CN102564335B - 一种大型隧道变形测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型隧道变形测量方法，该方法采用非接触式的光学测量，通过向隧道壁投射若干激光标志点作为测量基准点，用两部相机同步采集隧道壁激光标志点的高分辨率数字图像，通过图像识别、机器视觉等方法计算出测量位置的三维立体数据，通过测量的不同时刻数据对比来检测隧道在不同时刻的变形量。这种方法能够高精度的测量隧道在三维空间的变形情况，指导工程人员提前预防隧道隐患，加固隧道基体，此方法测量方便快捷，测量数据的整体性好，提高了隧道变形数据的稳定和可靠性。

Description

一种大型隧道变形测量方法

技术领域

本发明涉及一种大型隧道变形测量方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，在生活中，随着高速公路或者铁路、城市轨道交通工程日益增加，大型隧道工程的运用越来越多，而大型的隧道在施工工程要求高，尤其是在施工工艺、支护要求和变形方面有更高的要求。隧道的变形监测与控制是隧道施工过程和后续隧道维护过程中非常重要的内容，如何更精确的监测隧道的变形已经成为工程人员的热点，也是一个难点。

隧道的施工改变原有的地理结构，破坏了原有的地质平衡，造成隧道变形，这种变形贯穿于隧道施工开挖到隧道成型支护形成一个新的平衡的整个过程中，为了防止隧道产生破坏性的变形，发生工程事故，隧道工程要求其总变形量通常控制在1~2cm以内，这样就迫切需要实时准确地提供隧道变形的数据，且观测的精度要求较高。传统的测量变形的方法比较少，且测量不方便、变形量的测量精度较差，如采用传感器的方式，需要在隧道壁上面安装足够多的传感器，甚至需要在隧道施工过程中去安装，极其不方便，也难于维修，且传感器的方式属于接触式的，工作过程复杂、效率低。还有一些采用超声波方式，测量变形的精度差，受干扰程度大，这些都是测量方法本身的固有属性造成的，不容易克服。全站仪用于变形监测的缺点是：测量精度低，另外测量点数目多将大大增加测量的工作量，例如大型隧道，监测变形需要大量的数据点，在测量过程需要大量的人力和时间，不易实现自动化检测。另外利用水准仪配合水准尺的观测同样实施困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述问题，提供一种大型隧道的变形测量方法，这种方法能够高精度的测量隧道在三维空间的变形情况，指导工程人员提前预防隧道隐患，加固隧道基体，此方法测量方便快捷，测量数据的整体性好，提高了隧道变形数据的稳定性和可靠性。

本发明的技术方案是：本发明的大型隧道变形测量方法包括以下步骤：

步骤一、在待测隧道中布置一辆可在隧道内行进的小车，将由相机、镜头、点激光仪和照明灯组装成的图像采集装置安装在该小车上，其中相机共有两部且构成双目相机；

步骤二、调整两部相机的位置和夹角、以及照明灯的位置，使两部相机能同时采集到隧道壁上同一区域的清晰照片；并用标定板或标定十字架对相机进行标定，得到相机的内部参数和相机的相对位置关系；

步骤三、使小车在隧道中行进，且小车每行进一定距离就停留一段时间，在小车停留的这段时间内，将点激光仪制造出的激光标志点投射到隧道的壁面上，然后用相机采集包含有所述激光标志点的隧道壁面照片，直至完成整个隧道壁面的图像采集； 

步骤四、将采集的照片导入计算机，利用测量软件识别出每张照片上激光标志点的图像坐标，并根据多张照片上的同一激光标志点的图像坐标计算得到每一个激光标志点的三维立体坐标，从而形成了整个隧道稀疏的三维立体模型数据；

步骤五、重复所述步骤三和步骤四的操作，得到在另一时刻整个隧道稀疏的三维立体模型数据；然后将这两组不同时刻的隧道三维立体模型数据进行求差对比，分析隧道在不同时刻的变形情况。

