CN101936715A - 地铁隧道整体形变检测拍摄镜头姿态消减方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道变形监测技术领域的误差消减技术，具体为一种地铁隧道整体形变检测拍摄镜头姿态消减方法。同一侧站上装有两组镜头，镜头的中心线重合，两个镜头进行前向和后向的测量，这样每个测站的位置均由两个镜头给出。采用上述技术方案方法，可以消除由于拍摄镜头安装时由于姿态产生的测量误差。

Description

地铁隧道整体形变检测拍摄镜头姿态消减方法

技术领域

本发明涉及一种隧道变形监测技术领域的误差消减技术，具体为一种地铁隧道整体形变检测拍摄镜头姿态消减方法。

背景技术

我国隧道管理与养护技术滞后，养护技术规范还需要完善，在长大隧道方面更需要研究。国内虽在多座隧道中引进了成套隧道营运监控系统的技术，但效果不甚理想，主要原因在于控制模式不切合实际，且在长大隧道方面还应用的较少。利用采用网络传感器技术和图像识别技术对运营地铁隧道形变进行在线式实时监测，根据隧道变形数据分析隧道变形状况，及时预报隧道变形状况不良引起的灾害，很具研究意义。隧道的形变是个缓慢渐变的过程。要对隧道状态进行准确监测，对监测系统的精度提出了较高的要求。而采用图像传感器进行的测量的过程，存在误差传播，这就对每个测站的位置精度要求很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地铁隧道整体形变检测拍摄镜头姿态消减方法，消除由于拍摄镜头安装时由于姿态产生的测量误差。由此减少测量误差，提高隧道整体形变监测系统的精度。隧道整体形变监测系统可以有效检测隧道的整体形变量，据此分析得到隧道的沉降情况，及时提供预警信号，保持隧道营运安全。

本发明是通过以下技术方案实现的，同一侧站上装有两组镜头，镜头的中心线重合，该两个镜头进行前向和后向的测量，这样每个测站的位置均由两个镜头给出，由此消除镜头空间转角的影响。

采用本发明误差消减技术手段，可以减少测量误差，提高隧道轴向整体形变监测系统精度。如果不消除镜头的姿态误差，不仅降低了每个测站的位置精度，而且通过误差传播，将大大提高整体的测量误差。

附图说明

图1为隧道变形监测总体架构图

图2为测站内各设备的位置关系示意图

图3为测站内布局图

图4为相邻测站检测目标物的原理示意图

图5为圆形光源中心坐标比较示意图

图6为建立的模型图

图7为YZ平面局部模型放大图

图8为XY平面局部模型放大图

标记说明：1-图像传感器    2-可变焦镜头    3-图像采集终端    4-标的物5-稳压电源，6-箱体，61-箱体边侧面

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，在隧道内壁上分布的多个测站以及在隧道车站上设有的站级监测系统，各测站内的图像采集终端通过RS485总线连接成网络并与站级监测系统中的监控电脑连接，实现将图像采集终端采集处理获得的相邻测站坐标位移变化信息发至站级监测系统并由监控电脑统一汇总分析两车站间隧道变形状况。

每个测站如图2所示：包括两个圆形光源作为标的物4、两个摄像头、图像采集终端3、稳压电源5，所述摄像头包括相互连接的可变焦长焦镜头2和作为感光器件CCD的图像传感器1，所述两个标的物4设于箱体6两边侧面61用以给相邻测站的摄像头提供圆形光源，所述两个摄像头也分别设于箱体6两边侧面61用以拍摄相邻前后测站的标的物，摄像头的图像传感器1与所述图像采集终端3连接用于将感光后采集的信号存储于图像采集终端3上，所述稳压电源5分别与标的物4、摄像头、图像采集终端3连接为其提供电源，所述图像采集终端3将采集的信号处理，通过拟合圆形光源确定圆心作为相邻测站的坐标，比较前后两次圆心变化得到对应测站位移变化。测站内摄像头及光源的布置见图3所示，测站内两个标的物的水平中心线尽量重合，两个拍摄镜头的水平中心线也应该尽量重合，测站内各装置均固定于箱体上。

