基于数码成像的隧道掌子面地质信息系统研究

摘要

论文从研究隧道掌子面地质图像入手，通过数字图像处理技术对隧道掌子面地质图像进行分析和处理，以自动或半自动方式提取出掌子面上岩体层理、节理、断层等结构面信息。对宏观上较为明显的结构面，建立相邻隧道掌子面上各岩层层理、节理、断层等结构面的对应关系，从而根据三维建模技术建立隧道开挖部分的三维地质结构模型，并以此预测掌子面前方未开挖部分的岩体结构等信息。根据对前方未开挖部分的岩体结构的预测，反馈给隧道设计与施工，为实现隧道信息化设计与施工提供了重要的技术支撑。
　　 主要结论和成果如下：
　　 1、通过数字图像处理技术，对隧道掌子面地质图像进行图像预处理、边缘检测和边界提取，对同一结构面上不连续结构面边界采用边界聚合、边界自动连接算法进行连接，提取出的边界可作为地质素描图中的结构面边界，加以少量的人工干预，形成地质素描图，提高了地质素描速度，同时使人工地质素描中因素描人员不同结果也可能极不相同的情况得到有效控制。
　　 2、对于自动边界提取过程中出现实际结构面边界线漏检和误检的情况，加入人工智能剪刀功能。它将图像边界自动提取和人工干预的方式相结合，实现了对结构面边界的半自动提取，既解决了全自动边界提取过程中边界提取错误的情况，也减少了完全手工对结构面边界提取费时、费力且不能精确定位结构面边界的情况。
　　 3、通过数字图像处理技术，从细观上对隧道掌子面岩体特征进行了统计分析，取得岩体结构面长度、单位面积裂隙长度、结构面平均间距、RQD等结构面的自然特征，并据此对掌子面岩体状况进行描述。实现了对隧道掌子面岩体的自动分析和评价功能。
　　 4、对隧道掌子面附近边墙及拱部未衬砌区域的围岩，分析了图像采集时需要注意的问题，研究了生成地质展开图像的算法。
　　 5、通过数字图像处理技术，对近距离拍摄的多种岩石标本的大量岩石图像样本进行特征提取。根据BP神经网络算法，对图像特征参数进行训练，得到参数模型，该模型可用于自动判别不同的隧道掌子面岩体的岩性。
　　 6、根据现场测得的结构面产状信息，对自动建立相邻隧道掌子面上岩体层理、节理、断层等结构面边界线的对应关系进行了探讨。根据OpenGL三维建模技术及三维重建相关算法，建立隧道已开挖部分的三维地质结构模型，实现了隧道地质结构的可视化，从而更加直观的认识隧道开挖部分的地质情况。
　　 7、根据已开挖部分的三维地质结构模型，预测隧道掌子面前方未开挖部分的三维地质结构。由隧道三维地质结构模型及预测模型，生成隧道边墙及拱部的地质展开图、横剖切面、纵剖切面、虚拟地质钻孔等图形，同时利用结构面在大地坐标系下的空间位置关系，分析和计算出各结构面的岩层产状以及结构面走向与隧道开挖方向间的夹角。这些信息有利于全面分析和掌握隧道的地质状况。
　　 8、根据对隧道掌子面的分析，实现了对“隧道掌子面地质信息系统(TFGIS)2008”的研发，为隧道信息化设计与施工提供了有力的技术支撑。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1项目背景

1.2国内外现状

1.2.1数字图像处理技术应用现状

1.2.2三维建模技术应用现状

1.3研究内容、方法及技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2研究方法

1.3.3研究技术路线

第2章 隧道掌子面数字图像采集

2.1图像质量要求

2.2图像采集设备

2.2.1照明设备

2.2.2三角架

2.2.3钢卷尺

2.2.4数码相机

2.3图像采集

2.3.1图像采集时间选择

2.3.2图像采集过程

2.4本章小结

第3章 隧道掌子面数字图像处理

3.1数字图像处理技术简介

3.1.1图像数字化

3.1.2数字图像表示方法

3.2图像比例转换

3.3隧道掌子面数字图像预处理

3.3.1直方图变换

3.3.2亮度／对比度

3.3.3色相／饱和度

3.3.4灰度折线变换

3.3.5柔化／锐化

3.4边界提取

3.4.1边缘检测

3.4.2数学形态学

3.4.3清除节点及单点

3.4.4全自动边界连接

3.4.5人工智能剪刀

3.5隧道掌子面上结构面的特征分析

3.5.1结构面延续长度

3.5.2单位面积裂隙总延长

3.5.3结构面线性拟合

3.5.4结构面视倾角

3.5.5节理组数

3.5.6结构面间距

3.5.7结构面产状量测

3.5.8岩石质量指标RQD

3.6隧道掌子面岩体识别

3.6.1神经网络简介

3.6.2 BP神经网络

3.6.3图像特征分析

3.6.4 BP算法的应用

3.7地质展开图像分析

3.8本章小结

第4章 基于隧道掌子面地质图像的三维建模

4.1隧道岩体三维重建方法选择

4.1.1三维重建技术分类

4.1.2隧道三维重建方法选择

4.2数据结构的建立

4.3相邻隧道掌子面上结构面对应关系的建立

4.3.1自动建立对应关系

4.3.2手动建立对应关系

4.4隧道三维地质结构模型重建

4.4.1高速光截法简介

4.4.2 AFT面形重建原理

4.4.3 AFT面形重建算法的改进

4.4.4改进算法在隧道掌子面中的应用

4.5三维地质结构模型分析

4.5.1结构面产状分析

4.5.2结构面走向与隧道开挖方向间夹角

4.5.3生成地质剖面图

4.5.4地质展开图形

4.5.5虚拟地质钻孔

4.6地质预测

4.6.1根据三维地质结构模型进行地质预测

4.6.2根据地质钻孔对三维地质预测结构模型进行修正

4.7本章小结

第5章 系统编程实现及工程应用

5.1系统实现

5.1.1硬件要求

5.1.2系统研发环境

5.1.3界面设计

5.1.4系统操作流程

5.1.5图层逻辑结构设计要点

5.1.6平、纵、横曲线要素的输入

5.2工程应用

5.2.1工程概况

5.2.2图像处理及模式识别技术应用

5.2.3 OpenGL三维建模技术应用

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参加科研情况