本發(fā)明涉及到多源信息融合技術(shù)和工程地質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化方法，它適用于隧道爆破掌子面地質(zhì)信息和爆破質(zhì)量的識(shí)別。

背景技術(shù)：

隧道爆破質(zhì)量與工程地質(zhì)條件、工程施工條件等息息相關(guān)，實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的關(guān)鍵因素是必須從掌子面的地質(zhì)信息入手，通過(guò)對(duì)掌子面的三維重建，基于BIM平臺(tái)，運(yùn)用紅外熱像技術(shù)、核磁共振技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，使用相關(guān)的計(jì)算指標(biāo)對(duì)掌子面進(jìn)行評(píng)價(jià)和反饋，從而實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量的數(shù)字化評(píng)價(jià)與控制。

當(dāng)前獲取隧道掌子面地質(zhì)信息的方式主要通過(guò)地質(zhì)素描，人為進(jìn)行地質(zhì)條件的觀察，這種方式具有很大局限性，如受到觀察條件的影響，素描的準(zhǔn)確性與觀察者的水平及經(jīng)驗(yàn)相關(guān)，具有很大的主觀性。實(shí)踐證明，僅僅憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)獲取掌子面的地質(zhì)信息是不夠的，缺乏科學(xué)理論與技術(shù)的指導(dǎo)，會(huì)得到錯(cuò)誤的信息，造成不必要的資源浪費(fèi)。

隨著信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)已從平面二維空間，逐漸轉(zhuǎn)向空間三維立體思維模式，三維激光掃描技術(shù)已越來(lái)越多地應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中。與傳統(tǒng)的二維掃描技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)能提供視場(chǎng)內(nèi)、有效測(cè)程的一定采樣密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并具有較高的測(cè)量精度和極高的數(shù)據(jù)采集效率，且采樣點(diǎn)云為海量，上千萬(wàn)數(shù)量級(jí)，形成了一個(gè)基于點(diǎn)云的離散三維模型數(shù)據(jù)場(chǎng)。因此，利用三維激光掃描技術(shù)，可以把隧道掌子面的地質(zhì)信息進(jìn)行數(shù)字化采集，對(duì)提高隧道爆破作業(yè)的準(zhǔn)確性與施工效率具有較大的作用，但要實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化，單一運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)還不能有效解決隧道爆破過(guò)程中面臨的超挖、欠挖、地質(zhì)信息識(shí)別等技術(shù)難題。

紅外熱像技術(shù)利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量，形成可見的紅外熱像圖。由于水的比熱容與巖石的不同，且隧道掌子面處于一個(gè)特定溫度場(chǎng)，因而這些特性可以對(duì)隧道掌子面的涌水進(jìn)行檢測(cè)，在同樣的熱輻射條件下，滲漏部位由于水分的存在，使其熱容量增大，其溫度的升高較小，從而在紅外熱像圖上形成“冷點(diǎn)”；其次，根據(jù)不同巖石比熱容不同，在紅外熱像圖上呈現(xiàn)的顏色不同，從而識(shí)別不同的地質(zhì)信息。利用紅外熱像進(jìn)行隧道爆破掌子面各類地質(zhì)信息的識(shí)別，具有較好的優(yōu)越性，它是實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的重要組成部分。

核磁共振成像技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子電路技術(shù)、超導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種生物磁學(xué)核自旋成像技術(shù)。核磁共振成像技術(shù)可以進(jìn)行裂縫識(shí)別，尤其對(duì)于巖石內(nèi)部的裂縫，這是三維激光掃描、紅外熱像技術(shù)等方法無(wú)法識(shí)別的。因此，如何實(shí)現(xiàn)隧道掌子面孔隙度的定量化是進(jìn)行隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的重要因素，這對(duì)隧道掌子面的穩(wěn)定以及施工的安全都有重要的意義。

BIM技術(shù)(Building Information Modeling)是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立，通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。BIM建模的過(guò)程其實(shí)就是數(shù)字化的過(guò)程。BIM提供了一種更接近現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)計(jì)思維模式，它采用了模擬現(xiàn)實(shí)對(duì)象的方式，以多維設(shè)計(jì)思維為基礎(chǔ)，讓計(jì)算機(jī)代替人腦完成三維、二維的思維轉(zhuǎn)化。因此，基于BIM技術(shù)，融合三維激光掃描技術(shù)、紅外熱像技術(shù)、核磁共振成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化評(píng)價(jià)與控制。這種方式最大的特點(diǎn)是吸收三維激光掃描、紅外熱像等技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)BIM平臺(tái)自身技術(shù)的不足，從多元、多維、多角度實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量評(píng)價(jià)與控制的數(shù)字化，具有算法先進(jìn)、綜合性強(qiáng)、預(yù)測(cè)精度高、評(píng)價(jià)效果好等優(yōu)點(diǎn)。

