复杂地质隧道施工围岩稳定可视化图像数据处理方法

摘要

本发明提供了一种复杂地质隧道施工围岩稳定可视化图像数据处理方法，包括：S100按照设定周期采集并保存隧道的围岩图像，对所述围岩图像进行预处理；S200根据隧道的设计线路与掘进进度，建立三维的隧道施工动态模型，对隧道施工动态模型进行分段和标记，将隧道施工动态模型和各分段与相对应的围岩图像关联；S300构建围岩稳定性分析模型，对各分段预处理后的围岩图像进行识别与数据分析，得到各分段的围岩稳定性评价；S400将各分段的围岩稳定性评价与隧道施工动态模型的相应分段进行关联，显示隧道施工动态模型及各分段的围岩稳定性评价。提高了评价的准确性，有效防止误判，可以保障隧道施工的安全性，有效防止事故发生。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道施工安全与图像数据处理技术领域，特别涉及一种复杂地质隧道施工围岩稳定可视化图像数据处理方法。

背景技术

在隧道施工过程中，围岩变形是反映多种因素影响的综合指标。围岩变形量可分为围岩表面移动量以及深部移动量。围岩表面移动量是指从围岩表面测得的巷道顶底板、两帮的移近距离或某一部分的移动量。由于围岩变形量相比于其他信息直观、易测，并且方便定量计算，因此在工程实践中获得了更多的应用。

国内外现有的隧道围岩变形量测量方法及仪器按其工作原理可以分为机械式测量仪器、电测式测量仪器、声波测距法、激光测距法等，近年来出现将可视化成像技术应用到隧道围岩监测的情况，形成的可视化图像更能够直观地反映隧道围岩状态，但是对于隧道的可视化图像数据的处理分析方法存在较多问题，特别是对于复杂地质情况下的隧道项目，容易造成围岩稳定性评价误差大，误判率高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种复杂地质隧道施工围岩稳定可视化图像数据处理方法，包括以下步骤：

