隧洞全断面摄影测量方法

孙良昱，杨建林

(1.西北农林科技大学园艺学院，陕西杨凌 712100；2.吉林省科信地理信息研究院有限公司，吉林长春 130000)

隧洞全断面摄影测量方法

孙良昱1，杨建林2

(1.西北农林科技大学园艺学院，陕西杨凌 712100；2.吉林省科信地理信息研究院有限公司，吉林长春 130000)

阐述隧洞全断面摄影测量方法的发展历史，简要说明应用该方法的隧洞全断面图像采集原理，设计了一种使用图像处理软件来拾取隧洞断面轮廓，并将拾取结果导入CAD中进行计算处理的方法，最后对隧洞全断面摄影测量方法未来的探索提供了若干建议。

隧洞断面；图像处理；摄影测量法

一、引 言

在各种隧洞的施工过程中，隧洞断面的测量都是基本问题之一。目前广泛应用于实际测量中的方法主要有激光经纬仪交会法、支距法及求积仪法等。而对于数千米长的隧洞，使用这些传统的方法进行隧洞断面测量测量，耗时很多，工作量较大，测量工作效率较低。长时间在未经衬砌的隧洞内进行测绘工作，还要时刻面临各种危险情况。因此，探究如何在保证精度的前提下快速完成隧洞的断面测量，减少测量工作量，并建立一种高效的测量方法，具有重要的意义。

早在1979年，李翘楚在国内首先提出隧洞全断面摄影测量法，并对该方法进行了详细的探讨，同时为此设计了一种使用闪光灯的缝隙光源[1]。但是由于当时国内计算机尚未普及、摄影技术相对落后，这种摄影测量新方法的优势尚不明显。1998年，杨建林独立设计了一种新的应用于该方法的光源并申请了实用新型专利[2]，比早先的缝隙光源更为简便实用。2002年，费璟昊等进一步讨论了隧洞全断面摄影测量方法，提出应用计算机编写图像处理软件，对隧洞断面照片进行处理计算，并对该方法进行了进一步优化[3]。魏继红等也曾将图像处理技术引入到隧洞超欠挖评价中，使用图像处理技术对隧洞断面照片进行边界提取来进行隧洞断面超欠挖的评价[4]。

综上，施工领域对隧洞全断面摄影测量法的探索日渐深入。随着计算机和数码相机的普及，以及图像处理软件的不断开发，隧洞全断面摄影测量方法可以变得更高效、更加简便实用。本文所涉及的测量方法具有简单、易用、快速和资金投入少的特点，能够满足中小型隧洞工程开挖工程量测量的需要，且已经在吉林省松江河水电站松山14 km引水隧洞出口的3个标段及小山水电站引水隧洞洞挖工程中得到了试验和应用，并达到精度要求，已经进行了验收，目前相关水电站已经并网发电多年，其他详情本文不再赘述。本文拟利用现有软件对隧洞全断面摄影测量法的数据后期处理进行进一步探究，建立适用于该方法的图像处理流程，并对该方法的未来发展作进一步展望。

二、隧洞断面图像采集

1.场地布局

如图1所示，分别将断面辉光器和数码相机安置在隧洞的洞轴线上，两者相距适当。在隧洞断面辉光器发光形成隧洞断面影像时，照相机曝光采集隧洞断面影像，并保存。

图1 隧洞断面采样图

布局操作要求如下：

1)辉光器所射出光线与隧洞中心轴线垂直。

2)数码相机架设于隧洞中心轴线上，并且要求三脚架上水平仪气泡显示水平，数码相机正对隧洞断面(即保证数码相机底片与隧洞断面平行)；相机与辉光器在像、物两个平面相互以三点校正，确保相应点位影像与设计点位重合。

3)数码相机需与隧洞断面保持一定距离，以便拍摄隧洞全断面轮廓。

2.图像采集原理

通过断面测量用辉光器照射隧洞洞壁，产生隧洞边缘的轮廓光。根据小孔成像所成像与物像相似的原理，将隧洞边缘的轮廓光拍摄，拍摄还包括辉光器上的标准长度尺(该尺左右长度为2 m)。拍摄后效果如图2所示。

图2 隧洞断面照片

3.图像采集后的软件处理

将数码相机采集的隧洞断面照片传输到计算机，首先使用Adobe Photoshop软件对照片进行处理，将隧洞断面照片影像转化成隧洞断面影像图(即将光栅图片轮廓线转化为CAD软件可识别的矢量线)。