中國(guó)專利CN 102798412 B一種基于三維激光掃描評(píng)定隧道鉆爆施工質(zhì)量的方法，該方法包括以下步驟：首先采用隧道數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)，然后采用隧道數(shù)據(jù)前處理模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果構(gòu)建隧道三維模型構(gòu)建模塊，采用隧道三維模型后處理模塊進(jìn)行后處理，最后采用隧道鉆爆質(zhì)量評(píng)價(jià)模塊對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法主要是單一采集數(shù)據(jù)，不能融合多源數(shù)據(jù)，不能實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化評(píng)價(jià)與控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是在于提供了一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法，通過(guò)三維成像技術(shù)對(duì)隧道掌子面進(jìn)行三維重建，基于BIM技術(shù)融合紅外熱像、核磁共振等技術(shù)，對(duì)隧道掌子面進(jìn)行數(shù)字化處理，實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量的評(píng)價(jià)與控制。該方法具有算法先進(jìn)、綜合性強(qiáng)、預(yù)測(cè)精度高、評(píng)價(jià)效果好等優(yōu)點(diǎn)，適用于不同圍巖等級(jí)的公路隧道、鐵路隧道、城市地下隧道等。

為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供了一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法，包括多源數(shù)據(jù)采集模塊、BIM融合模塊、BIM重構(gòu)后處理模塊、綜合信息管理模塊。多源數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的各類地質(zhì)信息導(dǎo)入BIM融合模塊，然后進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，歸集為多源異構(gòu)融合數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而傳輸至BIM重構(gòu)后處理模塊，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)信息的三維重構(gòu)與后處理，最后傳輸至綜合信息管理模塊，進(jìn)行隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化評(píng)價(jià)與控制的各類管理與應(yīng)用。

所述的多源數(shù)據(jù)采集模塊包括2個(gè)子模塊，即掃描子模塊和巖樣采集子模塊。掃描子模塊主要是利用隧道斷面二維掃描、三維激光掃描、紅外熱像掃描、高速攝影等技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻繁爆破時(shí)隧道地質(zhì)信息的采集。巖樣采集子模塊主要是利用核磁共振成像技術(shù)、CT掃描成像技術(shù)采集隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化所需的典型巖樣信息。

隧道二維掃描采集的數(shù)字化評(píng)價(jià)指標(biāo)有超挖量、欠挖量、超挖面積、欠挖面積、隧道爆破斷面圖等。

三維激光掃描主要是獲取隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化所需的三維數(shù)字模型圖、超挖體積、欠挖體積、隧道收斂值等指標(biāo)。

紅外熱像掃描主要是采集隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化所需的最大紅外溫度、最小紅外溫度、平均紅外溫度、三維紅外溫度場(chǎng)等指標(biāo)。

高速攝影主要是采集不同時(shí)間下隧道爆破破巖圖像、不同時(shí)間下隧道圍巖動(dòng)態(tài)圖像、不同時(shí)間下隧道襯砌變形圖像等指標(biāo)。

核磁共振成像技術(shù)主要是采集巖心T2譜分布、核磁共振成像圖像等參數(shù)，主要用于采集巖石的滲透率、孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)特征。

CT掃描成像技術(shù)主要是采集巖石內(nèi)密度分布、CT掃描成像圖像等參數(shù)，主要是用于表征巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征，識(shí)別微裂隙的演化，構(gòu)建三維數(shù)字巖心。

所述的BIM融合模塊指以BIM為平臺(tái)對(duì)多維數(shù)據(jù)采集模塊獲取的多維數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合子模塊和影像融合子模塊，然后歸集為多源異構(gòu)融合數(shù)據(jù)庫(kù)。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合子模塊主要是對(duì)隧道斷面二維掃描、三維激光掃描采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，包括二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理等2個(gè)方面。

二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理實(shí)現(xiàn)的步驟有：(1)二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM平臺(tái)；(2)坐標(biāo)處理；(3)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)去除；(4)數(shù)據(jù)修補(bǔ)；(5)噪音去除。

