CN110849324A - 一种长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法，本发明实施步骤包括在掌子面钻孔放样时标记像控点并测量坐标；通过长曝光摄影采集低照度环境下不同角度、高分辨率、携带岩层纹理的洞身图像；针对洞身图像通过识别多张洞身图像上特征点，以多像空间前方交会法为基础计算特征点空间坐标并展点形成网格表面模型，从而得到携带地层信息、洞身轮廓表面起伏的数字表面模型。本发明具有设备简单、作业便捷、受环境制约小、可全信息还原洞身情况、不影响洞内施工、适用性广泛的优点。

Description

一种长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法

技术领域

本发明涉及隧道断面测量技术，具体涉及一种长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法。

背景技术

隧道断面测量常采用全站仪或激光扫描仪进行，二者都是利用设备发射激光以极坐标法测量，设备昂贵，只能获取洞身表面轮廓数据，无法记录地质信息和爆破参数，在烟尘、富水环境下激光散射严重，信号返回率低。掌子面地质测量则仍停留在地质素描或局部平面影像留存阶段，地质编录主观影响大，地质情况整体追溯性不强。“为测断面而测断面”实质上忽略了隧道的地质属性，仅追求洞身轮廓的测量精度而忽略地质因素、爆破参数的制衡，在光面爆破施工中只是被动的权宜之计。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种设备简单、作业便捷、受环境制约小、可全信息还原洞身情况、不影响洞内施工、适用性广泛的长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法，实施步骤包括：

1)在掌子面钻孔放样时标记像控点并测量坐标；

2)通过长曝光摄影采集低照度环境下不同角度、高分辨率、携带岩层纹理的洞身图像；

3)针对不同角度、高分辨率、携带岩层纹理的洞身图像，通过识别多张洞身图像上特征点，以多像空间前方交会法为基础计算特征点空间坐标并展点形成网格表面模型，从而得到携带地层信息、洞身轮廓表面起伏的数字表面模型。

可选地，步骤1)中在掌子面钻孔放样时标记像控点并测量坐标时还包括标记备用点、校核点，且所述像控点、备用点、校核点分别分布在掌子面范围且不共线，像控点的数量不少于3个，备用点用于在像控点点位丢失时作为备用，所述复核点用于校核成果精度和测站接驳。

可选地，步骤2)的详细步骤包括：

2.1)进行相机视场标定以确定最小的拍摄距离D_min，确定相机的拍摄距离D大于最小的拍摄距离D_min；

2.2)确定相机的所有机位，所述相机的所有机位包括中央机位、左侧方机位、右侧方机位至少三个连续机位；

2.3)选择一个机位作为当前机位，在当前机位安装相机；

2.4)针对当前机位进行图像采集区域复核，如果复核通过则跳转执行下一步；否则跳转执行步骤2.1)以重新确定相机的拍摄距离D；

2.5)对相机进行对焦及焦点锁定，焦点锁定后不再调动相机镜头上的变焦环和对焦环；

2.6)对取景器窗口进行封盖以屏蔽杂散光通过取景器进入相机内部干扰相机成像；

2.7)触发快门曝光，然后在相机开始拍摄后进行柔散补光；

2.8)在微弱光照环境下将相机快门一直保持开启状态，使得物体表面反射的光线会不断在成像元件上进行累积，在快门开启时间指定的曝光时间后，获得在低照度环境下获得明亮清晰的成像；

2.9)判断是否所有机位拍照完毕，如果尚未拍完则跳转执行步骤2.3)；否则跳转执行步骤3)。

可选地，步骤2.3)中在当前机位安装相机时还包括采用三脚架以保证相机在空间位置的固定。

可选地，步骤2.3)中在当前机位安装相机时还包括采用遥控器触发快门避免人工操作相机带来的震动引起成像模糊。

可选地，步骤2.1)进行相机视场标定以确定最小的拍摄距离D_min的详细步骤包括：

2.1.1)在墙上沿水平方向固定卷尺，架设相机于三脚架上并使其水平，相机视线垂直于墙面；将相机镜头拉至最短焦距、开至最大光圈，拍摄一张照片，测量并记录相机焦平面距墙面距离，改变相机至墙面距离，反复按此程序拍摄多次；

2.1.2)在数据处理时，放大照片找到每张照片画幅两端尺面刻度差即为实测视场宽度B，可得到至少三组拍摄距离D与视场宽度B的数据；

2.1.3)采用最小二乘法拟合出最优直线，获得视场宽度B和拍摄距离D的直线方程；

2.1.4)根据相机成像的高宽比确定视场高度H与拍摄距离D的直线方程；

2.1.5)将掌子面的最大宽度代入视场宽度B和拍摄距离D的直线方程得到第一拍摄距离 D_B，将掌子面的最大高度代入视场高度H与拍摄距离D的直线方程得到第二拍摄距离D_H；从第一拍摄距离D_B、第二拍摄距离D_H两者中选较大者作为最小的拍摄距离D_min。

