新奥法施工隧道掌子面红外照相及图像处理

第27卷增1岩石力学与工程学报Vol.27Supp.12008年6月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJune，2008收稿日期：2008–01–25；修回日期：2008–04–23基金项目：国家自然科学基金资助项目(40672184)作者简介：周春霖(1981–)，男，2003年毕业于大连理工大学土木工程学院港口航道及近海工程专业，现为博士研究生，主要从事数字照相技术在土木工程中的应用等方面的研究工作。E-mail：[e-mail]新奥法施工隧道掌子面红外照相及图像处理周春霖，朱合华，李晓军(同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092)摘要：施工中岩石隧道掌子面附近光照条件较差，空气中粉尘含量较高。由于可见光波长远小于粉尘颗粒，无法穿透粉尘，靠可见光成像的传统照相技术难以得到清晰的掌子面照片。红外线波长接近粉尘直径，具有较强的穿透能力，因此红外照相技术能够透过一定粉尘、烟雾，并获得清晰的掌子面照片。将红外照相技术引入新奥法隧道掌子面照相中，通过理论分析和现场试验证明了该方法的可行性和优越性；分析了掌子面红外相片的特点，并针对其特点提出“去噪–均衡化–阈值分割”的图像处理步骤；采用霍夫变换对阈值分割所得图像进行线性特征识别，得出识别结果并通过比较证明其正确性。红外照相技术能获取新奥法施工岩石隧道清晰的掌子面照片，有一定工程指导意义。对所获照片图像处理过程克服了拍照过程中所引入噪声及照度不均引起的过曝、欠曝问题。图像线性特征识别是三维隧道地质状况数字重建的基础，并能给掌子面围岩分级提供重要参数。关键词：隧道工程；新奥法隧道；红外照相；图像处理；智能识别中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2008)增1–3166–07APPLICATIONOFINFRAREDPHOTOGRAPHYANDIMAGEPROCESSINGTOTUNNELCONSTRUCTIONWITHNEWAUSTRIANTUNNELINGMETHODZHOUChunlin，ZHUHehua，LIXiaojun(KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineering，MinistryofEducation，TongjiUniversity，Shanghai200092，China)Abstract：DigitalphotographytechniqueisanimportantmethodtoobtaininformationoftunnelfaceinconstructingrocktunnelconstructionwithnewAustriantunnelingmethod(NATM).TherearelotsofdustandfoginconstructingrocktunnelwithNATM，andtheilluminanceisalwaysinsufficientandunevensincethediameterofdustismuchlongerthanthewavelengthofvisiblelightwavebutclosetoinfrared.Accordingtotheprincipleofdiffraction，visiblelightcouldnotgothroughthedustbutinfraredrayscoulddo.Soitishardtotakeclearpicturesoftunnelfacewithclassicalphotographytechniquebutpossiblebyinfraredphotographytechniqueintunnelconstruction.Theapplicationofinfraredphotographytechnologytotakingpictureoftunnelfaceforconstructingrocktunnelisspecified.Thepossibilityandsuperiorityofthismethodareprovenbyanalyzingin-situexperiments；andthecharacteristicsofinfraredphotographsoftunnelfacearealsoanalyzedaimingatimageprocessingofdenoising-illuminanceequilibrium-thresholddivision.Intheimagerecognitionstep，theHoughtransformisusedtoidentifythelinearfeatureoftunnelfacepicture；andthevalidityofthismethodisprovenbycomparingtherecognizingresultwithmonitoringdata.ExperimentalresultsshowthatinfraredphotographyishelpfulforgettingcleartunnelfacephotographinrocktunnelconstructionwithNATM：theimageprocessing第27卷增1周春霖，等.