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理實(shí)現(xiàn)的步驟為：(1)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM平臺(tái)；(2)實(shí)景圖像數(shù)據(jù)細(xì)分；(3)數(shù)據(jù)優(yōu)化重組；(4)點(diǎn)云疊加優(yōu)化。

影像融合子模塊主要是對(duì)紅外熱像掃描、高速攝影、核磁共振成像、CT掃描成像等采集的多源影像數(shù)據(jù)進(jìn)行多維分解、多尺度融合系數(shù)確定、貝葉斯融合等3方面的工作。

多維分解主要是對(duì)紅外熱像掃描、高速攝影、核磁共振成像、CT掃描成像等采集的原始影像分別進(jìn)行均勻離散曲波變換分解，得到不同尺度，不同方向下的子帶系數(shù)，即(1)構(gòu)建曲波窗函數(shù)；(2)多尺度濾波器組信號(hào)分析。

多尺度融合系數(shù)確定主要是依據(jù)平均值選取規(guī)則和最大模值選取規(guī)則，對(duì)紅外熱像掃描、高速攝影、核磁共振成像、CT掃描成像等采集的原始影像的低頻系數(shù)、高頻系數(shù)進(jìn)行合并優(yōu)化處理，得到多維多尺度高頻融合系數(shù)和低頻融合系數(shù)。

貝葉斯融合主要是基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，將高頻融合系數(shù)、低頻融合系數(shù)作為先驗(yàn)概率，然后再進(jìn)行均勻離散曲波逆變換，得到優(yōu)化后的多尺度融合圖像。

所述的BIM重構(gòu)后處理模塊包括2個(gè)子模塊，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維重構(gòu)后處理子模塊和影像數(shù)據(jù)三維重構(gòu)后處理子模塊。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維重構(gòu)后處理子模塊實(shí)現(xiàn)的主要方法是網(wǎng)格算法，實(shí)現(xiàn)步驟主要有：(1)確定初始三角形；(2)加入新面邊；(3)構(gòu)成新三角形；(4)反復(fù)檢測(cè)和搜索；(5)隧道三維實(shí)景輪廓圖。

影像數(shù)據(jù)三維重構(gòu)后處理子模塊實(shí)現(xiàn)的主要步驟是：(1)典型紅外圖像、核磁共振成像圖像、CT掃描成像圖像等多源圖像選??；(2)超像素分割；(3)特征提??；(4)成像圖像特征提取優(yōu)化；(5)面板參數(shù)修正。

所述的綜合信息管理模塊包括4個(gè)子模塊，即綜合評(píng)價(jià)子模塊、智能控制子模塊、圖像管理子模塊、信息反饋?zhàn)幽K。

綜合評(píng)價(jià)子模塊主要是利用定量化的隧道爆破質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)字化評(píng)價(jià)，包括綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)集、綜合評(píng)價(jià)分值、綜合評(píng)價(jià)等級(jí)、評(píng)價(jià)值定量化輸出。其中，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)集包括超挖量、欠挖量、超挖面積、欠挖面積、超挖體積、欠挖體積、炮眼痕跡保存率等指標(biāo)；綜合評(píng)價(jià)分值主要是對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行定量化，設(shè)總分為100分，最低分為0分；綜合評(píng)價(jià)等級(jí)主要根據(jù)綜合評(píng)價(jià)分值進(jìn)行確定，共分5個(gè)等級(jí)，即優(yōu)、良、中、合格、差。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)子模塊，可實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量各類評(píng)價(jià)指標(biāo)的定量化輸出，輸出的轉(zhuǎn)換格式有PDF、DOC、LSX、OPJ。

智能控制子模塊主要是對(duì)隧道爆破質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)決策控制，包括綜合控制指標(biāo)集、綜合控制分值、綜合控制等級(jí)、控制值定量化輸出。其中，綜合控制指標(biāo)集包括圍巖類別、掌子面幾何尺寸、涌水狀態(tài)、巖石類型、掌子面風(fēng)化程度、孔隙度、節(jié)理間距、節(jié)理寬度等指標(biāo)；綜合控制分值設(shè)總分為100分，最低分為0分；綜合控制等級(jí)主要根據(jù)綜合控制分值進(jìn)行確定，共分5個(gè)等級(jí)，即優(yōu)、良、中、合格、差。通過(guò)智能控制子模塊，可實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量控制各類指標(biāo)的定量化輸出，輸出的轉(zhuǎn)換格式PDF、DOC、LSX、OPJ。