可选地，步骤2.4)针对当前机位进行图像采集区域复核的步骤包括：(1)复核掌子面左右区域是否进入相机视场：采用聚光手电照射掌子面左侧边界位置使得掌子面会出现光斑，通过取景器可观察光斑位置，若光斑未出现在取景器中，微调云台，相机水平旋转直至光斑进入取景器为止；采用聚光手电照射掌子面右侧边界位置使得掌子面会出现光斑，通过取景器可观察光斑位置，若光斑未出现在取景器中，微调云台，相机水平旋转直至光斑进入取景器为止；(2)复核掌子面上下区域是否进入相机视场：采用聚光手电照射掌子面上侧边界位置，通过取景器观察光斑位置,若光斑未出现在取景器中，微调云台相机垂直旋转，直至光斑进入取景器为止；采用聚光手电照射掌子面下侧边界位置，通过取景器观察光斑位置,若光斑未出现在取景器中，微调云台相机垂直旋转，直至光斑进入取景器为止。

可选地，步骤2.7)进行柔散补光具体是指采用可变焦手电广角端对围岩进行柔散补光，且将手电光束调为大半径光圈、亮度低，使得受光面照射均匀。

可选地，步骤3)的详细步骤包括：

3.1)将不同角度、高分辨率、携带岩层纹理的洞身图像输入摄影测量与实景建模软件，生产并输出通用型点云模型；

3.2)针对所述通用型点云模型采用固定点位坐标校核和随机点位视觉校核两种方式结合完成模型精度校核；

3.3)对完成模型精度校核后的通用型点云模型进行曲面生成、断面测量、方量测量，解决洞身几何测量问题；

3.4)对完成模型精度校核后的通用型点云模型进行地质模型分析解决地质分布问题。

可选地，步骤3.2)采用固定点位坐标校核和随机点位视觉校核两种方式结合完成模型精度校核的步骤包括：

3.2.1)对于图像中标记的具有测定坐标的点位进行校核考察其偏差，且在前期像控刺点时只刺点不输入其坐标，数据处理完成后，会得出这一类点的计算坐标，对照计算坐标和实测坐标差值，评估通用型点云模型的精度；

3.2.2)预先在像控点测量完成后在洞身表面随机测量若干点位坐标，待通用型点云模型计算完成后，将这些点位展绘到通用型点云模型中，观察实测点位与通用型点云模型的表面附着情况是否存在表面脱离情况，以考察误差分布的均匀度和是否存在粗大误差。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、设备简单。仅需一台普通单反相机及三脚架即可完成外业数据采集。

2、作业便捷。无需对设备站点坐标进行测量，设备随架随用。单张图像采集时间仅需2 分钟，20米隧道连续断面仅需采集4张图像。

3、受环境制约小。长曝光摄影技术能确保在隧道照度和能见度不足的情况下依然可以实现图像的清晰采集。

4、可全信息还原洞身情况。本实施例方法成果不仅包含洞身轮廓数字表面模型，亦包含围岩产状、色泽、富水性、爆破孔眼布置等全部可见信息，并可对其参数进行精准度量，实现了对前方围岩辨识预判和爆破参数的复核调整，这是既有测量技术无法实现的。

5、不影响洞内施工。由于长曝光成像特性，即便成像过程中相机被短时间遮挡，亦不会影响图像采集，因此在测量时无需中断交通，与施工作业兼容性好。

6、适用性广泛。本发明可用于隧道工程开挖施工中的以下作业内容：隧道成洞段落连续断面测量及衬砌前混凝土浇筑方量核算；隧道爆破前掌子面爆破孔位布置记录及参数优化；隧道成洞段落揭露围岩信息记录及前方地质推断。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例中像控点、备用点及复核点的标记示意图。