S100按照设定周期采集并保存隧道的围岩图像，对所述围岩图像进行预处理；

S200根据隧道的设计线路与掘进进度，建立三维的隧道施工动态模型，对隧道施工动态模型进行分段和标记，将隧道施工动态模型和各分段与相对应的围岩图像关联；

S300构建围岩稳定性分析模型，对各分段预处理后的围岩图像进行识别与数据分析，得到各分段的围岩稳定性评价；

S400将各分段的围岩稳定性评价与隧道施工动态模型的相应分段进行关联，显示隧道施工动态模型及各分段的围岩稳定性评价。

可选的，所述围岩图像的预处理包括增强处理，所述增强处理方式如下：

首先，对预处理后的围岩图像进行多层小波分解，得到各个频率段的小波系数；

其次，将各个频率段的小波系数与系数阈值进行对比，若小波系数大于系数阈值，则对相应频率段的小波系数进行增强处理；

最后，对处理之后的小波系数进行小波重构，得到增强后的围岩图像；所述小波重构采用以下算法进行：

上式中，

可选的，所述围岩稳定性分析模型的构建过程如下：

第一，采集隧道项目的围岩样品，进行样品分析，获得围岩构成数据；

第二，进围岩变形模拟实验，获取实验过程中的围岩样品图像，测定围岩样品的围岩构成数据、外力和震动因素对围岩变形的影响情况；

第三，根据各因素对围岩变形的影响情况构建BP神经网络，将围岩构成数据输入BP神经网络进行深度学习和数据训练，形成围岩稳定性初步模型；

第四，对围岩样品图像进行预处理，将预处理后的围岩样品图像用于围岩稳定性初步模型的优化，得到围岩稳定性分析模型。

可选的，所述围岩稳定性分析模型中采用以下物元描述：

上式中，

确定围岩稳定性的等级划分，根据以下公式计算物元

上式中，

然后根据物元

可选的，采用以下公式对预处理后的围岩图像进行滤波：

上式中，

再采用以下公式进行中值滤波：

上式中，

然后，对中值滤波后的围岩图像进行裂缝识别。

可选的，采用以下公式计算各分段裂缝对围岩稳定性的影响系数：

上式中，

根据计算结果对分段围岩稳定性评价进行修正。

可选的，在S100步骤中，预先通过以下方式确定隧道围岩等级：

围岩取样并采集取样的随钻数据以及对应位置的岩石地质信息，将随钻数据标准化；

以标准化后的随钻数据为分析对象，结合所述岩石地质信息，确定同一位置随钻数据与围岩强度之间的关系；

采集隧道的围岩图像，对围岩图像进行图像处理，确定同一位置围岩图像与岩石完整程度的判别关系；

综合同一位置随钻数据与围岩强度之间的关系以及同一位置围岩图像与岩石完整程度的判别关系，对隧道围岩进行分级判断，确定隧道围岩等级。

可选的，在S300步骤中，分别提取同一分段的围岩图像的各项属性值，所述围岩稳定性分析模型采用以下公式计算围岩图像变化率：

上式中，

若变化率达到变化阈值，则表明围岩存在严重变形，发出围岩稳定性风险警示信息。

可选的，建立隧道围岩加固方案的选项库，将选项库中的每个加固方案与相关的围岩稳定性影响因素进行关联，根据关联关系设置加固方案的选择指引。

可选的，在通过围岩稳定性分析模型对围岩图像的分析得到的围岩稳定性评价中，若发现围岩稳定性低于设定的临界值，则发出警示信息，并根据各影响因素的单项评价指标与围岩稳定性等级的关联度的加权值，关联度的加权值由大至小对影响因素进行排序，根据排序前三位的影响因素从选项库中选取隧道围岩加固方案实施组合加固。

本发明实的复杂地质隧道施工围岩稳定可视化图像数据处理方法，通过周期性采集围岩图像，对围岩进行持续性可视化观测，建立三维的隧道施工动态模型，采用分段标记和围岩图像关联进行定位，通过构建围岩稳定性分析模型对分段围岩图像进行识别与分析，得出各分段的围岩稳定性评价，提高了评价的准确性，有效防止误判，另外，将其与隧道分段进行关联，在施工动态模型中进行显示；通过本方法可以得到直观的围岩稳定性定位与评价，可以保障隧道施工的安全性，有效防止事故发生。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中一种复杂地质隧道施工围岩稳定可视化图像数据处理方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种复杂地质隧道施工围岩稳定可视化图像数据处理方法，包括以下步骤：

S100按照设定周期采集并保存隧道的围岩图像，对所述围岩图像进行预处理；

S200根据隧道的设计线路与掘进进度，建立三维的隧道施工动态模型，对隧道施工动态模型进行分段和标记，将隧道施工动态模型和各分段与相对应的围岩图像关联；

S300构建围岩稳定性分析模型，对各分段预处理后的围岩图像进行识别与数据分析，得到各分段的围岩稳定性评价；

S400将各分段的围岩稳定性评价与隧道施工动态模型的相应分段进行关联，显示隧道施工动态模型及各分段的围岩稳定性评价。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过周期性采集围岩图像，对围岩进行持续性可视化观测，建立三维的隧道施工动态模型，采用分段标记和围岩图像关联进行定位，通过构建围岩稳定性分析模型对分段围岩图像进行识别与分析，得出各分段的围岩稳定性评价，提高了评价的准确性，有效防止误判，另外，将其与隧道分段进行关联，在施工动态模型中进行显示；通过本方法可以得到直观的围岩稳定性定位与评价，可以保障隧道施工的安全性，有效防止事故发生。

在一个实施例中，所述围岩图像的预处理包括增强处理，所述增强处理方式如下：

首先，对预处理后的围岩图像进行多层小波分解，得到各个频率段的小波系数；

其次，将各个频率段的小波系数与系数阈值进行对比，若小波系数大于系数阈值，则对相应频率段的小波系数进行增强处理；

最后，对处理之后的小波系数进行小波重构，得到增强后的围岩图像；所述小波重构采用以下算法进行：

上式中，

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的围岩图像表示二维离散数字信号，小波分解时对其进行二维离散小波变换，若小波分解为三层分解，过程为：给定一幅围岩图像，分别在水平和垂直方向上进行滤波，得到四个频率子带为：水平与垂直方向上的低频子带，水平向低频与垂直向高频组成的子带，水平向高频与垂直向低频组成的子带，水平向与垂直向高频子带，对低频子带再进行分解可以得到频率更低的四个次频率子带，接着再对单个次频率子带分解为四个二阶次频率子带；小波分解的层数越多，增强效果越好，但是分解层数多时，计算量就越大，所以，需要考虑分解次数和算法效率之间的权衡；对需要增强的信息在对应频率段的小波系数分别进行增强处理，达到去除噪声或者增强目标的目的；小波重构为小波分解的逆变换过程，每重构一次，信号量就可增加一倍；可以提高用于分析的围岩图像质量，排除干扰，从而提高分析结果的准确性。

在一个实施例中，所述围岩稳定性分析模型的构建过程如下：

第一，采集隧道项目的围岩样品，进行样品分析，获得围岩构成数据；

第二，进围岩变形模拟实验，获取实验过程中的围岩样品图像，测定围岩样品的围岩构成数据、外力和震动因素对围岩变形的影响情况；

第三，根据各因素对围岩变形的影响情况构建BP神经网络，将围岩构成数据输入BP神经网络进行深度学习和数据训练，形成围岩稳定性初步模型；

第四，对围岩样品图像进行预处理，将预处理后的围岩样品图像用于围岩稳定性初步模型的优化，得到围岩稳定性分析模型。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过对隧道项目进行围岩取样，对样品进行分析，获得围岩构成数据，采用模拟实验方式，获取实验过程中的围岩样品图像，测定实验中的围岩变形情况，根据实验数据构建BP神经网络，采用围岩构成数据的深度学习和数据训练形成围岩稳定性初步模型，隧道项目围岩样品数据的使用，初步提高了模型与隧道项目的契合度；再以模拟实验的围岩样品图像应用于围岩稳定性初步模型的优化，进一步提高了模型与隧道项目的契合度，从而防止由于采用的分析模型的契合性问题导致的评价不准确或者误判。

