基于數(shù)字圖像技術(shù)的巖體節(jié)理精細(xì)描述及應(yīng)用研究.pdf

1、數(shù)字照相和圖像處理技術(shù)是傳統(tǒng)膠片成像和近代光電技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，在1975年數(shù)碼相機(jī)誕生至今的三十余年間得到了飛速發(fā)展和普及，帶動(dòng)了機(jī)器視覺、自動(dòng)化、近景攝影測(cè)量等多個(gè)學(xué)科，形成了一套完整的學(xué)科體系，并以其高精度、低成本、自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)得到了越來越廣的應(yīng)用。 本文將該技術(shù)應(yīng)用到巖土工程中，主要研究了基于二維和三維數(shù)字圖像的巖體節(jié)理精細(xì)描述方法。
　　 首先對(duì)公路邊坡裸露巖體和新奧法巖石隧道開挖掌子面等大面積巖體面為例，分別根據(jù)拍攝對(duì)

2、象自身的特點(diǎn)選用相機(jī)、鏡頭、光源及其他輔助設(shè)備進(jìn)行拍攝，獲取具有一致性特征、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理的巖體面圖像。針對(duì)環(huán)境惡劣的在建新奧法巖石隧道掌子面拍攝困難的問題提出基于近紅外照相技術(shù)的圖像獲取方法，在惡劣的環(huán)境條件下成功的拍攝得到了清晰的掌子面照片。
　　 根據(jù)所獲圖像特征論述了與其相適應(yīng)的圖像預(yù)處理方法。根據(jù)識(shí)別目標(biāo)對(duì)圖像分辨率進(jìn)行調(diào)整；根據(jù)相機(jī)標(biāo)定所得內(nèi)部參數(shù)校正鏡頭畸變；使用輔助參照物校正拍攝過程中的射影畸變，并得到校正后

3、圖像與實(shí)物的變換比例；通過圖像平滑、灰度拉伸等算法對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理；對(duì)曝光不均勻圖像進(jìn)行均衡化處理。在預(yù)處理之后敘述了閾值分割、霍夫變換、線檢測(cè)、邊緣檢測(cè)等圖像分割方法的原理和應(yīng)用。
　　 對(duì)巖體節(jié)理和干擾項(xiàng)在圖像上的表現(xiàn)形式進(jìn)行分析，論述了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)理識(shí)別方法的必要性和可行性。分別使用線檢測(cè)和邊緣檢測(cè)方法對(duì)不同角度拍攝的巖體圖像進(jìn)行圖像分割，分析分割結(jié)果中節(jié)理與干擾項(xiàng)特征在灰度和彩色圖像空間中所表現(xiàn)出的差異，總結(jié)出1

4、4個(gè)線檢測(cè)圖像分割區(qū)間對(duì)應(yīng)參數(shù)或18個(gè)邊緣檢測(cè)圖像分割區(qū)間對(duì)應(yīng)參數(shù)。建立三層BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)人工指定樣本進(jìn)行訓(xùn)練，并通過訓(xùn)練所得網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)圖像分割結(jié)果進(jìn)行節(jié)理識(shí)別，達(dá)到90％以上的識(shí)別率。進(jìn)一步研究根據(jù)識(shí)別結(jié)果在圖像上對(duì)節(jié)理跡長、間距、張開度等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量的方法。
　　 針對(duì)二維圖像上無法獲取巖體節(jié)理產(chǎn)狀信息等問題引入計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的雙目三維重構(gòu)方法。描述了基于立體像對(duì)的雙目三維重構(gòu)原理，考慮雙目系統(tǒng)無法對(duì)遠(yuǎn)距離、

5、大面積巖體進(jìn)行精確重構(gòu)的缺陷實(shí)現(xiàn)了基于單相機(jī)的雙目三維重構(gòu)系統(tǒng)。選用Sony a350單反數(shù)碼相機(jī)及Sony20F2.8定焦鏡頭進(jìn)行巖體面立體像對(duì)獲取，為了在拍攝過程中固定相機(jī)內(nèi)參鎖定了定焦鏡頭的變焦環(huán)。使用雙目三維重構(gòu)系統(tǒng)根據(jù)邊坡巖體面和巖石隧道掌子面立體像對(duì)分別進(jìn)行重構(gòu)得到巖體三維數(shù)字圖像。
　　 基于當(dāng)前根據(jù)巖體三維數(shù)字圖像進(jìn)行節(jié)理產(chǎn)狀測(cè)量的方法的不足，提出一種新的相機(jī)姿態(tài)獲取方法，對(duì)該方法測(cè)量誤差帶來的節(jié)理產(chǎn)狀測(cè)量誤差進(jìn)

6、行分析，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了巖體節(jié)理產(chǎn)狀完全非接觸測(cè)量。使用該方法對(duì)某邊坡巖體節(jié)理產(chǎn)狀進(jìn)行測(cè)量，與地質(zhì)羅盤測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較確定該方法的測(cè)量誤差，并通過對(duì)比證明該方法測(cè)量精度不亞于國外同類方法。
　　 根據(jù)巖體面雙面三維重構(gòu)過程中能否充分提供相關(guān)參數(shù)提出基于巖體三維數(shù)字圖像的分層工程應(yīng)用，即輔助巖體分級(jí)、節(jié)理產(chǎn)狀測(cè)量和輔助節(jié)理測(cè)量三個(gè)應(yīng)用層次。輔助圍巖分級(jí)僅需相機(jī)內(nèi)參和巖體面立體像對(duì)；節(jié)理產(chǎn)狀測(cè)量在此基礎(chǔ)上還需要左（右）相機(jī)在世界坐