图3为本发明实施例中像控点的坐标采集信息示意图。

图4为同等照度下不同曝光时间的成像对比。

图5为相机的现场覆盖范围示意图。

图6为本发明实施例中相机及镜头现场标定过程示意图。

图7为本发明实施例中相机的图像采集机位布置示意图。

图8为本发明实施例中掌子面左(右)边限校核和相机取景器窗口示意图，其中左侧为掌子面左(右)边限校核示意图，右侧为相机取景器窗口示意图。

图9为本发明实施例中掌子面上(下)边限校核和相机取景器窗口示意图，其中左侧为掌子面上(下)边限校核示意图，右侧为相机取景器窗口示意图。

图10为本发明实施例中自动对焦模式对照光斑对焦示意图，其中左侧为取景器画面。

图11为本发明实施例中镜头光线取景(左)与杂散光线干扰(右)示意图。

图12为本发明实施例中可变焦手电聚光(左)和散光(右)效果示意图。

图13为直接曝光(左)和柔散补光(右)成像效果对比示意图。

图14为本发明实施例中Agisoft PhotoScan生产的点云数据。

图15为本发明实施例中像控坐标录入及校核点位指定示意图。

图16为本发明实施例中校核点位在模型上的坐标示意图。

图17为本发明实施例中校核点位在模型上的坐标。

图18为本发明实施例中Geomagic Studio分析的洞身轮廓超欠挖分布。

图19为本发明实施例中Geomagic Studio导出的AutoCAD可编辑断面图形。

图20为本发明实施例中Geomagic Studio分析的二次衬砌厚度分布。

图21为本发明实施例中基于Agisoft PhotoScan掌子面正射影像的炮眼布置实测。

图22为本发明实施例中基于Agisoft PhotoScan正射影像的掌子面节理分布。

图23为本发明实施例中基于Civli 3D地质模型推定的节理空间分布。

图24为本发明实施例中掌子面及节理产状赤平极射投影。

图25为本发明实施例应用于隧道掘进施工的流程示意图。

具体实施方式

下文将以张吉怀铁路新华山隧道川岩坪横洞为例，对本发明长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法进行进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法的实施步骤包括：

1)在掌子面钻孔放样时标记像控点并测量坐标；

2)通过长曝光摄影采集低照度环境下不同角度、高分辨率、携带岩层纹理的洞身图像；

3)针对不同角度、高分辨率、携带岩层纹理的洞身图像，通过识别多张洞身图像上特征点，以多像空间前方交会法为基础计算特征点空间坐标并展点形成网格表面模型，从而得到携带地层信息、洞身轮廓表面起伏的数字表面模型。

本实施例步骤1)中在掌子面钻孔放样时标记像控点并测量坐标时还包括标记备用点、校核点，且所述像控点、备用点、校核点分别分布在掌子面范围且不共线，像控点的数量不少于3个，备用点用于在像控点点位丢失时作为备用，所述复核点用于校核成果精度和测站接驳。相机采集的图像可在无外部参考坐标的情况下完成模型重建，该模型只能保证相对精度，无法指导实际施工，因此需要在前期与洞身上布设若干控制点，通过后期将图像上的点位刺入，将成果统一到施工所用坐标系中。其中像控点数量不得少于3个，并按隧道内情况加设备用点，防止点位丢失。另外需在洞身侧壁上随机测取若干复核点，用以校核成果精度和测站接驳。像控点如图2所示。像控点、备用点、校核点的标记及测量可在掌子面周边眼放样时一并完成。点位布设灵活，无严格要求，只需分布在掌子面范围且不共线即可，电子手簿记录的像控坐标如图3所示。

本实施例方法的基本原理是：首先通过长曝光摄影技术在低照度环境下采集不同角度、高分辨率、携带丰富岩层纹理的洞身图像，再利用倾斜摄影测量技术将采集的照片重建数字化模型，进而形成携带地层信息、洞身轮廓表面起伏的数字表面模型，且关键是在于如何通过长曝光摄影技术在低照度环境下采集不同角度、高分辨率、携带丰富岩层纹理的洞身图像。

隧道内采集洞身高分辨率图像最大的难点在于隧道内光照严重不足(如爆破前采集掌子面图像时，掌子面一片漆黑)，而采集图像质量直接影响数字表面模型精度。若采用闪光灯补光，由于洞内空气中富含悬浮微粒，对闪光散射严重，而在瓦斯隧道闪光灯更是禁止使用的，所以常规摄影技术无法成功采集图像。长曝光摄影技术是在微弱光照环境下，将相机快门一直保持开启状态(如单反相机中的B门模式)，物体表面反射的光线会不断在成像元件上进行累积，只要相机和被拍摄对象之间保持相对位置固定(采用三脚架稳定相机)、快门开启时间足够长(曝光时间)，便能在低照度环境下获得明亮清晰的成像，图4为同样照度条件下采用不同曝光时间获取图像的差异，图4(a)曝光时间为5s，图4(b)曝光时间为60s。

建立倾斜摄影数字表面模型基本原理是：从不同角度对重建对象进行拍摄，获取对象不同角度图像，由计算机图形系统完成多张图像上特征点识别，以多像空间前方交会法为基础，计算特征点空间坐标并展点，形成网格表面模型。因此采集图像的分辨率越高，细节越丰富，计算机识别的特征点越多，成果精度越高。本实施例方法在隧道内作业，摄站坐标未知，无卫星定位，无法测量相机姿态参数，故本实施例方法解算特征点坐标的条件要比露天环境下进行倾斜摄影测量苛刻得多。