各个测站中的图像采集终端作为主控模块沿隧道的轴线方向分布用以检测前后相邻测站中的光源中心位置作为所在测站的空间坐标。例如图4所示的例子，通过LCD上的人机界面，适当地调节图像采集终端“2”的镜头使图像采集终端“1”和图像采集终端“3”的光源图像处于其前后两镜头的视野中心处。图像采集终端“2”所在测站中的两个图像传感器交替获取图像采集终端“1”和图像采集终端“3”的发出的光源图像，该图像信息由图像采集终端“2”处理器拟合出目标光源的圆心位置。每隔一定时间进行拍摄，分别计算出图像采集终端“1”和图像采集终端“3”所在测站的光源圆心相对上次的偏移量。由于各测站与隧道内壁是刚性连接的，因此可以从光源的圆心位置变动推断出隧道内壁发生的形变。

从图5中可以看出，目标光源的拟合中心位置在X、Y方向发生了位移，由于图像传感器与隧道内壁是刚性连接的，因此可以从检测目标的圆心位置变动推断出隧道内壁发生了形变。车站内所有测站将相邻测站位移信息通过RS485总线形成网络并同时汇总到车站内的监测系统，据此分析得到隧道的沉降情况。

由于测站自身存在漂移误差，对每一个测站而言，自身存在一个中误；另外，CCD镜头在安装过程中存在微小的空间转角，客观上并不能保证所有的镜头在同一直线上。隧道变形监测采用分布式网络智能图像传感器进行相邻位移检测，通过定位基准的传递，获得每个测站的绝对位移量。通过车站监测系统对各测站位移大小及变化趋势的分析，进行隧道变形状态的预警。隧道变形监测总体架构如图1。

误差传播分析主要关注于隧道纵轴线沿横断面的形变。其工作原理为：在相邻两个车站之间分别设有两个基准站。其间的每个测站上设有圆形光源、拍摄镜头以及图像采集终端。通过监测光源圆心坐标的变化来确定隧道的形变。增加传感器网络数量可以拟合出隧道纵轴线沿横断面的位移。

就每一个测站而言，其上布有一图像采集终端、一LED光源以及图像采集的CCD镜头。为了尽量消除拍摄镜头姿态对采集数据的影响，每一个测站上布有两个镜头，一个镜头用于拍摄后一测站的光源，另一个镜头拍摄前一测站的光源。其布局图如图3所示。消除误差的方法将在下文中做详细的阐述。

由于除了两个基准点(设在相邻两个车站间)以外，中间测点的坐标均为相对坐标，在转化为绝对坐标的时候存在误差传播问题，当某一点绝对坐标的中误差超过隧道的形变量的时候，后面点的测量数据将失去意义。这就凸显出进行误差传播分析的重要性，通过对误差传播的分析，可以为镜头的选型，算法的改进等提供理论依据。

误差分析模型的建立

由于测站自身存在漂移误差以及图像在提取过程中存在算法误差，对每一个测站而言，自身存在一个中误差，设为m。考虑到CCD镜头在安装过程中存在微小的空间转角，并不能所有的镜头在同一直线上。但可以保证同一测站上两个镜头在同一直线上。利用同一测站上的两个镜头进行前向和后向的重复测量，可以消除空间转角的影响。将空间转角投影到竖直方向YZ平面和水平方向XY平面，可建立如下数学模型。假设各个测点之间的距离相等，不考虑沿隧道轴线的纵向Y的偏移。(因为镜头在隧道轴线方向上的微小变化对镜头的数据采集影响很小)

根据几何常识，空间角投影到YZ平面和XY平面的计算思路是相同的，下面以YZ平面为例进行建模，XY平面内的计算可以参照此模型进行计算。根据系统的实际情况，建立模型图如图6(取前五个点，后面的点由相应的递推公式得到)。

根据假设，有l₁＝l₂＝......＝l_n＝l。z_m表示该点的绝对坐标，z_ij中i表示镜头所在点位，j表示测量点位。计算如下：

z₁＝z₀₁  (1)