圖像管理子模塊主要是再現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量的各個(gè)場(chǎng)景，包括多源圖像可視化輸出、多源圖像多功能顯示，以實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量的可視化演示。輸出的影像指標(biāo)主要包括二維實(shí)景圖、三維實(shí)景圖、紅外熱像圖、高速攝影圖、核磁共振成像圖、CT掃描成像圖。通過(guò)圖像管理子模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類圖像進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、切片、隱藏、分塊顯示等功能。

信息反饋?zhàn)幽K主要是實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)價(jià)、智能控制與圖像管理的互聯(lián)互通，包括評(píng)價(jià)效果分析、控制建議，圖像效果等指標(biāo)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、本發(fā)明將三維激光掃描、紅外熱像技術(shù)、核磁共振技術(shù)等多種技術(shù)與BIM技術(shù)融合，使用多源指標(biāo)，充分運(yùn)用隧道爆破掌子面的地質(zhì)信息，對(duì)隧道爆破質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)、客觀的定量化評(píng)價(jià)與控制，能有效提高隧道施工的進(jìn)度，降低工程造價(jià)，保證工程施工安全。

2、本發(fā)明將隧道爆破掌子面的地質(zhì)信息進(jìn)行數(shù)字化處理，并基于BIM平臺(tái)對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行多源融合處理，數(shù)字化是本發(fā)明的最大特點(diǎn)。

3、本發(fā)明采用BIM技術(shù)，對(duì)隧道爆破掌子面進(jìn)行三維數(shù)字化建模，實(shí)現(xiàn)了掌子面的三維可視化，能夠全面捕捉掌子面的地質(zhì)信息，更能真實(shí)反映隧道爆破質(zhì)量的效果。

4、本發(fā)明結(jié)合多種方法對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并對(duì)采集的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化處理，從而使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，提升了隧道爆破后階段以及整個(gè)工程的準(zhǔn)確性。

5、本發(fā)明適用于各種地質(zhì)條件與施工條件，能夠較好地適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境下的隧道爆破施工。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法的工作流程示意圖。

圖2為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法在多源數(shù)據(jù)采集模塊下工作流程圖。

圖3為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法的二維掃描數(shù)據(jù)采集指標(biāo)。

圖4為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法的三維激光掃描數(shù)據(jù)采集指標(biāo)。

圖5為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法的紅外熱像掃描數(shù)據(jù)采集指標(biāo)。

圖6為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法的高速攝影數(shù)據(jù)采集指標(biāo)。

圖7為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法的核磁共振成像數(shù)據(jù)采集指標(biāo)。

圖8為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法的CT掃描成像數(shù)據(jù)采集指標(biāo)。

圖9為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法在BIM融合模塊下工作流程圖。

圖10為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法在BIM重構(gòu)后處理模塊下工作流程圖。

圖11為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法在綜合信息管理模塊下工作流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

實(shí)施例

如圖1所示，圖1為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法的工作流程示意圖。

一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法，該方法包括多源數(shù)據(jù)采集模塊、BIM融合模塊、BIM重構(gòu)后處理模塊、綜合信息管理模塊。多源數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的各類地質(zhì)信息導(dǎo)入BIM融合模塊，然后進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，歸集為多源異構(gòu)融合數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而傳輸至BIM重構(gòu)后處理模塊，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)信息的三維重構(gòu)與后處理，最后傳輸至綜合信息管理模塊，進(jìn)行隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化評(píng)價(jià)與控制的各類管理與應(yīng)用。

各模塊具體實(shí)現(xiàn)方法為：

1.多源數(shù)據(jù)采集模塊

如圖2所示，圖2為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法在多源數(shù)據(jù)采集模塊下工作流程圖。

所述的多源數(shù)據(jù)采集模塊包括2個(gè)子模塊，即掃描子模塊和巖樣采集子模塊。掃描子模塊主要是利用隧道斷面二維掃描、三維激光掃描、紅外熱像掃描、高速攝影等技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻繁爆破時(shí)隧道地質(zhì)信息的采集。巖樣采集子模塊主要是利用核磁共振成像技術(shù)、CT掃描成像技術(shù)采集隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化所需的典型巖樣信息。

掃描子模塊主要是在隧道爆破作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)完成數(shù)據(jù)的采集，巖樣采集子模塊主要是在現(xiàn)行進(jìn)行巖樣采集，然后在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)以完成數(shù)據(jù)的采集。