本实施例中，步骤2)的详细步骤包括：

2.1)进行相机视场标定以确定最小的拍摄距离D_min，确定相机的拍摄距离D大于最小的拍摄距离D_min；

2.2)确定相机的所有机位，所述相机的所有机位包括中央机位、左侧方机位、右侧方机位至少三个连续机位；

2.3)选择一个机位作为当前机位，在当前机位安装相机；

2.4)针对当前机位进行图像采集区域复核，如果复核通过则跳转执行下一步；否则跳转执行步骤2.1)以重新确定相机的拍摄距离D；

2.5)对相机进行对焦及焦点锁定，焦点锁定后不再调动相机镜头上的变焦环和对焦环；

2.6)对取景器窗口进行封盖以屏蔽杂散光通过取景器进入相机内部干扰相机成像；

2.7)触发快门曝光，然后在相机开始拍摄后进行柔散补光；

2.8)在微弱光照环境下将相机快门一直保持开启状态，使得物体表面反射的光线会不断在成像元件上进行累积，在快门开启时间指定的曝光时间后，获得在低照度环境下获得明亮清晰的成像；

2.9)判断是否所有机位拍照完毕，如果尚未拍完则跳转执行步骤2.3)；否则跳转执行步骤3)。

隧道内进行拍摄时光照极低，无法通过取景器观察到可拍摄的画面范围，相机距离掌子面过近容易使图像采集不完整，过远易使图像采集不清晰，如图5(a)所示；相机视场距离掌子面应以刚好覆盖掌子面为宜，如图5(b)所示。

为缩短准备时间，预先确定满足视场全覆盖的拍摄距离，需在洞外对相机镜头拍摄的范围进行测量，确定视场宽度和拍摄距离的关系，这个过程即为相机视场标定。图6给出了相机及对应镜头的视场标定过程及结果。本实施例中，步骤2.1)进行相机视场标定以确定最小的拍摄距离D_min的详细步骤包括：

2.1.1)在墙上沿水平方向固定卷尺，架设相机于三脚架上并使其水平，相机视线垂直于墙面，如图6(a)所示；将相机镜头拉至最短焦距(18mm)，开至最大光圈(F3.5)，拍摄一张照片，测量并记录相机焦平面距墙面距离，如图6(b)和图6(c)所示，改变相机至墙面距离，反复按此程序拍摄多次(至少3次)；

2.1.2)在数据处理时，放大照片找到每张照片画幅两端尺面刻度差即为实测视场宽度B，可得到至少三组拍摄距离D与视场宽度B的数据；

2.1.3)采用最小二乘法拟合出最优直线，获得视场宽度B和拍摄距离D的直线方程；

2.1.4)根据相机成像的高宽比确定视场高度H与拍摄距离D的直线方程；

2.1.5)将掌子面的最大宽度代入视场宽度B和拍摄距离D的直线方程得到第一拍摄距离D_B，将掌子面的最大高度代入视场高度H与拍摄距离D的直线方程得到第二拍摄距离D_H；从第一拍摄距离D_B、第二拍摄距离D_H两者中选较大者作为最小的拍摄距离D_min。

本实施例中采用最小二乘法拟合出最优直线，获得视场宽度B和拍摄距离D的直线方程如图6(d)所示。由标定方程知，相机距离掌子面距离D(mm)与相机视场宽度B(mm) 关系为：B＝1.2773·D_B-90.121，若相机成像的高宽比为2:3，则视场高度H与D的关系为： H＝2B/3＝0.8515·D_H-60.081。若掌子面最大宽度B＝8m，H＝6m按上述标定方程可知D_B＝6.3m，D_H＝7.1m，最小的拍摄距离D_min取D_B与D_H的大值(7.1m)，即相机距离掌子面约需7.1m，故拍摄时将相机架设于掌子面后方7.5米处即可。

如图7所示，本实施例步骤2.2)确定相机的所有机位，相机的所有机位包括中央机位、左侧方机位、右侧方机位至少三个连续机位，必要时可自行增加机位补摄。每次布置应调整相机朝向，使各机位拍摄的图像能完全覆盖掌子面。

长曝光拍摄过程中需保证绝对稳定，拍摄过程中的颤动会引起模糊。本实施例中，步骤 2.3)中在当前机位安装相机时还包括采用三脚架以保证相机在空间位置的固定。此外，步骤 2.3)中在当前机位安装相机时还包括采用遥控器触发快门避免人工操作相机带来的震动引起成像模糊。

本实施例中相机具体采用佳能EOS-500D相机，以佳能EOS-500D相机参数设置为例，安装就位后曝光参数设定如下(其他相机参数设置类似)：

将相机快门调整为BULB模式；焦距调整为最小(本例为18mm)；光圈设置为最大(本例为F3.5)；感光度ISO设定为3200为宜(APS-C画幅单反相机以3200为宜，中画幅相机可调整至6400，全画幅单反相机可调整至12800)，白平衡设置为自动模式(AWB)，对焦方式预设为人工智能伺服对焦模式(AI SERVO)。

