数码摄影图像处理技术及其在隧道地质判释中的应用研究

李满宏

（中铁七局兰渝指挥部，甘肃 岷县 748400）

引言

在隧道前期勘探中，受各种条件的限制，对隧道围岩地质状况勘探精度要求一般较低，而且勘探的范围也不能够覆盖整个隧道，因此在施工过程中经常会出现一些不可预见的工程事故，如坍塌、涌水等，给隧道施工质量和施工进度造成很大的影响，有时还会产生灾难性的后果。因此，在施工过程中，对掌子面前方的地质情况作出准确、及时的预报是非常重要的。

目前对掌子面进行分析的传统方法是人工地质素描，这种方法的分析结果因分析人员的经验、学识等的不同而不尽相同，获得的数据缺乏一致性和可比性，超前地质预报效果较差。在此背景下，本论文以贵阳市贵金线（金阳段）3号隧道为工程依托，对数码摄影图像处理技术及其在隧道地质判释中的应用进行研究，形成图像处理系统，以期研究成果进一步完善和丰富隧道超前地质预报手段。

1 依托工程概况

贵金线3号隧道位于贵阳市主城区北部黔灵公园西侧厂黄坝乡境内，其起点与贵金线黔灵桥相接，终点距已建金马路约400m。该隧道按小净距分离式设计，上、下行道路中线间距约23.90～30.10m，左线全长970m，右线全长980m。

根据钻探成果及地表调查，隧道经过地段地层，按地层新老关系自上而下依次为第四系覆盖层（Q）、三叠系上统二桥、三桥组（T3s+e）、三叠系中统改茶组（T2gc）、三叠系中统杨柳井组（T2y1），地面道路通过地段按地层自上而下依次为第四系覆盖组（Q）、三叠系中统杨柳井组（T2y1）及三叠系中统松子坎组（T2sz）地层。除第四系覆盖层（Q）与下伏三叠系（T）地层为不整合接触外，其余为整合接触。

2 掌子面图像数据采集

隧道掌子面图像数据采集具体操作步骤如下所示:

（1）用全站仪测掌子面上的标记点坐标

当对全断面采用分步开挖时，对当前开挖形成的掌子面，在掌子面上作一标记点，采用全站仪测得掌子面上标记点的三维坐标。

图1 分步开挖掌子面数码成像示意图

（2）掌子面图像采集方法、要点

图像采集时，数码相机位于开挖通道的中间位置，摄影方向垂直于掌子面。掌子面图像采集示意图如图1所示。设掌子面按照1、2、3、4的顺序分步开挖，当开挖至第2掌子面区域时，对第2块掌子面区域进行如图所示的图像数据采集。

3 掌子面图像分析技术

以贵金线3#隧道 DK4+245里程实际数码成像得到的左上断面及右上断面的掌子面图像为例，对图像分析技术进行说明。

3.1 图像调整技术

现场采集的数字图像受现场环境、相机等各种因素的干扰，使得实际图像通常亮度低、对比度低，难以满足图像处理的需要，故需要对图像质量进行调整。如图2中，图2 (a)为DK4+245左上断面原始采集图像，图2(b)为图像调整结果。可以看出，经调整后的图像亮度及对比度均得到明显提高，使图像更适合于人眼观察，便于分析和处理。

图2 DK4+245左上断面图像调整

3.2 掌子面局部图像拼接技术

贵金线3#隧道DK4+245里程左上断面及右上断面的掌子面图像分别如图3、图4所示。

图3 贵金隧道3#线DK4+245里程左上断面图像

图4 贵金隧道3#线DK4+245里程右上断面图像

（1）首先根据图像中标尺的实际刻度以及在图中的像素距离的比例关系，将图3及图4中的图像设置为相同比例尺a=1∶1（像素:cm），即表示1像素距离的实际长度为1cm。

（2）已知标记点1和2利用全站仪测得的三维坐标为:(46158.9912， 67991.2955， 1212.8856) 和 （46154.868，67988.3272，1212.8856），利用坐标点间距离公式得标记点1和2间的距离D=410cm。

（3）标记点1、2间的图像距离:

由标记点1、2的三维坐标知，标记点高程相同，故可根据d值和相同高程自动调整DK4+245左上断面和右上断面图像间的相对位置，使两断面图像拼合成完整的掌子面图像，并进行局部裁剪形成如图5所示图像。

图5 图像裁剪结果

3.3 掌子面岩层边界检测

为了对边缘检测方法的有效性进行评价，采用Canny边缘检测算子对隧道掌子面上的边界线进行检测。Canny采用三个边缘检测准则，并用数学方法系统地推导出确定图像边缘检测函数性能指标的数学表达式:信噪比SNR、检测精度L和伪边界平均距离M。

