一種隧道掌子面三維點云模型的獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三維點云模型的獲取方法，尤其是涉及一種隧道掌子面三維點云模型的獲取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隧道開挖過程中形成的開挖面會揭露出大量的地質(zhì)信息，然而要快速提取出其中有用的信息并加以分析利用卻并不容易。施工現(xiàn)場受各種因素的制約，通常不允許在施工現(xiàn)場逗留太多時間對隧道開挖面進行觀測和分析。另外，受技術(shù)條件限制，目前國內(nèi)多數(shù)情況下仍然是通過地質(zhì)技術(shù)人員采用皮尺、地質(zhì)羅盤、游標卡尺等傳統(tǒng)的工具在現(xiàn)場接觸測量。地質(zhì)工程師在采集數(shù)據(jù)過程中，需要直接暴露在巖崩、巖爆以及和不穩(wěn)定的巖體下，人工地質(zhì)素描不僅危險而且時間長，常常不能滿足工程快速施工的需要，此外，地質(zhì)素描的結(jié)果因人而異，很大程度上取決于人的主觀判斷以及相關(guān)經(jīng)驗，最后，高處的巖體難以測量到，因此也只能目測估計。所以人工地質(zhì)素描有很大的局限性。綜上所述，在實際工程中，受快速施工及落后的人工素描技術(shù)的影響，開挖面的地質(zhì)信息并沒有得到充分提取、分析和利用，更不能形成及時有效的反饋作用。因此，如何快速、可靠、客觀地取得隧道開挖面地質(zhì)信息變得至關(guān)重要。
[0003]數(shù)字攝影測量技術(shù)是基于數(shù)字影像與攝影測量的基本原理，應(yīng)用計算機三維成像技術(shù)、影像匹配、圖像插值、模式識別等多學(xué)科理論與方法，可以瞬間獲取物體大量幾何信息。并隨著數(shù)字攝影測量技術(shù)和數(shù)碼相機的發(fā)展，促進了研宄人員通過普通數(shù)碼相機獲得多幅二維圖像，并進行三維重構(gòu)的研宄和應(yīng)用，目前已能達到相當(dāng)高的測量精度。
[0004]然而要將數(shù)字攝影測量技術(shù)運用于實際施工中的隧道巖體信息的采集中，還需要克服很多的限制條件。我國的山嶺隧道施工多采用“新奧法”，“新奧法”施工工序為:鉆孔一裝藥一爆破一通風(fēng)一出渣一初期支護一二次支護，其中開挖作業(yè)與支護作業(yè)同時交叉進行。在開挖方式上，以人工鉆孔爆破為主；在初期支護中的錨噴環(huán)節(jié)，噴射混凝土仍以干噴占主要地位。上述施工手法所帶來的粉塵已成為惡化隧道施工環(huán)境的重要因素，主要是爆破開挖巖石所帶來的大量粉塵，干噴混凝土中的粉塵，以及炸藥爆破后的有害氣體，施工機械上的柴油機排放的煙塵等。其中開挖以及干噴環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的粉塵居主要地位。此外，隧道中沒有自然光，只能使用人造光源照明進行拍攝。拍攝過程中需注意光照角度、強度問題。最后，由于隧道施工工序比較緊湊，適合用于拍攝的時間較短。
[0005]基于單相機的雙目三維重構(gòu)包括特征點提取與匹配、相對位姿計算、極線校正、稠密匹配和三維重構(gòu)等步驟。三維重構(gòu)中圖像處理的第一步是進行圖像特征點的檢測和提取，根據(jù)檢測結(jié)果進行特征點匹配，然后計算兩個拍攝位置上相機的相對位姿。兩個點的誤匹配會在三維空間造成一個很大的變異，在視覺感官上而言是就是一些孤零的突起，由于形狀上像“毛刺”，因此稱呼其為毛刺。這些少數(shù)的毛刺對于重構(gòu)對象的整體效果有著很大的影響，一旦這些點很多時，甚至?xí)绊懞罄m(xù)對巖體特征的識別。因此特征點的正確檢測非常重要，直接影響到后續(xù)工作的完成。兩副圖像特征點的檢測的好壞常常取決于圖像獲取的質(zhì)量。