隧道内光照极低，无法通过相机取景器直接观察拍摄区域。为避免拍摄区域偏移导致掌子面图像采集不完整，在拍摄前需进行步骤2.4)的图像采集区域复核。

本实施例中，步骤2.4)针对当前机位进行图像采集区域复核的步骤包括：

(1)复核掌子面左右区域是否进入相机视场：参见图8，采用聚光手电照射掌子面左侧边界位置使得掌子面会出现光斑，通过取景器可观察光斑位置，若光斑未出现在取景器中，微调云台，相机水平旋转直至光斑进入取景器为止；采用聚光手电照射掌子面右侧边界位置使得掌子面会出现光斑，通过取景器可观察光斑位置，若光斑未出现在取景器中，微调云台，相机水平旋转直至光斑进入取景器为止；

(2)复核掌子面上下区域是否进入相机视场：参见图9，采用聚光手电照射掌子面上侧边界位置，通过取景器观察光斑位置,若光斑未出现在取景器中，微调云台相机垂直旋转，直至光斑进入取景器为止；采用聚光手电照射掌子面下侧边界位置，通过取景器观察光斑位置, 若光斑未出现在取景器中，微调云台相机垂直旋转，直至光斑进入取景器为止。

单反相机对焦过程有以下特点：①.自动对焦模式(AF)下，相机先执行对焦程序，未完成对焦无法触发快门进行拍摄。②.手动对焦模式(MF)下，在基于当前的相机焦点设置下，无论对焦成功与否，均可直接触发快门。隧道中光照不足，自动对焦无法正常工作；手动对焦无法通过肉眼判断对焦情况，对焦不准将导致拍摄画面模糊，采集图像无法用于数据后处理，因此本实施例中，步骤2.5)对相机进行对焦及焦点锁定时，需采用特定方法进行对焦，具体如下：①在前述预设的人工智能伺服对焦模式(AI SERVO)下，确认相机镜头上的对焦模式按钮处于到AF(自动对焦)模式状态，如图10左图所示。②将聚光手电照射于掌子面，使光斑覆盖使相机取景器内可见的9个对焦点(图10右图中的白色方框)之一，半按快门对焦，当相机对焦点指示灯变为红色、合焦指示灯变为绿色(见图10右图中箭头标示)时，对焦完成。③.松开相机快门，将镜头上的对焦模式按钮切换到MF(手动对焦)模式，如图10 左图所示，即完成对焦和焦点锁定。焦点锁定后不要再调动相机镜头上的变焦环和对焦环，防止焦点变化引起前期锁定焦点变动而导致图像失焦模糊。

由于相机取景器是通过内置眼平五棱镜从反光板处反射至人眼来观察镜头取景情况(如图11左示)。单反相机在长曝光拍摄时，反光板抬起(如图11右示)。拍摄时，眼平五棱镜与传感器之间虽有反光板阻隔，但无法做到完全密封，外部杂散光(拍摄环境虽较暗，但长曝光对光线极为敏感，且曝光时屏幕一直开启无法关闭，其将成为主要的杂散光源)仍可通过二者间隙反射至传感器上(如图11右示)，对拍摄图像造成干扰，该情况在长曝光拍摄中表现尤为明显。因此在相机快门触发前，需对取景器窗口进行封盖，以屏蔽杂散光通过取景器进入相机内部，干扰相机成像。本实施例中步骤2.6)对取景器窗口进行封盖以屏蔽杂散光通过取景器进入相机内部干扰相机成像时，取景器封盖可自行量取取景器窗口尺寸，采用橡皮切割制作，简单实用。

本实施例步骤2.7)触发快门曝光的步骤包括：①.将遥控器发射器上拍摄模式按钮切换至BULB状态。②.曝光时间估算。隧道内为极端光照条件，相机内置测光系统无法计算正确的曝光时间。而根据目视环境照度和曝光表确定曝光时间，不仅依赖经验且费时，故本实施例方法采用摄影测光表计算曝光时间。按相机的光圈和感光设置好测光表，其可根据当前环境光照快速计算出正确的曝光时间。③.远离相机，按下遥控器的快门触发按钮。相机进入长曝光拍摄状态后，其屏幕右下角会显示已曝光时间。当相机屏幕上的时间达到测光表计算的曝光时间时，按下遥控器快门键，停止曝光。