图6 图像边界检测结果

图6为隧道掌子地质图像的Canny算子边缘检测结果；图中除去隧道初期支护、掌子面下方开挖土石等的干扰，剩余的黑色边界线主要为掌子面围岩上的岩层节理、裂隙等。

3.4 图像特征提取

3.4.1 岩体破碎程度分析

根据对如图6所示的一系列掌子面图像处理结果的统计分析，当岩体越破碎，黑色边界线越多。故可根据边界线来判定岩体的破碎程度。

（1）特征一:单位面积上的割线段数

在选定区域的水平和竖直方向设置实际间距为1cm的割线，统计割线被边界线分割的段数Ns，设选定区域面积为A，单位面积上割线被分割的段数为N，则N=Ns/A，如图7。

图7 掌子面上设置割线示意图

（2）特征二:单位面积上的边界线条数

在选定区域内，统计边界线的条数，若某条边界线上存在分叉节点，则将边界线从节点处分割开再分别统计。设统计边界线条数为Le，单位面积上的边界线条数为L，则L＝Le/A。

设S=N+L，将S作为评定岩体破碎程度的标准。

（3）特征三:灰度均方差

在掌子面上，岩体越破碎，则颜色变化越大，即颜色对比度越强。因此也可根据岩石的颜色灰度平均值和灰度变化程度来判定岩石风化程度。

其中，E为灰度均方差。

3.4.2 岩体风化程度分析

贵金3#线隧道内岩石以灰白色细晶白云岩为主，岩石风化程度越高，颜色越深。故可利用掌子面颜色来分析掌子面风化程度。

掌子面上颜色灰度值有一定的变化，可利用掌子面像素平均灰度值来评价掌子面岩体风化程度。

3.5 掌子面地质状况分析

（1）根据相邻掌子面地质特征参数预测掌子面前方的地质情况

在工程地质中，同种岩石风化及破碎程度通常是一个渐变的过程，岩石风化及破碎特征参数也同样是一个渐变的过程。因此可对掌子面特征进行分析，并预测掌子面前方地质状况。

根据对贵金隧道3#线部分区段的地质情况的分析，可评价掌子面岩体完整性程度和风化程度变化趋势。假设根据对隧道掌子面的分析，得到如表1所示的特征参数。

表1 隧道掌子面特征参数示意图

对特征参数进行线性拟合，同时预测掌子面前方的各掌子面的特征参数，可得到如图8-图11所示的结果。

图8 单位面积边界线条数曲线图

图9 单位面积割线段数曲线图

图10 平均灰度均方差曲线图

图11 平均灰度值曲线图

由图8-图10的线性拟合结果分析，沿大里程方向，掌子面单位面积边界线条数、单位面积割线段数、平均灰度均方差均逐渐增大，这说明隧道围岩完整性逐渐降低，同时，由图11知，掌子面灰度均值逐渐减小，说明掌子面岩体中风化程度随里程增加而逐渐增强。

（2）掌子面前方的地质预测

隧道掌子面上，根据相邻掌子面上的岩体结构面剖面线的对应关系，可重建隧道内结构面的三维地质结构。另外，通常在一定距离内，结构面可近似为在一个平面上，因此，可由此预测掌子面前方的地质结构面。

首先建立两掌子面图像的对应关系，如图12(a)中编号为1和2的节理分别对应图12(b)中编号为1和2的节理。

根据这种对应关系建立隧道开挖部分及预测的三维地质结构模型，如图13所示。

根据对实际三维地质结构的分析并结合ZK4+214、ZK4+211的掌子面结构面信息，预测ZK4+11前方的三维地质结构，已知ZK4+211处掌子面的结构面剖面线如图12(a)所示，由预测的三维地质结构模型知，其中的结构面1、2、3、4相继与预测面ZK4+208、ZK4+205中的结构面对应。已开挖区域ZK4+214～+211结构面缓慢下降，该趋势向前延伸至ZK4+208、ZK4+205。

图12 隧道开挖部分掌子面

图13 隧道三维地质结构及预测示意图

4 结论

本文以贵金线3#隧道中实际数码成相得到的掌子面图像为例，对掌子面图像数据采集技术和掌子面图像分析技术进行了全面分析，得到以下结论:

（1）掌子面数字图像采集应采用不低于1200万有效像素的数码相机，同时使用全站仪记录掌子面上标记点的三维坐标，利于后续工作的开展。

（2）通过图像调整、掌子面局部图像拼接、掌子面岩层边界检测、图像特征提取等技术，对掌子面图像进行处理，提炼出岩层裂隙、节理以及地质构造等相关的数据，并进行量化评价，跟设计阶段围岩级别对比分析，实现围岩级别的修正。

（3）根据分析得到的掌子面信息，建立相邻掌子面上岩层间的对应关系，建立隧道已经开挖部分的三维地质结构模型，实现掌子面前方未开挖部分的地质结构信息预测，从而指导下一步的设计与施工。

[1]刘洋.隧道掌子面图像处理系统的研究与实现[D].成都:西南交通大学，2007.

[2]王明华，李浩，苍桂华.普通数码相机在洞室地质编录中的应用[J].煤田地质与勘探，2007，35(4):15-19.