如圖3所示，圖3為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法的二維掃描數(shù)據(jù)采集指標(biāo)。

隧道斷面二維掃描主要是獲取隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化所需的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及作為隧道三維激光掃描的輔助技術(shù)。隧道二維掃描采集的數(shù)字化評(píng)價(jià)指標(biāo)有超挖量、欠挖量、超挖面積、欠挖面積、隧道爆破斷面圖等。

如圖4所示，圖4為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法的三維激光掃描數(shù)據(jù)采集指標(biāo)。

三維激光掃描主要是獲取隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化所需的三維數(shù)字模型圖、超挖體積、欠挖體積、隧道收斂值等指標(biāo)。

如圖5所示，圖5為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法的紅外熱像掃描數(shù)據(jù)采集指標(biāo)。

紅外熱像掃描主要是采集隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化所需的最大紅外溫度、最小紅外溫度、平均紅外溫度、三維紅外溫度場(chǎng)等指標(biāo)。

如圖6所示，圖6為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法的高速攝影數(shù)據(jù)采集指標(biāo)。

高速攝影主要是采集不同時(shí)間下隧道爆破破巖圖像、不同時(shí)間下隧道圍巖動(dòng)態(tài)圖像、不同時(shí)間下隧道襯砌變形圖像等指標(biāo)。

如圖7所示，圖7為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法的核磁共振成像數(shù)據(jù)采集指標(biāo)。

核磁共振成像技術(shù)主要是采集巖心T2譜分布、核磁共振成像圖像等參數(shù)，主要用于采集巖石的滲透率、孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)特征。

如圖8所示，圖8為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法的CT掃描成像數(shù)據(jù)采集指標(biāo)。

CT掃描成像技術(shù)主要是采集巖石內(nèi)密度分布、CT掃描成像圖像等參數(shù)，主要是用于表征巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征，識(shí)別微裂隙的演化，構(gòu)建三維數(shù)字巖心。

2.BIM融合模塊

如圖9所示，圖9為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法在BIM融合模塊下工作流程圖。

所述的BIM融合模塊指以BIM為平臺(tái)對(duì)多維數(shù)據(jù)采集模塊獲取的多維數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合子模塊和影像融合子模塊，然后歸集為多源異構(gòu)融合數(shù)據(jù)庫(kù)。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合子模塊主要是對(duì)隧道斷面二維掃描、三維激光掃描采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，包括二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理等2個(gè)方面。

二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理實(shí)現(xiàn)的步驟有：(1)二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM平臺(tái)；(2)坐標(biāo)處理，將采集的所有隧道斷面的二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel工作表，得到x軸、y軸的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將每一個(gè)斷面沿隧道縱向的采集長(zhǎng)度作為y軸輸入Excel工作表，構(gòu)建隧道二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理庫(kù)；(3)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)去除，檢查隧道當(dāng)前斷面與下一個(gè)當(dāng)前斷面和上一個(gè)當(dāng)前斷面采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)量、縱向采集長(zhǎng)度是否匹配，去除錯(cuò)誤的不匹配數(shù)據(jù)；(4)數(shù)據(jù)修補(bǔ)，對(duì)缺損的數(shù)據(jù)進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)延拓和修補(bǔ)，采用雙輸入、單輸出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，選取采集的離散化二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，將BP預(yù)測(cè)值作為破損區(qū)域的修補(bǔ)數(shù)據(jù)；(5)噪音去除，將按照上述步驟處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入BIM平臺(tái)，通過(guò)圖形顯示，查看有無(wú)壞點(diǎn)，如果存在壞點(diǎn)，需要再進(jìn)行數(shù)據(jù)修補(bǔ)，反之，不需進(jìn)行壞點(diǎn)去除。

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理實(shí)現(xiàn)的步驟為：(1)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM平臺(tái)；(2)實(shí)景圖像數(shù)據(jù)細(xì)分，通過(guò)對(duì)隧道三維激光掃描時(shí)預(yù)設(shè)的采樣系數(shù)、預(yù)設(shè)焦距、預(yù)設(shè)最大有效距離等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)節(jié)采集的每個(gè)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)；(3)數(shù)據(jù)優(yōu)化重組，通過(guò)基準(zhǔn)圖像進(jìn)行拼裝，檢查相鄰圖像的吻合性，消除錯(cuò)誤的拼裝數(shù)據(jù)，形成完整的隧道爆破實(shí)景圖像；(4)點(diǎn)云疊加優(yōu)化，將優(yōu)化重組后形成的完整圖像內(nèi)的多余部分進(jìn)行清理，保留隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化評(píng)價(jià)與控制所需的掌子面、隧道襯砌等部分，然后進(jìn)行紋理貼圖。

