CN111145345A - 隧道施工区域三维模型构建方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种隧道施工区域三维模型构建方法及系统。其中，一种隧道施工区域三维模型构建方法，包括：共轴获取隧道施工区域的三维激光点云数据及若干个二维图像，所有二维图像可拼接成隧道施工区域全景图；将所有二维图像进行球面投影，同时将二维图像中像素点的RGB信息直接赋予至相同角度的三维激光点云数据处，直接拼接所有二维图像，构建出隧道施工区域三维模型。

Description

隧道施工区域三维模型构建方法及系统

技术领域

本发明属于隧道施工区域建模领域，尤其涉及一种隧道施工区域三维模型构建方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

隧道施工区域建模的过程中，发明人发现以下问题:1)数据采集精度均受操作人员专业水平、技术素养的制约，无法大规模普及；2)面对隧道及地下工程中高粉尘浓度，光照条件不均匀的环境，现有的非接触式采集方法均不能正常适用；3)目前数据采集完成后需返回工作室进行分析，得到分析结果时往往施工已进入下个循环，对施工无法形成有效的指导意义；4)目前均需人员携带设备，长时间在危险区域下方进行数据采集，落石时有发生，严重威胁生命财产安全；隧道及地下工程中粉尘、瓦斯气体、放射性气体等对人员健康产生较大影响；5)现有接触式方法测量范围仅在人员能触及的小部分范围。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种隧道施工区域三维模型构建方法，其能够准确地构建出隧道施工区域三维模型。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种隧道施工区域三维模型构建方法，包括：

共轴获取隧道施工区域的三维激光点云数据及若干个二维图像，所有二维图像可拼接成隧道施工区域全景图；

将所有二维图像进行球面投影，同时将二维图像中像素点的RGB信息直接赋予至相同角度的三维激光点云数据处，直接拼接所有二维图像，构建出隧道施工区域三维模型。

为了解决上述问题，本发明的第二个方面提供一种隧道施工区域三维模型构建系统，其能够准确地构建出隧道施工区域三维模型。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种隧道施工区域三维模型构建系统，包括：

共轴数据获取模块，其用于共轴获取隧道施工区域的三维激光点云数据及若干个二维图像，所有二维图像可拼接成隧道施工区域全景图；

数据匹配投影模块，其用于将所有二维图像进行球面投影，同时将二维图像中像素点的RGB信息直接赋予至相同角度的三维激光点云数据处，直接拼接所有二维图像，构建出隧道施工区域三维模型。

本发明的第三方面提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的隧道施工区域三维模型构建方法中的步骤。

本发明的第四方面提供一种计算机设备。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的隧道施工区域三维模型构建方法中的步骤。

本发明的有益效果是：

本发明采用二维像素信息与三维激光点云数据直接共轴获取，将像素信息进行球面投影，相同角度的像素点RGB信息直接赋予至三维激光点，进行直接拼接，避免了基于特征点配准或基于反光片法手动配准的传统方法产生的测量误差，简化计算步骤。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例提供的一种隧道施工区域三维模型构建方法流程图；

图2为本发明实施例提供的三维直角坐标系；

图3为本发明实施例提供的点云坐标计算图；

图4(a)为本发明实施例提供的二维图像；

图4(b)为本发明实施例提供的二维图像对应的球面投影示意图；

图5为本发明实施例提供的一种隧道施工区域三维模型构建系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

图1为本发明实施例提供的一种隧道施工区域三维模型构建方法流程图。

如图1所示，本实施例的一种隧道施工区域三维模型构建方法，包括：

S101：共轴获取隧道施工区域的三维激光点云数据及若干个二维图像，所有二维图像可拼接成隧道施工区域全景图。

图像梯度域显著性优化的实质是将差异不明显的图像放大，通过图像插值技术，增强图像边缘的特征，实现结构面迹线的识别。但传统图像插值法，如最近邻插值、线性插值等容易造成图像边缘的畸变，产生结构面迹线锯齿状或迹线失真等影响。应用等值线法，分割图像的平滑区域及纹理区域，在平滑区域应用多项式模型插值，在纹理区域采用有理函数模型插值，后根据Sobel算子模板计算图像的梯度，根据图像不同纹理方向进行权重优化，克服了传统方法失真的缺点。