隧道开挖完成后，洞身表面凹凸不平，长曝光只能清晰记录受光面细节，在背光面会出现明显的投射阴影。阴影区细节缺失，数字表面模型会出现破面孔洞，信息记录不全。采用可变焦手电广角端对围岩进行柔散补光，可解决受光面不均匀，存在阴影区的问题。本实施例中，步骤2.7)进行柔散补光具体是指采用可变焦手电广角端对围岩进行柔散补光，且将手电光束调为大半径光圈、亮度低，使得受光面照射均匀。可变焦手电特点在于可调整投射光斑的聚散：当进行对焦作业时，将手电光束调为小半径光斑，亮度高，照射点集中(如图12 左示)；当进行柔散补光作业时将手电光束调为大半径光圈，亮度低，受光面照射均匀(如图12右示)。柔散补光在相机开始拍摄后进行。先将手电灯头置于广角端，将灯头亮度调至最低，打开手电，手持电朝上并面向洞口方向，根据测光表估算的曝光时间，在曝光时间内快速均匀扫略洞身面，使洞身围岩背光面均匀受光(在补光过程中，任何时候都不得将手电朝向相机镜头)，补光效果对比如图13示。

本实施例按上述照片采集方法，每隔一定循环进尺采集一次图像，每次采集图像张数约 5～6张。考虑成像质量，每次采集的图像在保证模型精度前提下，可生成有效模型10米，按常规全断面循环进尺2.5～3米控制，最多3～4个循环进尺采集一次断面，必要时进行加密。

本实施例中，步骤3)的详细步骤包括：

3.1)将不同角度、高分辨率、携带岩层纹理的洞身图像输入摄影测量与实景建模软件，生产并输出通用型点云模型；本实施例摄影测量与实景建模软件具体采用AgisoftPhotoScan 软件对采集的原始图像进行处理，生产并输出通用型点云模型(LAS数据交换格式)，以供点云加工和数据分析，如图14所示。

3.2)针对所述通用型点云模型采用固定点位坐标校核和随机点位视觉校核两种方式结合完成模型精度校核；

3.3)对完成模型精度校核后的通用型点云模型进行曲面生成、断面测量、方量测量，解决洞身几何测量问题；

3.4)对完成模型精度校核后的通用型点云模型进行地质模型分析解决地质分布问题。

本实施例中，步骤3.2)采用固定点位坐标校核和随机点位视觉校核两种方式结合完成模型精度校核的步骤包括：

3.2.1)对于图像中标记的具有测定坐标的点位进行校核考察其偏差，且在前期像控刺点时只刺点不输入其坐标，数据处理完成后，会得出这一类点的计算坐标，对照计算坐标和实测坐标差值，评估通用型点云模型的精度；该校核方法目的在于对关键部位进行误差定量评估。由图15示，现场共布设①～⑦号点，并均采集坐标，其中①、④、⑤号点在刺点时录入实测坐标用以矫正坐标系；②、③、⑥、⑦号点只在照片上刺点，不录入坐标，模型生成后其会计算出模型上的坐标值，将其和实测坐标比对，可得到模型上指定点与该点实际位置的误差，计算结果如图16和表1示。

表1模型与实测的固定点位坐标误差对照表。

由表1可知，模型在设置坐标的像控点(①、④、⑤号点)上的误差最大值为9mm，其来源于刺点时识别偏差。采用校核点来评估模型精度结果为：模型在校核点(②、③、⑥、⑦号点)上的误差最大为53mm。

3.2.2)预先在像控点测量完成后在洞身表面随机测量若干点位坐标，待通用型点云模型计算完成后，将这些点位展绘到通用型点云模型中，观察实测点位与通用型点云模型的表面附着情况是否存在表面脱离情况，以考察误差分布的均匀度和是否存在粗大误差。该校核方法目的在于对模型整体精度进行视觉评估。图17中，现场随机测点为图中圆球为按现场实测坐标展绘；灰色为本实施例方法生成的表面模型，展绘点全部位于模型曲面上(半嵌入曲面中)，无明显测点脱离模型表面情况，说明模型整体偏差分布较为均匀。

本实施例步骤3.3)对完成模型精度校核后的通用型点云模型进行曲面生成、断面测量、方量测量解决洞身几何测量问题主要包括：

3.3.1)断面测量：

本实施例中利用Geomagic Studio软件生成的曲面模型，导入对照标准开挖断面模型，可获取实际开挖轮廓的超前挖分布云图，如图18所示(为便于显示，本例截取了洞身测量成果的任意一段，段落长度632mm，作为示意)，洞身开挖轮廓上的不同颜色代表了不同的超欠挖值，从图中右下角统计表可知，最大超挖量227mm(出现在拱顶)；最大欠挖量580mm(因仰拱未开挖故出现在仰拱)，为洞身整体超欠挖情况提供了直观准确的参考。利用Geomagic Studio软件生成的曲面模型，可任意指定断面位置截取洞身断面并导出可编辑的 CAD图形，如图19示。

3.3.2)方量测量：

本实施例中利用Geomagic Studio软件生成的洞身曲面模型，对照导入标准二次衬砌断面模型，可获取实际衬砌厚度分布云图，如图20示。原设计二次衬砌厚度300mm，测量段落的设计浇筑方量3.56m³/m×0.632m＝2.25m³。实测最大衬砌厚度500mm(出现在拱顶)，最小衬砌厚度-289mm(因仰拱未开挖故出现在仰拱)，统计显示测量段落内的二次衬砌线性平均厚度260mm，按设计二次衬砌轮廓外扩260mm可计算得测量段落浇筑方量3.05m³/m×0.632m＝1.93m³。

