CN112132793A - 基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定方法及系统 - Google Patents

基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定方法及系统 Download PDF

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范宏运
张西斌
李术才
李利平
王飞
周宗青
秦承帅
张延欢
李尚安
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Abstract

本申请实施例公开了基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定方法及系统，获取隧道开挖不同进度下，隧道掌子面的若干幅图像；在每一幅掌子面图像上，随机选择两个计算点；计算所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标；根据所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标，确定岩体结构面的三维空间方程；根据三维空间方程，得到岩体结构面的产状参数和几何参数；根据产状参数和几何参数，确定隧道目标岩体的稳定性。

Description

基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定方法及系统
技术领域
本申请涉及岩体稳定性监测技术领域，特别是涉及基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本申请相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
我国山区面积占国土总面积的70％，且岩溶地区、沉积岩分布广泛，地形、地貌及地质条件复杂，地质勘查工作面临巨大技术挑战。其中，隧道围岩遭遇大量非连续地质界面切割形成非稳定岩块结构，加之隧道开挖形成临空面，进一步破坏了围岩体原有的平衡状态，威胁隧道施工人员安全。
发明人发现，目前，针对隧道岩体结构面信息获取主要采用人工素描、地质罗盘、摄影测量、激光扫描等装备，存在信息获取过程繁琐、信息准确度低等问题，难以满足实际隧道施工需求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本申请提供了基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定方法及系统；
第一方面，本申请提供了基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定方法；
基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定方法，包括：
获取隧道开挖不同进度下，隧道掌子面的若干幅图像；
在每一幅掌子面图像上，随机选择两个计算点；计算所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标；
根据所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标，确定岩体结构面的三维空间方程；
根据三维空间方程，得到岩体结构面的产状参数和几何参数；
根据产状参数和几何参数，确定隧道目标岩体的稳定性。
第二方面，本申请提供了基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定系统；
基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定系统，包括：
获取模块，其被配置为：获取隧道开挖不同进度下，隧道掌子面的若干幅图像；
大地坐标计算模块，其被配置为：在每一幅掌子面图像上，随机选择两个计算点；计算所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标；
三维空间方程构建模块，其被配置为：根据所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标，确定岩体结构面的三维空间方程；
参数获取模块，其被配置为：根据三维空间方程，得到岩体结构面的产状参数和几何参数；
稳定性确定模块，其被配置为：根据产状参数和几何参数，确定隧道目标岩体的稳定性。
第三方面，本申请还提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器、一个或多个存储器、以及一个或多个计算机程序；其中，处理器与存储器连接，上述一个或多个计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，该处理器执行该存储器存储的一个或多个计算机程序，以使电子设备执行上述第一方面所述的方法。
第四方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。
第五方面，本申请还提供了一种计算机程序(产品)，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行的时候用于实现前述第一方面任意一项的方法。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：
1、本申请实施例研究了隧道表征岩体结构面几何参数确定方法，解决了隧道岩体结构面几何参数获取效率低下、精度较差等问题。采用数字图像获取隧道表征岩体结构面几何参数，与前人研究相比，更符合隧道施工现场结构面参数快速、安全获取的需求，所得到的表征岩体结构面信息精度更高，适用范围更广。
2、提供一种操作简便、信息准确，可满足实际隧道工程施工需求，实现快速、安全、准确获取隧道表征岩体结构面几何参数信息，有利于实际隧道工程安全施工的基于数字图像的隧道表征岩体结构面几何参数确定方法。
3、能快速、安全获取隧道表征岩体结构面几何参数信息；
4、隧道表征岩体结构面几何参数信息获取过程耗时短，满足现场实际施工需求，保证了隧道施工进度；
6、隧道表征岩体结构面几何参数信息获取过程中仅数字图像采集及固定点大地坐标确定需人工现场采集，保障了工作人员安全；
7、所获取结构面几何参数信息准确，为隧道安全施工提供了技术保障。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本申请实施例一的结构示意图；其中，PIC1、PIC2、PIC3为掌子面岩体数字图像；P1、P2···P6为岩体结构面控制点坐标；P01、P02为数字图像的固定点；
Figure BDA0002675940050000041
是岩体结构面的直径；
Figure BDA0002675940050000042
是岩体结构面的走向；α是岩体结构面的倾角；β是岩体结构面的倾向；