新奥法施工隧道掌子面红外照相及图像处理•3167•overcomestheproblemsofimagenoise，theoverexposure，underexposureinthecircumstanceofpoorilluminance.Therecognitionoflinearfeatureisonthebasisof3Dnumeralreconstructionandcouldprovidesomecriticalparametersforrockmassesclassification.Keywords：tunnellingengineering；tunnelconstructionwithnewAustriantunnelingmethod(NATM)；infraredphotography；imageprocessing；intelligentrecognition1引言我国山区修筑的公路隧道多采用新奥地利隧道施工方法(以下简称新奥法)进行施工。在新奥法中，掌子面围岩情况是评价隧道围岩稳定性、确定隧道支护方案和施工工艺的重要依据之一[1]。掌子面照片作为施工隧道掌子面围岩的直观图像资料，是人们关注的焦点[2]。对掌子面照片的处理，前人已有一定研究：J.Scucka等[3]使用医用软件LUCIA对隧道掌子面围岩照片进行处理，取得较好的整体识别效果；S.S.Leu和S.L.Chang[4]在连续隧道掌子面图像识别的基础上使用三维分析与可视化软件SlicerDicer对隧道进行重建；F.Lemy等[5～7]对岩面节理裂隙图像进行详尽的分析和识别工作；M.Sagong等[8]尝试在现场使用PDA绘制、记录掌子面围岩状况，初步判别围岩分级，并通过本地无线网络连接服务器，将分级情况上传数据库；范留明和李宁[9]使用自编程序对野外实拍典型数字裂隙图像进行了解析。这些研究应用了各种软件和算法，但其基础均为清晰的岩石隧道掌子面照片。J.Scucka等[3～7]的研究中均采用野外裸露岩面照片模拟隧道掌子面照片进行处理；范留明和李宁[9]所用则为较模糊的照片，图像质量不足和光照不均等问题对图像解译造成了很大的困难。由此可见，清晰岩石隧道掌子面照片的获取是隧道掌子面图像处理中急待解决的瓶颈问题。本文针对清晰岩石隧道掌子面照片的获取问题提出了解决方案，通过理论分析和现场试验证明该方法的有效性；基于所获取照片，针对其特点进行图像处理和识别，并得出结论。2掌子面红外照相技术2.1理论分析新奥法施工过程中爆破、打风枪、喷射混凝土以及出渣等施工工序会产生大量粉尘，这些粉尘粒径[10]主要分布于0.1～10.0μm，许多粉尘由于粒径太小而不为肉眼所见。即使在施工停止，通风设施运行一段时间后，岩石隧道掌子面附近仍有许多肉眼不可见的粉尘。传统照相技术的原理是令物体反射的可见光于感光材料(胶片、数码相机感光元件(CCD))上成像。可见光波长范围为0.35～0.78μm，小于大部分粉尘粒径，在隧道掌子面拍照中无法穿透空气中浮尘，因此传统照相方法难以得到清晰的掌子面照片。红外线分为三部分，即近红外线(波长为0.78～3.00μm)、中红外线(波长为3.0～6.0μm)和远红外线(波长为6.0～l000.0μm)。与可见光相比，红外线具有更长的波长。根据电磁波的衍射原理可知，电磁波能够绕射通过与波长尺寸接近的障碍物，因此与粉尘粒径接近的红外线可以通过衍射穿透一些可见光无法穿透的灰尘、烟雾等障碍物。使用近红外线作为成像媒介的红外照相技术完全屏蔽可见光，而仅令所需拍摄物体反射及发射的近红外线于感光介质上成像，该技术消除了短波长可见光受小粒径障碍物的影响，在灰尘、烟雾较多的恶劣环境中能得到较传统拍照技术更清晰照片。N.H.Maerz和T.W.Palangio[11]利用近红外线对灰尘的穿透性将红外照相技术应用到隧道渣土拍摄分析中，证明了其可行性。2.2现场试验将红外拍照技术应用于施工中的新奥法岩石隧道掌子面拍摄中，作为清晰掌子面照片获取问题的一个解决方案，进行了一系列现场试验，与传统照相方法进行了以下两类比较：(1)与使用闪光灯的传统照相方法进行比较；(2)与不使用闪光灯的传统拍照方法进行比较。试验所用相机为SonyF828，所使用红外滤镜为780nm滤镜，该滤镜能完全滤除波长小于780nm的光波，而只令其他光波通过。由于没有可见光通过，该滤镜外观为黑色。2.2.1使用闪光灯的情况传统照相方法对中近距离物体进行拍摄时，若光线条件不好则需使用闪光灯。闪光灯所发出的光•3168•岩石力学与工程学报2008年线与自然界中的光线不同，自然光线是连续不断的，而闪光灯则是在曝光瞬间释放出强烈光线。在充满灰尘的环境中使用闪光灯，强光会瞬间照亮空气中肉眼不可见的灰尘，粗糙的灰尘表面对强光产生漫反射，形成许多点光源。由于需拍摄掌子面，相机物距设置较远(8m左右)，因此离相机镜头很近的点光源(灰尘微粒)会以放大若干倍的光斑形态出现在感光介质上，造成照片质量大幅度降低。图1所示为挖掘机对掌子面进行排险，该场景于现场能以肉眼看清(以传统拍照方法使用闪光灯进行拍摄)。由图1可知，照片上出现大量灰斑，严重污染图像，致使可用细节几乎完全无法得到。图1中圈出部分为严重灰斑污染区域。图1使用闪光灯的传统拍照方法所获取照片Fig.1Traditionalphotographyachievedwithflashinglight同样的场景，使用红外照相技术可以得到清晰的照片，如图2所示。照片整体偏暗，并有轻微噪声，但挖掘机排险场景清晰可见。照片偏暗的原因是场景中光照不足；噪声是在光线较暗的情况下相机感光度(ISO)设置较高，快门时间设置较长所造成；画面整体清晰的原因则主要是红外拍照技术不使用闪光灯，避免了强光下灰尘的漫反射。图2红外拍照方法所获取照片Fig.2Photoachievedwithinfraredphotography2.2.2不使用闪光灯的情况传统拍照方法若不使用闪光灯，则也能避免漫反射形成的灰斑。但在掌子面前灰尘较多时，不能避免灰尘的影响。图3为传统方法拍摄所得照片，在拍摄过程中没有使用闪光灯，以三脚架稳定相机，设置大光圈、长曝光时间进行拍摄，所得隧道掌子面整体较清晰。但由于受到灰尘的影响，放大图较模糊，难以满足后期图像处理工作要求。(a)全断面照片(b)局部放大图图3传统方法无法在大量浮尘条件下获取清晰照片Fig.3Clearpicturecouldnotbecapturedforclassicphotographywithlotso