小断面地下硐室数字图像采集和处理方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于小断面地下硐室数字图像采集和处理方法，属于地质勘探技术领域。
背景技术
小断面地下硐室通常指硐径在2-5米范围内的地下硐室，常见的小断面硐室为勘探平硐。
在地下硐室的建造和施工过程中，需要对其地质结构和特性进行地质编录。长期以来，地下硐室的地质编录采用人工方式，以文字和素描的方式记录地质现象和特征，这种记录方式不仅工作量大，准确性差，而且易遗漏信息，不够直观，成果表达程度因人而异。数码摄影技术出现以后，很多人尝试将数码摄影用于小断面地下硐室编录，但是鲜有成功的例子。主要难度在于：1、拍摄难。传统方法拍摄时镜头正对壁面(拍摄方向与壁面垂直)。由于小断面硐室空间狭窄，摄影距离过近致使拍摄非常困难；2、定位难。小断面硐室中描述地质成果时，需要准确描述地质现象的位置，一般摄影手段难以做到。3、照明难。传统拍摄采用碘钨灯照明，难以形成均匀照明。同时碘钨灯使用的交流电，有些硐室也不能保证。4、拼接难。传统方式图像要按三壁分别拍摄，由于照明不均匀、镜头畸变，以及照片数量巨大等问题，都使拼接非常困难。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足而提供一种小断面地下硐室数字图像采集和处理方法，它拍摄简便，定位准确，图像质量好，编录处理的效率高。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
采用360°全景数码摄像设备，配置计算机；
沿小断面硐室的硐底纵向轴线安设可前后衔接的活动轨道，活动轨道上配置小车，小车上安设固定摄像设备的支架，使得摄像镜头位于硐室断面的中心，且镜头的中心线(轴线)与硐室纵向轴线相平行；
调整摄像镜头的焦距，确定摄像设备的纵向移动步长，配置相应照明灯具；
移动小车按步长对硐室进行分段拍摄，使前后各个分段所采集的数字图像相互衔接，将活动轨道不断前后交替向前接续，移动小车不断前移，直至拍摄完毕；
通过计算机的图像处理软件对采集的硐室图像进行校正、展开和拼接，最后由地质人员用图像解释软件对图像进行解释，完成小端面硐室数字图像采集和处理过程。
按上述方案，所述的360°全景数码摄像设备由360°全景镜头和数字摄像头组成，一次同时拍摄硐室四壁，摄取硐壁360°环带图像。
按上述方案，所述的纵向移动步长按硐径的1/4设置，或按矩形硐室(平硐)断面边长的1/4设置，再根据试采集的图像质量进行微调。
按上述方案，所述的硐室断面为矩形、城门形或圆弧形。
按上述方案，通过计算机图像解释软件对已经校正、展开和拼接的图像进行坐标标定、解释、测量、标注、绘图、编辑和保存。
按上述方案，在小车上安设位移传感器，位移传感器与计算机相联，实现对步长和硐深的计数和控制。
按上述方案，所述的照明灯具采用低功耗的LED灯具，在小车上安装前、后两套门框形可转动LED灯具，以实现被摄影硐壁的同步、无影照明。
按上述方案，所述的活动轨道分为2段，每段为10米，每段由5节导轨拼接组成，拍摄时前后交替接续向前。
本发明的有益效果在于：1、将全景摄像头用于勘探小断面硐室的数字图像采集，拍摄方向与硐向平行，同时拍摄四壁，解决了近景摄影的问题；2、采用轨道定位，摄象机位于硐室断面中心，按步长连续采集，解决了定位的问题，并可实现自动图像采集，轨道采用组合拼装的活动轨道，拍摄时交替前进，简化了配套设施；3、采用低功耗的LED灯具，并安装前、后两套门框形可转动灯具，解决了均匀照明的问题，也节省能耗；4、通过计算机图像处理软件进行图像校正、展开和拼接，提高了图象拼接质量和效率，图像质量好，编录处理的效率高。
【附图说明】
图1为本发明一个实施例中图像自动采集系统逻辑结构示意图。
图2为本发明一个实施例中活动轨道和摄像设备整体结构立体图。
图3为本发明一个实施例的活动轨道结构立体图。
图4为本发明一个实施例中照明范围及摄影范围关系示意图。
图5为本发明一个实施例中摄象机位置示意图。
图6为本发明一个实施例的圆环形全景图像。
图7为图6中圆环形全景图像的展开图像。
图8为本发明一个实例的部分影像及解释的放大图像。
【具体实施方式】
以下结合附图进一步说明本发明的具体实施例。
配套设施包括有图像采集系统、低功耗无影照明系统、轨道车载定位系统。