图像不同区域的划分阈值为插值单元4个像素点及其周围像素点。将像素点均值作为阈值。对任意数据集f_i+r,j+s(r,s＝-1,0,1,2)不同像素结构，有不同检测阈值。检测阈值见式：

图像插值的计算是利用各向同性Sobel算子检测水平及竖直方向的图像边缘，后与图像插值平面做卷积，求解图像梯度方向。图像梯度方向与垂直于纹理方向。

确定图像梯度方向后，对相应的中心点进行显著性优化。根据插值单元中心点周围像素值混合加权，预估中心点灰度值。

在具体实施中，相机成像过程的实质是空间的点经坐标系转换，利用小孔成像原理，投影至成像平面的过程。在相机获取岩体结构像素信息的过程中，由于光线经镜头透镜传播过程中产生幅度不一的弯曲现象，造成拍摄照片产生畸变，导致岩体结构信息的失真。在传统的岩体结构非接触式测量过程中，应用相机直接拍摄掌子面，获取的图像未经校正处理即作为岩体结构分析依据，会给岩体结构分析带来较大误差。

为对岩体结构二维像素信息进行有效的识别，需在图像获取过程中尽可能减少畸变产生，并校正获取的图像。根据畸变产生原理，在图像边缘处产生的畸变较大。因此，拍摄图幅越大，畸变带来的误差越显著。采用小图幅模式进行拍摄，多个小图幅进行拼接的二维像素信息获取方式，可有效减少畸变。为减少拼接误差，在拍摄过程中相机以成像平面中心为原点，进行三维旋转，对全空间以不同倾角拍摄相片，对相片进行校正，后将所获取的像素信息进行二维局部坐标系构建，建立三维岩体结构信息模型的真彩色数据基础。

应用CALTECH开发的标定工具，应用张氏标定法，对i-cam相机进行标定，测量畸变参数。应用长宽等距，黑白相间的方格图像在显示器中展示，应用该显示器作为标定参照物。在以不同角度多次拍摄标定物，计算相机的内参和外参,计算公式见式2、3。

畸变参数K₁，K₂，K₃，P₁，P₂共5个，其中，径向畸变参数为K₁，K₂，K₃；切向畸变参数为P₁，P₂。

径向畸变：

x_corrected＝x(1+k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶)

y_corrected＝y(1+k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶) (2)

切向畸变：

x_corrected＝x+[2p₁xy+p₂(r²+2x²)]

y_corrected＝y+[2p₂xy+p₁(r²+2y²)] (3)

标定工具计算简要步骤如下：

(1)对每张照片提取标定板内角点坐标；

(2)对每张照片提取角点的像素信息；

(3)求解相机内参、外参和畸变矩阵；

(4)使目标函数最小化；

(5)标定结果平均误差统计评估；

(6)应用标定结果，校正后续图像。

经CALTECH开发的标定软件计算，i-cam相机的畸变参数为式4：

相片经畸变校正后，设每张照片的cc为原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴，建立每张照片的二维坐标系。在岩体结构二维像素信息获取过程中，相机以成像平面中心为原点进行等焦距三维旋转拍摄，因此每张照片的二维坐标系仅经三维旋转变换，无需进行放缩变换，可建立统一的像素信息局部坐标系。式6至式10为三维坐标转换过程。

设三维坐标系中，向量

其在三维直角坐标系中如图2所示，其中，点P与XY平面、XZ平面、YZ平面的夹角分别为θ_x、θ_y、θ_z。

绕Z轴旋转角的旋转矩阵R_z(θ)为：

绕Y轴旋转角的旋转矩阵R_y(θ)为：

绕X轴旋转角的旋转矩阵R_x(θ)为：

三维旋转矩阵M为：

M＝R_z(θ)R_y(θ)R_x(θ) (8)

可得：

经坐标系三维旋转后，统一的像素信息局部坐标系的x轴形成以旋转原点为中心的正多边形，y轴形成以旋转原点为中心的正多边形二分之一形状。整体坐标系统构成以相机焦距为半径的伪三维坐标系统。

三维激光扫描设备主要由相位激光测距模组和角度测量模组构成。激光测距模组主要由激光发射器、激光接收器、调制器实现激光测距功能。激光发射器发射激光后，经过一定距离后到达岩壁，然后发射并由激光接收器接收，则激光发射器与岩壁测点间距离可表示为：