3.3.3)洞身地质属性测量：

本实施例中采用AutoCAD Civil 3D软件进行地质模型处理分析，解决地质分布问题，主要分为以下几个方面：

①爆破参数核查

基于Agisoft PhotoScan软件的点云模型对照片进行透视和倾斜修正后可得到可度量的掌子面正射投影。由于高分辨率相机清晰记录了掌子面炮孔布设位置，因此在后期可快速准确度量出当时炮眼布设数量和位置，掌子面正射影像炮眼布置如图21示，基于该图像的周边炮眼参数分析如表2示。

表2：实测周边眼参数分析表。

从图21及表2知，炮眼平均间距569mm，变异系数0.466，变异系数偏大(周边眼间距变异系数以不超过0.3为宜)，炮眼间距分布均匀性欠佳。掌握了真实、定量的爆破参数，结合围岩情况，可准确的对下一循环钻爆施工参数进行调整。

②地质核查及产状推定

利用Agisoft PhotoScan软件生产的掌子面正射影像，可对掌子面节理分布进行展绘和产状推定。掌子面节理信息记录于点云模型中，点云模型中的每一个点都携带坐标信息、对象颜色信息，因此模型所得的掌子面正射影像不仅包含了节理常规的平面信息(如颜色、与洞身位置关系)，亦包含了节理的空间位置信息(如节理产状)，其可极为方便地推定掌子面前方地质信息。正射影像记录的掌子面节理信息如图22所示，空间地质模型及测算的节理产状如图23示。与常规的节理面不同，本实施例方法是逐个断面进行扫描而得到节理面分布，因此其为曲面，具备更多细节特征，可以直观准确地推定地层起伏情况。根据节理空间分布亦可得到掌子面节理的赤平极射投影分布，如图24所示。

如图25所示，本实施例方法应用于隧道掘进施工时，掘进施工的基本步骤包括：

S1)采用本实施例方法的步骤1)在掌子面钻孔放样时标记像控点并测量坐标；

S2)爆破前的开挖台架撤出；

S3)采用本实施例方法的步骤2)通过长曝光摄影采集低照度环境下不同角度、高分辨率、携带岩层纹理的洞身图像；

S4)一方面进行洞内爆破、出碴、支护作业；另一方面，采用本实施例方法的步骤3)通过识别多张洞身图像上特征点，以多像空间前方交会法为基础计算特征点空间坐标并展点形成网格表面模型，从而得到携带地层信息、洞身轮廓表面起伏的数字表面模型，完成围岩纹理渲染，然后基于前述数字表面模型分析爆破后的洞身轮廓，并基于纹理模型复核地址情况及爆破参数，建立本轮循环揭露岩层地层信息点；并可根据需要爆破参数调整、欠挖处理、衬砌方量统计；

S5)与前一轮循环地层信息点比对，推断下一循环地层特征，执行步骤S3)；直至隧道掘进完成，最终可建立全隧道地层分布信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法，其特征在于实施步骤包括：

1)在掌子面钻孔放样时标记像控点并测量坐标；

2)通过长曝光摄影采集低照度环境下不同角度、携带岩层纹理的洞身图像；

3)针对不同角度、携带岩层纹理的洞身图像，通过识别多张洞身图像上特征点，以多像空间前方交会法为基础计算特征点空间坐标并展点形成网格表面模型，从而得到携带地层信息、洞身轮廓表面起伏的数字表面模型。

2.根据权利要求1所述的长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法，其特征在于，步骤1)中在掌子面钻孔放样时标记像控点并测量坐标时还包括标记备用点、校核点，且所述像控点、备用点、校核点分别分布在掌子面范围且不共线，像控点的数量不少于3个，备用点用于在像控点点位丢失时作为备用，所述复核点用于校核成果精度和测站接驳。

3.根据权利要求1所述的长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法，其特征在于，步骤2)的详细步骤包括：

2.1)进行相机视场标定以确定最小的拍摄距离D_min，确定相机的拍摄距离D大于最小的拍摄距离D_min；

2.2)确定相机的所有机位，所述相机的所有机位包括中央机位、左侧方机位、右侧方机位至少三个连续机位；

2.3)选择一个机位作为当前机位，在当前机位安装相机；

2.4)针对当前机位进行图像采集区域复核，如果复核通过则跳转执行下一步；否则跳转执行步骤2.1)以重新确定相机的拍摄距离D；

2.5)对相机进行对焦及焦点锁定，焦点锁定后不再调动相机镜头上的变焦环和对焦环；

2.6)对取景器窗口进行封盖以屏蔽杂散光通过取景器进入相机内部干扰相机成像；

2.7)触发快门曝光，然后在相机开始拍摄后进行柔散补光；

2.8)在微弱光照环境下将相机快门一直保持开启状态，使得物体表面反射的光线会不断在成像元件上进行累积，在快门开启时间指定的曝光时间后，获得在低照度环境下获得明亮清晰的成像；