图像采集系统包括由数字彩色电视摄像机(DH-HV3102UC)和360°全景镜头(SONY)组成的360°全景数码摄像设备13、计算机8(笔记本电脑)、硐深控制器等部分。摄像机通过可伸缩相机支架12固定在小车上，通过调整轨道位置和可伸缩相机支架的高度，使其位于硐室断面的中心，且镜头的中心线(轴线)与硐室纵向轴线相一致。硐深控制器6由位移传感器、计数器、单片机及电源7、电源适配器组成。位移传感器5采用E6B2光电码盘，安装在轨道小车的轮轴上，光电码盘每转动一周输出600个脉冲，计数器接收光电码盘传来的脉冲，转换成硐深计数，并通过USB电缆发送给计算机，由采集软件按照事先设定的步长向摄像机发出信号，完成自动拍摄。
低功耗无影照明系统：由6个低耗节能LED照明灯具、2个12V免维护铅酸蓄电池、12V→3V电源模块等组成。LED照明灯具长1.2m，背面装有聚能反光罩和活动支架，每个灯具含308个高亮LED。使用时分别将其安装在前后两个小车上，形成前后两个门框形结构LED照明灯具14、15，从两个方向照亮硐壁。通过调整照射角度，使照明光线在平硐左右顶三个壁面的图像采集区域(图像采集范围87°)范围内照度均匀，形成无影照明。无影照明系统采用直流供电，使用2个12V-33Ah可充电电瓶11和12V(IN)→3V(OUT)电源模块供电，充足电后可连续工作8～10个小时。
轨道车载定位系统：包括支架型活动轨道、前后两个小车10、3，每个小车安设前后左右四个车轮4，车轮内侧设置止口，与活动轨道相配套，防止小车脱轨。支架型活动轨道由安装支架2和可拆装的轨道1组成，轨道为矩形空心不锈钢管，以连接头套入方式连接，并由固定板17和螺栓16固定。安装支架2由圆形不锈钢管和角钢焊接而成，和轨道与支架的连接采用嵌槽加销栓方式。安装支架的支脚高度可单独调整，以适应地下硐室底部凹凸不平的情况。活动轨道分为2段，每段为10米，每段由5节导轨拼接组成。前后两个小车之间用连接杆9相连，在轨道上同步运行。前面的小车10为辅助仪器车，主要安装一个门字形LED灯组，并安放为之供电的蓄电池，后面的小车3为仪器车，安放另一个门字形灯组和图像采集系统。根据硐室大小可伸缩连接杆调整前后两个小车的距离，使拍摄区域内获得最佳照明。
小断面地下硐室图像采集和处理还包括软件系统，所述软件系统由图像采集控制软件、图像展开拼接处理软件、解释软件组成。
图像采集控制软件主要是配合硬件系统实现图像自动控制采集。可以设置曝光参数，采集步长等，同时还负责控制摄象机拍摄、保存图像。图像展开拼接处理软件主要功能就是对硐室360°全景数字图像进行展开、非线性畸形校正、图像拼接、图像均衡等处理，形成硐室壁面的正视影像图，如图7所示。图像解释软件是对图像坐标标定、解释、测量、标注、绘图、编辑和保存等。解释软件可以对图像所包含信息进行长度、角度、产状测量，并将这些信息编辑整理，以字符、线条的形式表现，以合适地格式保存。同时还可以让地质工作人员在图像上进行地层岩性、地质构造等调绘等工作，以实现了地下硐室的快速地质编录与硐室地质资料可视化。
小断面地下硐室图像采集和处理的方法和过程为：
在安设好轨道和各配套设施后，确定360°全景数码摄像设备的纵向移动步长，步长按硐径的1/4设置，再根据试采集的图像质量进行微调。硐深控制器通过位移传感器设置、控制步长，提供计算机采集图像信号；360°全景摄像机安装于小车上，调整摄像机支架，使摄像机处于硐室断面的中心位置，摄取硐壁360°环带图像；计算机控制360°全景摄影机调整参数，以获得最佳硐壁图像信息，并根据控制器步长信息自动采集硐壁图像保存到硬盘上；由DC12V电源提供给硐深控制器电源，同时通过电源适配器提供给计算机、照明灯使用。所有设备安装在小车上，小车在活动轨道上运行，活动轨道摆放在硐室底面的中央，活动轨道采用前后组合拼接结构，拍摄时前后交替拼接前移，直至完成全硐的拍摄；360°环带图像为摄像设备获取的原始图象，如图6所示；硐深控制器的位移传感器安装在小车的轮轴上，将车轮的转数转换成硐深计数发送给计算机(笔记本电脑)，采集软件根据预先设置的步长控制摄象机自动拍摄，并将图象以硐深(单位：米)为文件名保存在计算机的硬盘上。计算机控制定位、初始参数设置、控制图像采集、存储，实现精确定位、连续自动图像采集；进行图像畸变处理、自动联系拼接，形成按坐标排列的三个壁面的连续图像；进行图像解释、测量、标注、绘图、编辑等工作，如图8所示。