[0006]綜上所述，有必要針對隧道的特殊環(huán)境，對如何獲取清晰的照片實現(xiàn)雙目三維重構(gòu)獲得掌子面巖體的三維點云模型進行探討，并給出具體的相機參數(shù)設(shè)置和拍攝步驟，減少后期三維重構(gòu)的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種精度高、成本低、快速便捷、可操作性強、適用范圍廣、可重復(fù)性強的隧道掌子面三維點云模型的獲取方法。
[0008]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0009]一種隧道掌子面三維點云模型的獲取方法，包括以下步驟:
[0010]I)根據(jù)隧道內(nèi)部的拍攝環(huán)境選擇拍攝相機；
[0011]2)在隧道循環(huán)施工工序中確定相機的拍攝時間；
[0012]3)確定相機拍攝的位置和光源的位置；
[0013]4)根據(jù)隧道內(nèi)部的拍攝環(huán)境采用現(xiàn)場試驗的方法確定相機的拍攝參數(shù)；
[0014]5)拍攝左右圖像，并對左右圖像進行處理得到掌子面三維點云模型。
[0015]所述的步驟I)中選擇拍攝相機為佳能5DMark II數(shù)碼相機，鏡頭為佳能EF 24mmf/1.4L定焦鏡頭。
[0016]所述的步驟2)中的拍攝時間為在人工排險之后或在支鋼拱架之后。
[0017]所述的步驟3)中的相機拍攝的位置為掌子面正前方3m?4m的位置處，拍攝光源設(shè)有2個，其位置為掌子面前2m?3m處，并且左右對稱設(shè)置。
[0018]所述的步驟4)中的相機的拍攝參數(shù)包括相機內(nèi)參、相機外參和相機拍攝參數(shù)，所述的相機內(nèi)參包括主距f、鏡頭徑向畸變參數(shù)Kappa、橫縱向比例系數(shù)SjP Sy、主點位置[Cx，Cy]、像寬W1、像高HI，所述的相機外參包括平移向量T = (tx，ty，tz)和旋轉(zhuǎn)矩陣R = R(a，β，γ)，所述的相機拍攝參數(shù)包括相機感光度ISO、光圈和快門。
[0019]所述的步驟5)中的拍攝左右圖像具體包括以下步驟:
[0020]51)在掌子面前2m?3m處設(shè)置光源，使光源方向垂直于掌子面，平行調(diào)整燈光位置以減少掌子面上出現(xiàn)的陰影；
[0021]52)采用拍攝相機拍攝左圖，獲取左圖圖像，并在掌子面前方放置尺寸參照物后再拍攝一張圖像；
[0022]53)平行移動三角架，采用線控方式拍攝右圖，并且獲取右圖圖像，并在掌子面前方放置尺寸參照物后再拍攝一張圖像。
[0023]所述的步驟52)具體包括以下步驟:
[0024]521)在掌子面前3m?4m處架立三腳架，并將三角架穩(wěn)定放置；
[0025]522)使用水準尺將三角架的云臺調(diào)平，并且在云臺平面上固定相機；
[0026]523)調(diào)整相機的位姿后，采用線控方式拍攝左圖。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0028]一、精度高、成本低:本發(fā)明采用雙目三維重構(gòu)技術(shù)分別對隧道掌子面進行左右圖的拍攝，采用佳能5DMark II數(shù)碼相機和佳能EF 24mm f/1.4L定焦鏡頭，并且根據(jù)隧道內(nèi)的環(huán)境進行參數(shù)設(shè)定，以此獲得清晰的圖像，為后續(xù)的掌子面三維點云模型的建立提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)。
[0029]二、快速便捷:本發(fā)明的操作步驟簡單，適用性廣，在人工排險之后或在支鋼拱架之后進行拍攝，能夠快速的獲取圖像而不影響正常的隧道施工流程，方便快捷。