影像融合子模塊主要是對(duì)紅外熱像掃描、高速攝影、核磁共振成像、CT掃描成像等采集的多源影像數(shù)據(jù)進(jìn)行多維分解、多尺度融合系數(shù)確定、貝葉斯融合等3方面的工作。

多維分解主要是對(duì)紅外熱像掃描、高速攝影、核磁共振成像、CT掃描成像等采集的原始影像分別進(jìn)行均勻離散曲波變換分解，得到不同尺度，不同方向下的子帶系數(shù)，即(1)構(gòu)建曲波窗函數(shù)，所有窗函數(shù)以2π為周期，窗函數(shù)集合構(gòu)成單位分解，兩個(gè)一維函數(shù)相乘可以得到矩形窗函數(shù)；(2)多尺度濾波器組信號(hào)分析，根據(jù)傅里葉變換理論，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行變換，得到頻域數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)與均勻離散曲波變換的各頻帶等效濾波器相乘，得到曲波系數(shù)。

多尺度融合系數(shù)確定主要是依據(jù)平均值選取規(guī)則和最大模值選取規(guī)則，對(duì)紅外熱像掃描、高速攝影、核磁共振成像、CT掃描成像等采集的原始影像的低頻系數(shù)、高頻系數(shù)進(jìn)行合并優(yōu)化處理，得到多維多尺度高頻融合系數(shù)和低頻融合系數(shù)。

貝葉斯融合主要是基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，將高頻融合系數(shù)、低頻融合系數(shù)作為先驗(yàn)概率，然后再進(jìn)行均勻離散曲波逆變換，得到優(yōu)化后的多尺度融合圖像。

3.BIM重構(gòu)后處理模塊

如圖10所示，圖10為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法在BIM重構(gòu)后處理模塊下工作流程圖。

所述的BIM重構(gòu)后處理模塊包括2個(gè)子模塊，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維重構(gòu)后處理子模塊和影像數(shù)據(jù)三維重構(gòu)后處理子模塊。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維重構(gòu)后處理子模塊實(shí)現(xiàn)的主要方法是網(wǎng)格算法，實(shí)現(xiàn)步驟主要有：(1)確定初始三角形，即通過(guò)n個(gè)散點(diǎn)，確定最初三角形A，并將其作為初始的當(dāng)前網(wǎng)格；(2)加入新面邊，以該三角形的三條邊初始化擴(kuò)展邊隊(duì)列，對(duì)擴(kuò)展邊隊(duì)列中的每條邊b進(jìn)行檢測(cè)，查看其是否為內(nèi)邊，若不是內(nèi)邊則由選點(diǎn)規(guī)則搜索一個(gè)擴(kuò)張點(diǎn)v，與邊b構(gòu)成一個(gè)新的三角形C，然后從擴(kuò)展邊隊(duì)列中移出b，將三角形C加入到當(dāng)前網(wǎng)格中，然后判斷新三角形C的2條邊是否為當(dāng)前網(wǎng)格中的新邊，若為新邊則將其加入到擴(kuò)展邊隊(duì)列中；(3)反復(fù)對(duì)擴(kuò)展邊隊(duì)列中的每一條邊進(jìn)行檢測(cè)和搜索，直到不再有新邊和新三角面片產(chǎn)生為止，最后可以得到隧道三維實(shí)景輪廓圖。