(1)隧洞轮廓快速选择

使用Adobe Photoshop软件的具体操作步骤如下：

1)用Adobe Photoshop软件打开隧洞断面照片。

2)使用“魔术棒工具”快速圈选出光线轮廓。

3)对于细微之处，可使用“索套工具”或使用笔尖调小后的“魔术棒工具”对于选区进行人工微调。

4)检查符合要求后，在修剪完成的选区内按右键，选择“建立工作路径”，容差：2像素，点击“确定”即可。

5)使用“钢笔工具”在断面测量用辉光器的“标准长度尺”处定点，确定标准长度路径，如图3所示，即连接出和“标准长度尺”一样长的直线路径。

6)选择“文件”→“导出”→“路径到 Illustrator”，导出该路径为AI格式。

图3

(2)将光栅图片轮廓路径转化为CAD软件可识别的矢量线

1)使用Adobe Illustrator打开刚导出的AI文件，因为文件是路径，因此即便打开也看不到。

2)选择“文件”→“导出”，导出文件为DWG格式，选择默认参数即可。

(3)将矢量线导入CAD中进行调整

1)使用AutoCAD打开刚导出的DWG文件。2)选中“标准长度尺”中的直线，查询其长度，如图4所示。

图4

通过快速计算器计算“标准长度尺”CAD线条长度与“标准长度尺”的真实长度的比值，得知照片轮廓比例与真实轮廓比例大小，通过该比例来缩放外部轮廓线，即可得到真实隧洞断面图。得到真实隧洞断面后，删除“标准长度尺”线段。

4.求取隧洞超、欠尺寸和超、欠面积的CAD图形处理

(1)CAD中的隧洞全断面图形处理

1)把施工设计隧洞轮廓(以城门洞形隧洞为例)导入AutoCAD中，与真实隧洞断面重叠。

2)将超、欠部位用两种图案分别进行图案填充，然后选择该图案查询特性即可显示所求面积，如图5所示。

图5

3)使用阵列工具快速连接所需的各个距离量线，进行修剪，最后处理结果如图6所示。

图6

由此选中其中的一条线即可在CAD上查询隧洞某一点的超、欠尺寸。

(2)CAD中的隧洞超、欠尺寸的标注

1)CAD本身不具有批量标注线段长度的功能，故需要引入Lisp插件来帮助完成，在命令栏中输入：appload，选择LSP文件进行加载。

2)执行命令：biaozhu，选择所需标注的线段完成批量标注，如图7所示。

图7

3)记录之前得到的超挖面积和欠挖面积，在输出图旁书写表格，随尺寸图一并输出打印即完成所有操作。

5.进一步讨论及构想

光栅图是最小单位由像素构成的图，只有点的信息，缩放时会失真。这种格式的图适合存储图形不规则，而且颜色丰富没有规律的图，如照相、扫描。与光栅图相对的是矢量图，记录的是点、线、面的位置和颜色信息的描述，矢量图不仅有点的信息，还有线、面、基本图形等信息，但只是描述。重现时看图软件就解读这些描述重绘出来。这样，图形放大不会失真，适合存储像标志、线路图、设计图等。

在图形处理过程中，如何从光栅图像上捕捉断面轮廓的坐标点并生成矢量图是该过程面临的一个难题，现有图像处理软件公司争相开发识别率更高的处理软件，并持有着该项技术，如果要独立开发软件则需投入大量人力物力。因此利用现有软件完成隧洞全断面摄影测量方法的图像后期处理问题是一项低成本、效率高的选择。当然，随着该项技术的发展，为其开发专门适用的软件必定成为其未来的发展方向，在此提出对未来软件与硬件开发的若干建议：

1)改进测量摄影时所使用的辉光器，以及改进摄影技术问题使隧洞断面轮廓更加清晰。

2)因为判断隧洞断面轮廓不需要色彩，所以可以开发只识别光强的摄录仪器，在图像输出时输出数据量更小的图像。

3)完成步骤2)的情况下，可设定灰度阀值，来选取具有一定光强的像素，随后生成黑白矢量图，通过程序处理其中的白点，计算生成隧洞断面的矢量线。

4)数据处理部分的开发可在已有CAD平台上删减不需要使用的功能，并开发专门应用于该方法的Lisp程序嵌入。

5)完成各方面一体化、自动化，开发隧洞断面测量设备，在测量隧洞断面时及时打印出隧洞断面超欠挖图形和数据，提高隧洞施工质量和工作效率。

三、总结与展望

本文利用了现有的图像处理软件，通过快速处理光栅图像，选择所需的矢量路径，可以将隧洞全断面轮廓快速导入至CAD中进行分析处理，填补了隧洞全断面摄影测量方法无现有软件处理技术支持的空白。但是本文所提出的软件处理过程仍需要大量的手动操作，还无法实现自动化处理，相信该方法在未来会有进一步改进和发展。

[1] 李翘楚.隧洞全断面摄影测量法[J].测绘通报，1979 (6)：15-18.

[2] 杨建林.断面测量用辉光器：中国，98236752.X[P]. 1998-02-25.

[3] 费璟昊.隧洞断面数字图像处理方法研究及软件开发[D].大连：大连理工大学，2001.

[4] 魏继红，吴继敏，孙少锐.图像处理技术在隧洞超欠挖评价中的应用[J].水文地质工程地质，2005(1)：105-108.

A Full Cross-section Photogrammetric Method Applied in Tunnel

SUN Liangyu，YANG Jianlin

P234

B

0494-0911(2014)07-0086-04

2013-04-17

孙良昱(1991—)，男，吉林长春人，研究方向为计算机、园艺等。

孙良昱，杨建林.隧洞全断面摄影测量方法[J].测绘通报，2014(7)：86-89.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0233