議：

1)改進測量攝影時所使用的輝光器，以及改進攝影技術問題使隧洞斷面輪廓更加清晰。

2)因為判斷隧洞斷面輪廓不需要色彩，所以可以開發只識別光強的攝錄儀器，在圖像輸出時輸出數據量更小的圖像。

3)完成步驟2)的情況下，可設定灰度閥值，來選取具有一定光強的像素，隨后生成黑白矢量圖，通過程序處理其中的白點，計算生成隧洞斷面的矢量線。

4)數據處理部分的開發可在已有CAD平臺上刪減不需要使用的功能，并開發專門應用于該方法的Lisp程序嵌入。

5)完成各方面一體化、自動化，開發隧洞斷面測量設備，在測量隧洞斷面時及時打印出隧洞斷面超欠挖圖形和數據，提高隧洞施工質量和工作效率。

三、總結與展望

本文利用了現有的圖像處理軟件，通過快速處理光柵圖像，選擇所需的矢量路徑，可以將隧洞全斷面輪廓快速導入至CAD中進行分析處理，填補了隧洞全斷面攝影測量方法無現有軟件處理技術支持的空白。但是本文所提出的軟件處理過程仍需要大量的手動操作，還無法實現自動化處理，相信該方法在未來會有進一步改進和發展。

[1] 李翹楚.隧洞全斷面攝影測量法[J].測繪通報，1979 (6)：15-18.

[2] 楊建林.斷面測量用輝光器：中國，98236752.X[P]. 1998-02-25.

[3] 費璟昊.隧洞斷面數字圖像處理方法研究及軟件開發[D].大連：大連理工大學，2001.

[4] 魏繼紅，吳繼敏，孫少銳.圖像處理技術在隧洞超欠挖評價中的應用[J].水文地質工程地質，2005(1)：105-108.

A Full Cross-section Photogrammetric Method Applied in Tunnel

SUN Liangyu，YANG Jianlin

P234

B

0494-0911(2014)07-0086-04

2013-04-17

孫良昱(1991—)，男，吉林長春人，研究方向為計算機、園藝等。

孫良昱，楊建林.隧洞全斷面攝影測量方法[J].測繪通報，2014(7)：86-89.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0233