图2是本申请实施例一的岩体结构面的产状参数和几何参数获取示意图；
图3是本申请实施例一的方法流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本申请实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例提供了基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定方法；
如图1和图3所示，基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定方法，包括：
S101：获取隧道开挖不同进度下，隧道掌子面的若干幅图像；
S102：在每一幅掌子面图像上，随机选择两个计算点；计算所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标；
S103：根据所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标，确定岩体结构面的三维空间方程；
S104：根据三维空间方程，得到岩体结构面的产状参数和几何参数；
S105：根据产状参数和几何参数，确定隧道目标岩体的稳定性。
作为一个或多个实施例，所述S101：获取隧道开挖不同进度下，隧道掌子面的若干幅图像；具体步骤包括：
在隧道掌子面随机选择第一固定点和第二固定点；在隧道掌子面每开挖一次后，就拍摄一幅隧道掌子面图像；隧道开挖若干次，就得到若干幅掌子面图像；每一张掌子面图像上均含有第一固定点和第二固定点。
作为一个或多个实施例，所述S101，还包括：获取第一固定点和第二固定点的大地坐标；
进一步地，所述获取第一固定点和第二固定点的大地坐标，是通过全站仪来获取。
作为一个或多个实施例，所述S102：在每一幅掌子面图像上，随机选择两个计算点；计算所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标；具体步骤包括：
根据第一固定点和第二固定点的大地坐标，计算每一幅掌子面图像上随机选择的两个计算点的大地坐标；进而得到所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标。
进一步地，根据第一固定点和第二固定点的大地坐标，计算每一幅掌子面图像上随机选择的两个计算点的大地坐标；具体步骤包括：
根据第一固定点的大地坐标、第二固定点的大地坐标、每一幅掌子面图像上第一计算点与第一固定点之间的位置关系、每一幅掌子面图像上第二计算点与第二固定点之间的位置关系，计算每一幅掌子面图像上随机选择的两个计算点的大地坐标。
作为一个或多个实施例，所述S103：根据所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标，确定岩体结构面的三维空间方程；是根据所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标，采用平面拟合的方式，确定岩体结构面的三维空间方程。
作为一个或多个实施例，所述S104：根据三维空间方程，得到岩体结构面的产状参数和几何参数；是根据三维空间方程，隧道目标岩体已知固定点的大地坐标和隧道的走向，得到岩体结构面的产状参数和几何参数；
所述隧道，为被开挖两次或两次以上的隧道；
所述获取隧道开挖不同进度下，隧道掌子面的若干幅图像；是采用数码摄像装备进行获取。
示例性的，岩体结构面提取。依据所获取隧道表征岩体数字图像，提取单一数字图像上的结构面，并确定结构面上的两点大地坐标，即P1(X1,Y1,Z1)、P2(X2,Y2,Z2)。同理，可在其他数字图像上获取该结构面的其他点大地坐标，即P3(X3,Y3,Z3)···Pn(Xn,Yn,Zn)。
作为一个或多个实施例，如图2所示，所述S104：根据三维空间方程，得到岩体结构面的产状参数和几何参数；具体步骤包括：
根据传统的岩体结构面几何模型，确定岩体结构面为圆盘状，依据所获得的岩体结构面上点的坐标，即P1(X1,Y1,Z1)、P2(X2,Y2,Z2)、P3(X3,Y3,Z3)···Pn(Xn,Yn,Zn)，可以拟合出岩体结构面的最小圆盘方程，进一步确定圆盘结构面在大地坐标系下的空间位置，通过计算即可确定岩体结构面的直径、走向、倾向及倾角数据，如附图2所示，图中
Figure BDA0002675940050000071
是岩体结构面的直径、
Figure BDA0002675940050000072
是岩体结构面的走向、α是岩体结构面的倾角、β是岩体结构面的倾向。计算过程如下：
圆盘结构面方程：
Figure BDA0002675940050000073
其中，r为圆盘结构面的直径
Figure BDA0002675940050000074
则水平面的方程为：z＝c1
求取A、B点的坐标，联立方程组：
Figure BDA0002675940050000075
求得A(xa,ya,c1)、B(xb,yb,c1)。
进一步确定圆盘结构面走向
Figure BDA0002675940050000076
Figure BDA0002675940050000077
假定E点坐标为E(xe,ye,ze)(ze＜c1)，E点满足AB⊥CE，即
Figure BDA0002675940050000078
则：
Figure BDA0002675940050000079
求解上述方程组，即可得到E(xe,ye,ze)，则D点坐标为D(xe,ye,c1)。
因此，倾向α：
Figure BDA00026759400500000710
倾角β：
Figure BDA0002675940050000081
示例性的，所述产状参数，包括：结构面的倾角、结构面的倾向、结构面的走向。
示例性的，所述几何参数，包括：结构面的直径。
作为一个或多个实施例，所述S105：根据产状参数和几何参数，确定隧道目标岩体的稳定性；具体步骤包括：
依据数字图像获取的岩体结构面产状及几何参数，采用赤平投影分析方法，绘制隧道掌子面岩体结构面全空间赤平投影图，视隧道顶部为近似的水平面，分析岩体结构面的投影线与赤平圆的位置关系，确定隧道目标岩体的稳定性。
本申请实施例研究了基于数字图像的隧道表征岩体结构面几何参数确定方法，解决了隧道岩体结构面几何参数获取效率低下、精度较差等问题。采用数字图像获取隧道表征岩体结构面几何参数，与前人研究相比，更符合隧道施工现场结构面参数快速、安全获取的需求，所得到的表征岩体结构面信息精度更高，适用范围更广。
实施例二
本实施例提供了基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定系统；
基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定系统，包括：
获取模块，其被配置为：获取隧道开挖不同进度下，隧道掌子面的若干幅图像；
大地坐标计算模块，其被配置为：在每一幅掌子面图像上，随机选择两个计算点；计算所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标；