其中：S为激光测距发射器与岩壁测点之间距离，c为光传播速度，T为调制信号周期时间。

当激光发射点与岩壁间距离通过速度和时间计算得出后，可根据角度测量模组的水平和竖直旋转角度，求解出岩壁点的相对坐标值。如图3所示，假定O点为激光发射点，坐标为(x₀,y₀,z₀)，P点为岩壁点，坐标为(x,y,z)，α为水平方向钻转角度，β为竖直方向旋转角度，则P点相对坐标值求解方法为(式12—14)：

x＝S cosβcosα (12)

y＝S cosβsinα (13)

z＝S sinβ (14)

则P点绝对坐标值为：

由于隧道掌子面及边墙区域可能存在较大幅度的不平整现象，会对激光扫描路径产生一定程度的遮挡，形成探测盲区。造成激光点云模型产生空洞。当存在以上情况时，需进行多点探测以消除掌子面及边墙区域的局部探测盲区，并对扫描轮廓点云进行加密，以保证岩体结构信息形态获取的精细化及准确性。进行多点探测点云拼接的关键为坐标系的转换关系，以两站探测为例，假定其中一站坐标系为o-xyz，另一站坐标系为o'-x'y'z'，转换过程将坐标系o-xyz经过绕自身三个坐标轴旋转后，再经过平移矩阵得到o'-x'y'z'，可用式(16)表示：

其中，平移矩阵T又可通过三维坐标轴上的平移量x₀，y₀，z₀表示：

式17包括有7个参数：尺度因子、3个旋转参数(α,β,γ)、3个平移参数(x₀,y₀,z₀)，其中，岩壁不存在尺度变化，因此，坐标求解过程尺度因子ν取1。假定坐标系o-xyz沿x，y，z坐标轴旋转角度依次为θ_x、θ_y、θ_z，并沿x，y，z坐标轴依次平移x₀，y₀，z₀，转换成为o'-x'y'z'。沿x，y，z坐标轴旋转矩阵转换见式5至10。

进行岩体结构三维激光扫描时，激光发射点的水平及竖直坐标均已知，即对应的平移矩阵T(式17)为已知量，而激光发射探头的旋转调整姿态及对应的扫描成果x，y，z坐标轴已知，因此可确定两测点间的坐标转换关系，即6个参数，据此，可对多个测点的点云数据进行转换及拼接，实现复杂形态岩体结构的多次探查与拼接。

S102：将所有二维图像进行球面投影，同时将二维图像中像素点的RGB信息直接赋予至相同角度的三维激光点云数据处，直接拼接所有二维图像，构建出隧道施工区域三维模型。

如图4(a)和图4(b)所示，假定统一像素信息局部坐标系的x轴为正n边形，y轴为正m边形一半，图像宽度为w，高度为u，经二维岩体结构识别的岩体结构迹线图像中一点P坐标为(x,y)在投影球半径为R的坐标系中投影点P'(R,α,β,)，弦长为A，则有：

2πR＝nw (18)

πR＝mu (19)

由三角余弦定理可得：

同理，

经上述投影变换(式20至式24)，像素数据的伪三维坐标系变为光滑的球面坐标系统。

在三维激光点云数据中，设点云数据一点M的坐标为(x',y',z'),则对应的球面坐标系中的点M’的坐标为(r,α',β')，其中：

由于像素数据所在的球面坐标系统与三维激光点云数据所在的球面坐标系统有共同的原点，且坐标轴均同向，因此，像素数据中任意一点坐标均有且只有三维激光点云数据中的一坐标与其对应。像素数据中的RGB值，三维激光点云数据中的空间坐标值在角度的桥梁下完成对接，实现了像素数据与三维激光点云数据的融合，将二维岩体结构迹线赋予三维特征，实现了三维的岩体结构识别，同时构建了高精度的真彩三维掌子面及边墙模型

本实施例采用二维像素信息与三维激光点云数据直接共轴获取，将像素信息进行球面投影，相同角度的像素点RGB信息直接赋予至三维激光点，进行直接拼接，避免了基于特征点配准或基于反光片法手动配准的传统方法产生的测量误差，简化计算步骤。

