隧道施工区域三维模型构建方法及系统技术方案

本发明专利技术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。

Construction method and system of three-dimensional model of tunnel construction area

【技术实现步骤摘要】
隧道施工区域三维模型构建方法及系统
本专利技术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。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。隧道施工区域建模的过程中，专利技术人发现以下问题: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。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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，本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的有益效果是：本专利技术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。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术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为本专利技术实施例提供的三维直角坐标系；图3为本专利技术实施例提供的点云坐标计算图；图4(a)为本专利技术实施例提供的二维图像；图4(b)为本专利技术实施例提供的二维图像对应的球面投影示意图；图5为本专利技术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专利技术作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
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专利技术的示例性实施方式。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为本专利技术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fi+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：xcorrected＝x(1+k1r2+k2r4+k3r6)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧道施工区域三维模型构建方法，其特征在于，包括：/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪亮，秦承帅，孙法合，禇开维，许孝滨，周宗青，杨光宇，刘进佩，李尚安，
申请(专利权)人：山东大学，齐鲁交通发展集团有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37