(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211203112.8 (22)申请日 2022.09.29 (71)申请人 中南大学 地址 410000 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路932号 (72)发明人 傅金阳　梁向荣　王浩宇　祝志恒　 阳军生　王树英　 (74)专利代理 机构 长沙伊柏专利代理事务所 (普通合伙) 4326 5 专利代理师 丁敏 (51)Int.Cl. G06T 7/00(2017.01) G06T 17/20(2006.01) G06T 19/20(2011.01) (54)发明名称 一种基于4D数字图像的隧道大变形检测方 法及装置 (57)摘要 本发明提供了一种基于4D数字图像的隧道 大变形检测方法， S1， 获取隧道大变形检测区域 基于一定时间间隔的n期围岩图像； S2： 根据第n 期围岩图像建立隧道大变形检测区域第n期实际 轮廓曲面模型； S3： 根据所述隧道第n期实际轮廓 曲面模型与隧道第1期实际轮廓曲面模型， 获取 第1期实际轮廓曲面模型顶点集{T}1中各点到第 n期实际轮廓曲面模型的最 短距离， 确定第n期围 岩变形值； S4： 根据所述第n期隧道围岩变形值， 对所有边界点进行调整； S5： 对隧道第n期实际轮 廓曲面模型与第1期实际轮廓曲面模 型的对比结 果进行可视化展示， 生成隧道 三维彩色云图以实 现整体变形展 示； S6： 根据隧道三维彩色云图， 获 取指定位置的隧道模型二维变形分析 结果。 权利要求书2页 说明书10页 附图4页 CN 115526861 A 2022.12.27 CN 115526861 A 1.一种基于4D数字图像的隧道大变形检测方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1： 获取隧道大变形检测区域基于一定时间 间隔的n期围岩图像； S2： 根据第n期围岩图像建立隧道大变形检测区域第n期实际轮廓曲面模型； S3： 根据所述隧道第n期实际轮廓曲面模型与隧道第1期实际轮廓曲面模型， 获取第1期 实际轮廓曲面模型顶点集{T}1中各点到第n期实际轮廓曲面模型的最短距离， 确定第n期围 岩变形值； S4： 根据所述第n期围岩变形值， 对所有拱脚边界点进行调整， 重复执行该步骤， 直至无 边界点被调整； S5： 对隧道第 n期实际轮廓曲面模型与第1期实际轮廓曲面模型的对比结果进行可视化 展示， 根据最大变形值确定颜色偏 差范围， 将偏差范围划分成若干颜色段； 将相应的颜色映 射到隧道第1期实际轮廓曲面模型， 生成隧道三维彩色 云图以实现整体 变形展示。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 所述 步骤S2具体包括： S21： 根据获取的第n期围岩图像， 采用 运动恢复结构算法SFM重建图像三维稀疏点云 {VM}； S22： 采用PMVS多视 图匹配算法， 根据图像三维稀疏点云{VM}， 重建图像三维密集点云 {V′P}； S23： 根据控制点坐标， 通过旋转、 平移及放缩将三维密集点云的坐标转换到施工坐标 系下； S24： 采用Del aunay三角剖分算法， 根据施工坐标系下的三维密集点云， 重建第n期围岩 实际轮廓曲面模型。 3.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 所述 步骤S3具体包括： S31： 确定计算范围r， 对顶点集{T}1中各点， 通过在第n期实际轮廓曲面模型中搜索最近 的三角面， 根据三角面法向量确定顶点集{T}1中各点到第n期实际轮廓曲面模型的距离， 即 第n期围岩变形值； S32： 规定向隧道外侧为正， 根据第n期实际轮廓曲面模型中搜索确定的三角面， 计算中 三角面法向量 为正， 则S31步骤中变形值计算结果 为负； S33： 根据第n期实际轮廓曲面模型中搜索确定的三角面， 计算中三角面法向量为负， 则 S31步骤中变形值计算结果 为正。 4.