2.9)判断是否所有机位拍照完毕，如果尚未拍完则跳转执行步骤2.3)；否则跳转执行步骤3)。

4.根据权利要求3所述的长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法，其特征在于，步骤2.3)中在当前机位安装相机时还包括采用三脚架以保证相机在空间位置的固定。

5.根据权利要求3所述的长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法，其特征在于，步骤2.3)中在当前机位安装相机时还包括采用遥控器触发快门避免人工操作相机带来的震动引起成像模糊。

6.根据权利要求3所述的长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法，其特征在于，步骤2.1)进行相机视场标定以确定最小的拍摄距离D_min的详细步骤包括：

2.1.1)在墙上沿水平方向固定卷尺，架设相机于三脚架上并使其水平，相机视线垂直于墙面；将相机镜头拉至最短焦距、开至最大光圈，拍摄一张照片，测量并记录相机焦平面距墙面距离，改变相机至墙面距离，反复按此程序拍摄多次；

2.1.2)在数据处理时，放大照片找到每张照片画幅两端尺面刻度差即为实测视场宽度B，可得到至少三组拍摄距离D与视场宽度B的数据；

2.1.3)采用最小二乘法拟合出最优直线，获得视场宽度B和拍摄距离D的直线方程；

2.1.4)根据相机成像的高宽比确定视场高度H与拍摄距离D的直线方程；

2.1.5)将掌子面的最大宽度代入视场宽度B和拍摄距离D的直线方程得到第一拍摄距离D_B，将掌子面的最大高度代入视场高度H与拍摄距离D的直线方程得到第二拍摄距离D_H；从第一拍摄距离D_B、第二拍摄距离D_H两者中选较大者作为最小的拍摄距离D_min。

7.根据权利要求3所述的长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法，其特征在于，步骤2.4)针对当前机位进行图像采集区域复核的步骤包括：(1)复核掌子面左右区域是否进入相机视场：采用聚光手电照射掌子面左侧边界位置使得掌子面会出现光斑，通过取景器可观察光斑位置，若光斑未出现在取景器中，微调云台，相机水平旋转直至光斑进入取景器为止；采用聚光手电照射掌子面右侧边界位置使得掌子面会出现光斑，通过取景器可观察光斑位置，若光斑未出现在取景器中，微调云台，相机水平旋转直至光斑进入取景器为止；(2)复核掌子面上下区域是否进入相机视场：采用聚光手电照射掌子面上侧边界位置，通过取景器观察光斑位置,若光斑未出现在取景器中，微调云台相机垂直旋转，直至光斑进入取景器为止；采用聚光手电照射掌子面下侧边界位置，通过取景器观察光斑位置,若光斑未出现在取景器中，微调云台相机垂直旋转，直至光斑进入取景器为止。

8.根据权利要求3所述的长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法，其特征在于，步骤2.7)进行柔散补光具体是指采用可变焦手电广角端对围岩进行柔散补光，且将手电光束调为大半径光圈、亮度低，使得受光面照射均匀。

9.根据权利要求1所述的长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法，其特征在于，步骤3)的详细步骤包括：

3.1)将不同角度、携带岩层纹理的洞身图像输入摄影测量与实景建模软件，生产并输出通用型点云模型；

3.2)针对所述通用型点云模型采用固定点位坐标校核和随机点位视觉校核两种方式结合完成模型精度校核；

3.3)对完成模型精度校核后的通用型点云模型进行曲面生成、断面测量、方量测量，解决洞身几何测量问题；

3.4)对完成模型精度校核后的通用型点云模型进行地质模型分析解决地质分布问题。

10.根据权利要求9所述的长曝光倾斜摄影隧道全息测量方法，其特征在于，步骤3.2)采用固定点位坐标校核和随机点位视觉校核两种方式结合完成模型精度校核的步骤包括：

3.2.1)对于图像中标记的具有测定坐标的点位进行校核考察其偏差，且在前期像控刺点时只刺点不输入其坐标，数据处理完成后，会得出这一类点的计算坐标，对照计算坐标和实测坐标差值，评估通用型点云模型的精度；

3.2.2)预先在像控点测量完成后在洞身表面随机测量若干点位坐标，待通用型点云模型计算完成后，将这些点位展绘到通用型点云模型中，观察实测点位与通用型点云模型的表面附着情况是否存在表面脱离情况，以考察误差分布的均匀度和是否存在粗大误差。

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