[0030]三、可操作性強:本方法能夠適應(yīng)各種不同的隧道內(nèi)的掌子面拍攝，操作簡單，適用范圍廣。
[0031]四、適用范圍廣、可重復(fù)性強:本發(fā)明根據(jù)隧道內(nèi)部的拍攝環(huán)境采用現(xiàn)場試驗的方法確定相機的拍攝參數(shù)，并固定住相機的參數(shù)，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)節(jié)拍攝參數(shù)，適用范圍廣，同條件下使用時無需重復(fù)標定，即可直接使用，可重復(fù)性強。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
[0033]圖2為三角架和掌子面的位置關(guān)系圖。
[0034]圖3為隧道燈和掌子面的位置關(guān)系圖。
[0035]圖4為攝像機與世界坐標系的關(guān)系圖。
[0036]圖5為根據(jù)拍攝得到的左右圖進行三維重構(gòu)得到的點云模型。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0038]實施例:
[0039]如圖1所示，一種隧道掌子面三維點云模型的獲取方法，包括以下步驟:
[0040]I)根據(jù)隧道內(nèi)部的拍攝環(huán)境選擇拍攝相機，近景攝影測量中，相機可以分為量測相機和非量測相機兩種，兩者的主要區(qū)別是相機內(nèi)部參數(shù)是否固定。量測相機生產(chǎn)時即鎖定內(nèi)部參數(shù)并通過標定得到內(nèi)參矩陣，具有較高的精度，但由于內(nèi)參固定導(dǎo)致適用場合具有較多的限制條件，并且價格較貴。非量測相機即普通的數(shù)碼相機，在精度、畸變控制等方面略為遜色，但可以自由調(diào)節(jié)相機內(nèi)參，適用范圍較廣且價格較低。本發(fā)明的拍攝對象主要為隧道開挖掌子面巖體，拍攝過程受環(huán)境影響因素較大。在隧道中，由于沒有自然光只能選用人造光源照明，并且需要在較短的拍攝距離內(nèi)涵蓋較大范圍的巖體面，且滿足三維重構(gòu)所需的精度要求。因此選用相機時應(yīng)著重考慮鏡頭畸變小、像素高、噪點少、有全手動拍攝模式等因素，因此選用佳能5DMark II數(shù)碼相機和佳能EF 24mm f/1.4L定焦鏡頭；
[0041]2)在隧道循環(huán)施工工序中確定相機的拍攝時間，現(xiàn)場一個循環(huán)的施工工序是爆破、出渣、機械排險、臺車靠前、人工排險、支鋼拱架、錨桿施作、掛網(wǎng)、噴混凝土。在爆破、出完渣后拍攝的好處是可以拍攝到整個掌子面。然而機械排險完之后，施工臺車就很快地被鏟車向前推進直至緊貼掌子面，這兩者之間的時間間隔很短，很難讓施工單位停下當(dāng)前的施工工序，配合拍照。其次，機械排險只是粗略地通過鏟車打掉頂部和周邊松動的巖塊，掌子面附近仍然會有松動的小巖塊掉下的風(fēng)險，人仍然不宜在掌子面前面逗留。此外，剛排完渣之后，空氣中仍有很多施工機械和裝巖石的產(chǎn)生的粉塵以及爆破殘留的粉塵還沒來得及通過通風(fēng)機排出，此時拍照會引入很多噪聲。最后，機械排險后掌子面前方?jīng)]有照明，光線較暗。因為供電設(shè)備只安裝在臺車上，要隨著臺車的移動而移動。
[0042]選擇在人工排險之后或者是支鋼拱架之后兩個時間間隔拍攝照片的好處有:
[0043]1、過人工排險之后，掌子面前方相對較安全，幾乎不會有松動的巖塊掉下；
[0044]2、空氣中的粉塵已通過通風(fēng)機排出，空氣質(zhì)量好，圖片的噪聲少，拍攝人員也較舒適;
[0045]3、工臺車靠前，可通過臺車上的供電插頭照明。掌子面前方較明亮。但缺點是不能拍攝到整個掌子面；
[0046]綜合考慮拍攝人員的安全、拍攝照片的質(zhì)量以及時間的寬裕度，選擇在