影像數(shù)據(jù)三維重構(gòu)后處理子模塊實(shí)現(xiàn)的主要步驟是：(1)典型紅外圖像、核磁共振成像圖像、CT掃描成像圖像等多源圖像選取，并將其作為樣本訓(xùn)練圖像，并針對(duì)性選取對(duì)應(yīng)的深度圖；(2)超像素分割，對(duì)選取的每一幅樣本訓(xùn)練圖像進(jìn)行超像素分割，并結(jié)合深度圖計(jì)算對(duì)應(yīng)的面板參數(shù)；(3)特征提取，提取一個(gè)超像素的特征向量，然后選取面板參數(shù)、超像素對(duì)應(yīng)的特征向量作為輸入訓(xùn)練參數(shù)，確定面板參數(shù)馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)模型參數(shù)；(4)成像圖像特征提取優(yōu)化，針對(duì)紅外、核磁共振、CT掃描成像圖像超像素特征提取過(guò)程中由于超像素分割導(dǎo)致特別小的像素塊被忽略，致使最近的鄰接超像素?zé)o法代替的問(wèn)題，利用高速攝影進(jìn)行標(biāo)定，以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的典型紅外圖像部分進(jìn)行智能搜索，然后選取高速攝影對(duì)應(yīng)的特征部位的超像素作為輸入訓(xùn)練參數(shù)，確定輸出的面板模型參數(shù)；(5)面板參數(shù)修正，利用面板參數(shù)馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)模型對(duì)超像素進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)分析，尋找水平線，找出隧道圍巖、掌子面、襯砌對(duì)應(yīng)的超像素，確定隧道與紅外熱像圖、核磁共振成像圖、CT掃描成像圖的對(duì)應(yīng)位置，最后結(jié)合確定的結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行多源綜合圖像重建。

4.綜合信息管理模塊

如圖11所示，圖11為本發(fā)明一種基于BIM的多維成像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量數(shù)字化的方法在綜合信息管理模塊下工作流程圖。

所述的綜合信息管理模塊包括4個(gè)子模塊，即綜合評(píng)價(jià)子模塊、智能控制子模塊、圖像管理子模塊、信息反饋?zhàn)幽K。

綜合評(píng)價(jià)子模塊主要是利用定量化的隧道爆破質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)字化評(píng)價(jià)，包括綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)集、綜合評(píng)價(jià)分值、綜合評(píng)價(jià)等級(jí)、評(píng)價(jià)值定量化輸出。其中，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)集包括超挖量、欠挖量、超挖面積、欠挖面積、超挖體積、欠挖體積、炮眼痕跡保存率等指標(biāo)；綜合評(píng)價(jià)分值主要是對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行定量化，設(shè)總分為100分，最低分為0分，通過(guò)分值反映隧道爆破質(zhì)量的等級(jí)；綜合評(píng)價(jià)等級(jí)主要根據(jù)綜合評(píng)價(jià)分值進(jìn)行確定，共分5個(gè)等級(jí)，即優(yōu)、良、中、合格、差，90-100分為優(yōu)，80-89分為良，70-79分為中，60-69分為合格，小于60分為差。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)子模塊，可實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量各類評(píng)價(jià)指標(biāo)的定量化輸出，輸出的轉(zhuǎn)換格式有PDF、DOC、LSX、OPJ。

智能控制子模塊主要是對(duì)隧道爆破質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)決策控制，包括綜合控制指標(biāo)集、綜合控制分值、綜合控制等級(jí)、控制值定量化輸出。其中，綜合控制指標(biāo)集包括圍巖類別、掌子面幾何尺寸、涌水狀態(tài)、巖石類型、掌子面風(fēng)化程度、孔隙度、節(jié)理間距、節(jié)理寬度等指標(biāo)；綜合控制分值設(shè)總分為100分，最低分為0分，通過(guò)分值反映隧道爆破質(zhì)量的控制效果等級(jí)；綜合控制等級(jí)主要根據(jù)綜合控制分值進(jìn)行確定，共分5個(gè)等級(jí)，即優(yōu)、良、中、合格、差，90-100分為優(yōu)，80-89分為良，70-79分為中，60-69分為合格，小于60分為差。通過(guò)智能控制子模塊，可實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量控制各類指標(biāo)的定量化輸出，輸出的轉(zhuǎn)換格式PDF、DOC、LSX、OPJ。

圖像管理子模塊主要是再現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量的各個(gè)場(chǎng)景，包括多源圖像可視化輸出、多源圖像多功能顯示，以實(shí)現(xiàn)隧道爆破質(zhì)量的可視化演示。輸出的影像指標(biāo)主要包括二維實(shí)景圖、三維實(shí)景圖、紅外熱像圖、高速攝影圖、核磁共振成像圖、CT掃描成像圖。通過(guò)圖像管理子模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類圖像進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、切片、隱藏、分塊顯示等功能。

信息反饋?zhàn)幽K主要是實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)價(jià)、智能控制與圖像管理的互聯(lián)互通，包括評(píng)價(jià)效果分析、控制建議，圖像效果等指標(biāo)。

上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。