图5为本发明实施例提供的一种隧道施工区域三维模型构建系统示意图。

如图5所示，一种隧道施工区域三维模型构建系统，包括：

(1)共轴数据获取模块，其用于共轴获取隧道施工区域的三维激光点云数据及若干个二维图像，所有二维图像可拼接成隧道施工区域全景图；

在具体实施中，在所述共轴数据获取模块中，在获取二维图像的过程中，以相机的成像平面中心为原点进行等焦距三维旋转采集相应二维图像。

(2)数据匹配投影模块，其用于将所有二维图像进行球面投影，同时将二维图像中像素点的RGB信息直接赋予至相同角度的三维激光点云数据处，直接拼接所有二维图像，构建出隧道施工区域三维模型。

作为一种实施方式，所述隧道施工区域三维模型构建系统还包括：

图像校正模块，其用于在将所有二维图像进行球面投影之前将所有二维图像进行畸变校正。

作为另一种实施方式，所述隧道施工区域三维模型构建系统还包括：

边缘特征增强模块，其用于将所有二维图像进行畸变校正之后，应用等值线法分割各个二维图像的平滑区域及纹理区域，在平滑区域应用多项式模型插值，在纹理区域采用有理函数模型插值，然后根据Sobel算子模板计算二维图像的梯度，根据二维图像不同纹理方向进行权重优化，增强二维图像的边缘特征。

本实施例采用二维像素信息与三维激光点云数据直接共轴获取，将像素信息进行球面投影，相同角度的像素点RGB信息直接赋予至三维激光点，进行直接拼接，避免了基于特征点配准或基于反光片法手动配准的传统方法产生的测量误差，简化计算步骤。

实施例3

本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如图1所示的隧道施工区域三维模型构建方法中的步骤。

实施例4

本实施例提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现图1所述的隧道施工区域三维模型构建方法中的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种隧道施工区域三维模型构建方法，其特征在于，包括：

共轴获取隧道施工区域的三维激光点云数据及若干个二维图像，所有二维图像可拼接成隧道施工区域全景图；

将所有二维图像进行球面投影，同时将二维图像中像素点的RGB信息直接赋予至相同角度的三维激光点云数据处，直接拼接所有二维图像，构建出隧道施工区域三维模型。

2.如权利要求1所述的隧道施工区域三维模型构建方法，其特征在于，在获取二维图像的过程中，以相机的成像平面中心为原点进行等焦距三维旋转采集相应二维图像。

3.如权利要求1所述的隧道施工区域三维模型构建方法，其特征在于，将所有二维图像进行球面投影之前还包括：

将所有二维图像进行畸变校正。

4.如权利要求3所述的隧道施工区域三维模型构建方法，其特征在于，将所有二维图像进行畸变校正之后，还包括：

应用等值线法分割各个二维图像的平滑区域及纹理区域，在平滑区域应用多项式模型插值，在纹理区域采用有理函数模型插值，然后根据Sobel算子模板计算二维图像的梯度，根据二维图像不同纹理方向进行权重优化，增强二维图像的边缘特征。

5.一种隧道施工区域三维模型构建系统，其特征在于，包括：

共轴数据获取模块，其用于共轴获取隧道施工区域的三维激光点云数据及若干个二维图像，所有二维图像可拼接成隧道施工区域全景图；

数据匹配投影模块，其用于将所有二维图像进行球面投影，同时将二维图像中像素点的RGB信息直接赋予至相同角度的三维激光点云数据处，直接拼接所有二维图像，构建出隧道施工区域三维模型。

6.如权利要求5所述的隧道施工区域三维模型构建系统，其特征在于，在所述共轴数据获取模块中，在获取二维图像的过程中，以相机的成像平面中心为原点进行等焦距三维旋转采集相应二维图像。

7.如权利要求5所述的隧道施工区域三维模型构建系统，其特征在于，所述隧道施工区域三维模型构建系统还包括：

图像校正模块，其用于在将所有二维图像进行球面投影之前将所有二维图像进行畸变校正。

8.如权利要求7所述的隧道施工区域三维模型构建系统，其特征在于，所述隧道施工区域三维模型构建系统还包括：

边缘特征增强模块，其用于将所有二维图像进行畸变校正之后，应用等值线法分割各个二维图像的平滑区域及纹理区域，在平滑区域应用多项式模型插值，在纹理区域采用有理函数模型插值，然后根据Sobel算子模板计算二维图像的梯度，根据二维图像不同纹理方向进行权重优化，增强二维图像的边缘特征。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的隧道施工区域三维模型构建方法中的步骤。

10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-4中任一项所述的隧道施工区域三维模型构建方法中的步骤。

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