在一个实施例中， 所述围岩稳定性分析模型中采用以下物元描述：

上式中，

确定围岩稳定性的等级划分，根据以下公式计算物元

上式中，

然后根据物元

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案在围岩稳定性分析模型中采用以下物元描述与分析，实现了影响因素的评价指标与围岩稳定性等级的关联性量化，可以提高对影响因素与围岩稳定性关系的认识，有助于从另一角度提高围岩稳定性评价准确性。

在一个实施例中，采用以下公式对预处理后的围岩图像进行滤波：

上式中，

再采用以下公式进行中值滤波：

上式中，

然后，对中值滤波后的围岩图像进行裂缝识别。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案对预处理后的围岩图像进行滤波，提高了对隧道围岩可能存在的裂缝进行识别的精度，增强了裂缝识别效率，为将围岩裂缝纳入围岩稳定性评价提供良好的基础，而且将围岩裂缝纳入围岩稳定性评价可以使得评价更全面，准确性更高，裂缝识别效率的提高防止了由于裂缝识别错误导致的误判发生。

在一个实施例中，采用以下公式计算各分段裂缝对围岩稳定性的影响系数：

上式中，

根据计算结果对分段围岩稳定性评价进行修正。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案在围岩裂缝识别的基础上进行裂缝的围岩稳定性影响分析，通过各分段的连续采集的围岩图像的综合考查，以上述公式量化计算出裂缝对围岩稳定性的影响系数，并以此对分段围岩稳定性评价进行修正，从而在更全面的影响因素考查基础上提高围岩稳定性评价的准确性和可靠性；由于围岩稳定性评价的时效性差也会增加风险，而本方案采用的量化计算公式简单，计算量小，可以快速获取结果，不影响围岩稳定性评价的效率，避免风险增加。

在一个实施例中， 在S100步骤中，预先通过以下方式确定隧道围岩等级：

围岩取样并采集取样的随钻数据以及对应位置的岩石地质信息，将随钻数据标准化；

以标准化后的随钻数据为分析对象，结合所述岩石地质信息，确定同一位置随钻数据与围岩强度之间的关系；

采集隧道的围岩图像，对围岩图像进行图像处理，确定同一位置围岩图像与岩石完整程度的判别关系；

综合同一位置随钻数据与围岩强度之间的关系以及同一位置围岩图像与岩石完整程度的判别关系，对隧道围岩进行分级判断，确定隧道围岩等级。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过预先进行围岩取样分析，根据分析获得的地质信息，确定隧道围岩等级，从而增强对隧道项目的围岩复杂性的认识。

在一个实施例中，在S300步骤中，分别提取同一分段的围岩图像的各项属性值，所述围岩稳定性分析模型采用以下公式计算围岩图像变化率：

上式中，

若变化率达到变化阈值，则表明围岩存在严重变形，发出围岩稳定性风险警示信息。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过提取围岩图像的各项属性值，以上述公式计算围岩图像变化率，围岩变形与稳定性若有变化，必然会带来围岩图像的变化，因此通过围岩图像的变化率可以间接反映围岩变形与稳定性变化情况，通过对相同分段的不同时间连续采集的围岩图像的分析可以了解变化趋势，因而提前预知风险，以便及时做出反映，采取加固措施消除风险。

在一个实施例中，建立隧道围岩加固方案的选项库，将选项库中的每个加固方案与相关的围岩稳定性影响因素进行关联，根据关联关系设置加固方案的选择指引；在通过围岩稳定性分析模型对围岩图像的分析得到的围岩稳定性评价中，若发现围岩稳定性低于设定的临界值，则发出警示信息，并根据各影响因素的单项评价指标与围岩稳定性等级的关联度的加权值，关联度的加权值由大至小对影响因素进行排序，根据排序前三位的影响因素从选项库中选取隧道围岩加固方案实施组合加固。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过设置隧道围岩加固方案的选项库，并将选项库中的每个加固方案与相关的围岩稳定性影响因素进行关联，在进行围岩稳定性评价中，若发现围岩稳定性低于设定的临界值，除了发出警示信息外，还可以根据影响因素的单项评价指标与围岩稳定性等级的关联度的加权值排序自动选择加固方案，选择时通过排序前三位的影响因素来选取，可以得出多个针对影响程度大的影响因素的加固方案，形成合理的加固方案组合，以用于指导隧道围岩的固定施工，提高加固对围岩稳定性的效率，防止盲目加固，有效控制加固成本。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。