三维空间方程构建模块，其被配置为：根据所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标，确定岩体结构面的三维空间方程；
参数获取模块，其被配置为：根据三维空间方程，得到岩体结构面的产状参数和几何参数；
稳定性确定模块，其被配置为：根据产状参数和几何参数，确定隧道目标岩体的稳定性。
此处需要说明的是，上述获取模块、大地坐标计算模块、三维空间方程构建模块、参数获取模块和稳定性确定模块对应于实施例一中的步骤S101至S105；上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
上述实施例中对各个实施例的描述各有侧重，某个实施例中没有详述的部分可以参见其他实施例的相关描述。
所提出的系统，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如上述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时，可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合或者可以集成到另外一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
实施例三
本实施例还提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器、一个或多个存储器、以及一个或多个计算机程序；其中，处理器与存储器连接，上述一个或多个计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，该处理器执行该存储器存储的一个或多个计算机程序，以使电子设备执行上述实施例一所述的方法。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
实施例一中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
实施例四
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例一所述的方法。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定方法，其特征是，包括：
获取隧道开挖不同进度下，隧道掌子面的若干幅图像；
在每一幅掌子面图像上，随机选择两个计算点；计算所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标；
根据所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标，确定岩体结构面的三维空间方程；
根据三维空间方程，得到岩体结构面的产状参数和几何参数；
根据产状参数和几何参数，确定隧道目标岩体的稳定性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，获取隧道开挖不同进度下，隧道掌子面的若干幅图像；具体步骤包括：
在隧道掌子面随机选择第一固定点和第二固定点；在隧道掌子面每开挖一次后，就拍摄一幅隧道掌子面图像；隧道开挖若干次，就得到若干幅掌子面图像；每一张掌子面图像上均含有第一固定点和第二固定点。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是，还包括：获取第一固定点和第二固定点的大地坐标；所述获取第一固定点和第二固定点的大地坐标，是通过全站仪来获取；
或者，
在每一幅掌子面图像上，随机选择两个计算点；计算所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标；具体步骤包括：
根据第一固定点和第二固定点的大地坐标，计算每一幅掌子面图像上随机选择的两个计算点的大地坐标；进而得到所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标。
4.如权利要求3所述的方法，其特征是，根据第一固定点和第二固定点的大地坐标，计算每一幅掌子面图像上随机选择的两个计算点的大地坐标；具体步骤包括：
根据第一固定点的大地坐标、第二固定点的大地坐标、每一幅掌子面图像上第一计算点与第一固定点之间的位置关系、每一幅掌子面图像上第二计算点与第二固定点之间的位置关系，计算每一幅掌子面图像上随机选择的两个计算点的大地坐标。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是，根据所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标，确定岩体结构面的三维空间方程；是根据所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标，采用平面拟合的方式，确定岩体结构面的三维空间方程。
6.如权利要求1所述的方法，其特征是，根据三维空间方程，得到岩体结构面的产状参数和几何参数；是根据三维空间方程，隧道目标岩体已知固定点的大地坐标和隧道的走向，得到岩体结构面的产状参数和几何参数。
7.如权利要求1所述的方法，其特征是，根据产状参数和几何参数，确定隧道目标岩体的稳定性；具体步骤包括：
依据数字图像获取的岩体结构面产状及几何参数，采用赤平投影分析方法，绘制隧道掌子面岩体结构面全空间赤平投影图，视隧道顶部为近似的水平面，分析岩体结构面的投影线与赤平圆的位置关系，确定隧道目标岩体的稳定性。
8.基于数字图像的隧道表征岩体稳定性确定系统，其特征是，包括：
获取模块，其被配置为：获取隧道开挖不同进度下，隧道掌子面的若干幅图像；
大地坐标计算模块，其被配置为：在每一幅掌子面图像上，随机选择两个计算点；计算所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标；
三维空间方程构建模块，其被配置为：根据所有掌子面图像的所有计算点的大地坐标，确定岩体结构面的三维空间方程；
参数获取模块，其被配置为：根据三维空间方程，得到岩体结构面的产状参数和几何参数；
稳定性确定模块，其被配置为：根据产状参数和几何参数，确定隧道目标岩体的稳定性。
9.一种电子设备，其特征是，包括：一个或多个处理器、一个或多个存储器、以及一个或多个计算机程序；其中，处理器与存储器连接，上述一个或多个计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，该处理器执行该存储器存储的一个或多个计算机程序，以使电子设备执行上述权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征是，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。
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