$\tan {\mathrm{\θ}}_1=\frac{z_{01}+z_{10}}{l_1}---\left(2\right)$

$\tan {\mathrm{\θ}}_1=\frac{-z_{01}}{y_1}---\left(3\right)$

y₂＝l₂-y₁  (4)

z′₂＝-y₂×tanθ₁＝-(l₂-y₁)tanθ₁    (5)

＝-z₁₀-2z₀₁＝-z₁₀-2z₁

z₂＝z₁₂-z₂-z₀

                     (6)

＝z₁₂+z₁₀-z₀+2z₁

$\tan {\mathrm{\θ}}_2=-\frac{z_{21}+z_2-z_1}{l_2}---\left(7\right)$

z′₃＝l₃tanθ₂＝-(z₂₁+z₂-z₀₁)    (8)

z₃＝z₂₁+z₂₃-z₁+2z₂       (9)

以此类推。。。。。。

z_n＝z_n-1，n+z_n-1，n-2-z_n-2+2z_n-1    (10)

由以上的递推公式可以得到z_n的计算公式：

z_n＝[z_n1，n+z_n-1，n-2+2z_n2，n-3+2z_n-2，n-4       (11)

+......+(n-1)z₁₀+(n-1)z₁₂]-(n-1)z₀+nz₁

采用一个测点前后采集数据并考虑安装等外部影响会产生误差传播和累积，由误差传播定律计算可得第n个点的中误差为：

$m_{z_n}=\±\sqrt{{m_{z_{n-1,n}}}^2+{m_{z_{n-1,n-2}}}^2+...+{(n-1)}^2{m_{z_{12}}}^2+{(n-1)}^2{m_{z_{10}}}^2+n^2{m_{z_1}}^2}---\left(12\right)$

对于每一个测点的相对中误差，可以采用多次测量确定。方法为：将光源固定，并用一相机重复测量多组数据。如：X1，X2，X3，………..Xn。计算其中误差m，并进行粗差判别(采用2σ准则)和剔除，得到最终中误差。将m_中作为本测量系统的误差。

在系统相对稳定的情况下，以上方法测得的中误差的数值近似相等，为了研究方便，我们都取为m_YZ，于是上式变为：

$m_{z_n}=\sqrt{2[1^2+...+{(n-1)}^2]{m_{\mathrm{YZ}}}^2+n^2{m_{\mathrm{YZ}}}^2}---\left(13\right)$

$m_{z_n}=\sqrt{\frac{{2n}^3+n}{3}}{m}_{\mathrm{YZ}}---\left(14\right)$

对于XY平面来说，其模型与YZ平面大体一致，如图7、图8XY平面局部模型放大图.

根据YZ平面的模型分析，在各个测点中误差相同的情况下(实际情况测点的镜头型号一样，中误差是基本相等的)，设为m_XY，XY平面误差传播公式为：

$m_{x_n}=\sqrt{2[1^2+...+{(n-1)}^2]{m_{\mathrm{XY}}}^2+n^2{m_{\mathrm{XY}}}^2}---\left(15\right)$

$m_{x_n}=\sqrt{\frac{2n^3+n}{3}}{m}_{\mathrm{XY}}---\left(16\right)$

最终考虑镜头姿态情况下总的中误差为：

$m_{\mathrm{\Δ}}=\sqrt{\frac{2n^3+n}{3}}\sqrt{{m_{\mathrm{XY}}}^2+{m_{\mathrm{YZ}}}^2}---\left(17\right)$

当m_XY＝m_YZ的情况下(实际情况测点的镜头型号一样，两个平面中误差是基本相等的)，设为m，则式(17)变为：

$m_{\mathrm{\Δ}}=\sqrt{\frac{4n^3+2n}{3}}m---\left(18\right)$

采用此方法，可以消除由于拍摄镜头安装时由于姿态产生的测量误差。

Claims (1)

1.一种地铁隧道整体形变检测拍摄镜头姿态消减方法，其特征在于，同一侧站上装有两组镜头，镜头的中心线重合，该两个镜头进行前向和后向的测量，每个测站的位置均由两个镜头给出。

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