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 所述方法进一 步包括步骤S6： S6： 根据隧道三维彩色云图， 获取指定位置的隧道模型二维变形分析结果； 具体为： 采 用系统平面法， 系统平 面包括XY平 面、 XZ平面和YZ平 面； 若选取XY系统平 面， 通过对 X方向旋 转指定角度x °∈(‑180°,+180°)， Y方向旋转指定角度y °∈(‑180°,+180°)， 确定截面方向， 并指定定位里程截面 位置z， 基于3个变量(x°、 y°、 z)获取截面方位。 5.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 步骤S1包括： 在待拍摄的区域布置第 一预设数量标记板， 所述标记板布设时应均匀 布满隧道大变形 检测区域； 其中任意连续两张图像重叠度大于50％， 任一方向包含同一标记板的岩围图像 不少于三张。 6.根据权利要求4所述的方法， 其特征在于， 控制点坐标是通过全站仪获取标记板的中 心坐标作为所述控制点 坐标。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115526861 A 27.一种基于4D数字图像的隧道大变形检测装置， 其特 征在于， 包括以下 单元： 隧道围岩图像获取单元， 用于获取隧道大变形检测区域基于一定时间间隔的n期围岩 图像； 隧道围岩实 际轮廓曲面模型建立单元： 用于根据第n期围岩图像建立隧道大变形检测 区域第n期实际轮廓曲面模型； 隧道围岩变形值获取单元： 用于根据 所述隧道第 n期实际轮廓曲面模型与隧道第1期实 际轮廓曲面模型， 获取第1期实际轮廓曲面模型顶点集{T}1中各点到第n期实际轮廓曲面模 型的最短距离， 确定第n期围岩变形值； 拱脚边界点调整单元： 用于根据所述第n期围岩变形值， 对所有拱脚边界点进行调整， 重复执行该拱脚边界点调整单 元， 直至无边界点被调整， 隧道围岩变形可视化显示单元： 用于对隧道第 n期实际轮廓曲面模型与第1期实际轮廓 曲面模型 的对比结果进行可视化展示， 根据最大变形值确定颜色偏差范围， 将偏差范围划 分成若干颜色段； 将相应的颜色映射到隧道第1期实际轮廓曲面模型， 生成隧道三 维彩色云 图以实现整体 变形展示。 8.根据权利要求7所述的装置， 其特征在于， 所述隧道围岩 实际轮廓曲面模型建立单元 具体包括： 三维稀疏点云建立单元： 用于根据获取的第n期围岩图像， 采用运动恢复结构算法SFM 重建图像三维稀疏点云{VM}； 图像三维密集点云获取单元： 用于采用PMVS多视图匹配算法， 根据图像三维稀疏点云 {VM}， 重建图像三维密集 点云{V′P}； 图像三维密集点云坐标转换单元： 用于根据控制点坐标， 通过旋转、 平移及放缩将三维 密集点云的坐标转换到施工坐标系下； 隧道围岩实际轮廓曲面模型重建单元： 用于采用Delaunay三角剖分算法， 根据施工坐 标系下的三维密集 点云， 重建第n期围岩实际轮廓曲面模型。 9.根据权利要求7 所述的装置， 其特 征在于， 所述隧道围岩变形值获取 单元具体包括： 第一计算单元： 用于确定计算范围r， 对顶点集{T }1中各点， 通过在第n期实际轮廓曲面 模型中搜索最近的三角面， 根据三角面法向量确定顶点集{T}1中各点到第n期实际轮廓曲 面模型的距离， 即第n期围岩变形值； 第二计算单元： 用于规定向隧道外侧为正， 根据第 n期实际轮廓曲面模型中搜索确定的 三角面， 计算中三角面法向量 为正， 则第一计算单 元中变形值计算结果 为负； 第三计算单元： 用于根据第 n期实际轮廓曲面模型中搜索确定的三角面， 计算中三角面 法向量为负， 则第一计算单 元中变形值计算结果 为正。 10.根据权利要求7所述的装置， 其特征在于， 所述装置进一步包括： 二维变形分析单 元： 用于根据隧道三维彩色云图， 获取指定位置的隧道模型二维变形分析结果； 具体为： 采 用系统平面法， 系统平 面包括XY平 面、 XZ平面和YZ平 面； 若选取XY系统平 面， 通过对 X方向旋 转指定角度x °∈(‑180°,+180°)， Y方向旋转指定角度y °∈(‑180°,+180°)， 确定截面方向， 并指定定位里程截面 位置z， 基于3个变量(x°、 y°、 z)获取截面方位。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115526861 A 3