作为优选，本发明在所述小车上还安装有运动控制器，在所述隧道中还布置有便于小车行进的轨道，且轨道尽量布置在隧道宽度方向的中间位置，所述激光标志点的直径最好为10mm。

本发明的优点是：本测量方法采用非接触式的光学测量，通过向隧道壁投射若干激光标志点作为测量基准点，用两部相机同步采集隧道壁激光标志点的高分辨率数字图像，通过图像识别、机器视觉等方法计算出测量位置的三维立体数据，通过测量的不同时刻数据对比来检测隧道在不同时刻的变形量。具有以下优点：

1、该方法操作简单方便，大部分工作都是有电脑软件完成，数据的采集工作也自动化，只需人为调节设备参数，便于数据采集。

2、该方法采用了光学非接触测量方式，通过对拍摄的一系列隧道壁激光标志点图像分析来计算隧道的形状和变形信息，测量的精度较高。

3、同时，对大型长隧道采集的数据的坐标统一，数据整体性好，可以保证测量数据的可靠性，也便于分析隧道在不同时间段的变形信息。

附图说明

图1是本发明实施例中进行图像采集时的工件布置图；

其中：1-轨道，2-小车，3-相机，4-点激光仪，5-激光标志点，6-隧道壁。

具体实施方式

参照图1所示，本实施例大型隧道变形测量方法包括以下步骤：

步骤一、安装图像采集装置：

在待测隧道中布置一辆可在隧道内行进的小车2，将由点激光仪4、相机3、镜头和照明灯组装成的图像采集装置安装在该小车2上，以便于小车在隧道中行进时，相机3可随时采集隧道壁的图像，用于后续分析。其中相机3共有两部，从而构成双目相机。

为了便于小车2的行进，本例还在小车2上安装了运动控制器，在隧道中布置了轨道1。其中：运动控制器可控制小车在隧道中的行进；轨道1的结构类似于地铁隧道中的地铁铁轨，而且应尽量保证该轨道1布置在隧道宽度方向的中间位置，以保证小车2上的相机3到四周隧道壁6的距离大致相等。

为了获得比较好的拍摄效果，对本步骤一般有如下要求：

点激光仪发出的激光标志点的直径最好为10mm，根据相机到隧道壁的距离选定相机镜头焦距，既要保证拍摄的视场足够大，又要保证拍摄的照片畸变小。如果拍摄距离为2m左右，最好选20mm或者24mm镜头。

步骤二、调整相机和照明灯的位置：

调整两部相机3的位置和夹角，同时调整照明灯的位置，从而保证两部相机能同时采集到隧道壁6上同一区域的清晰照片。并用标定板或标定十字架对相机3进行标定，得到相机3的内部参数和相机的相对位置关系，作为后面计算的依据。

上述调整照明灯位置时，要求在相机所要拍摄的黑暗的隧道壁6上形成均匀的亮度适中的光照，以相机拍摄的照片的清晰度和亮度适宜为准。

步骤三、图像采集：

当步骤一和步骤二中各装置参数和位置调整好并标定后，启动小车运动控制器，使小车在隧道中按“一定要求”行进，同时利用点激光仪4制造激光标志点5，并将制造出的激光标志点5投射到隧道壁6上，然后用相机采集包含有所述激光标志点的隧道壁面照片。

上述的“一定要求”是指：为了采集足够多的数据，且保证一个隧道截面数据的完整性，小车需要在每一个隧道测量截面上停留几秒，等拍摄完照片后小车移动到下一个隧道测量截面再停留几秒（在小车停留的这段时间内，小车必然会处在隧道的一个横截面上，此时用相机采集到的隧道壁面的图像都处于这个隧道截面上，小车停留的这个隧道截面称之为“测量截面”），依次往下，完成整个隧道的图像数据采集。比如：根据测量截面的密集度要求，如果每隔5m作为一个测量截面，那么小车就需要每行进5m停留10s，在每一个测量截面停留的10s内，点激光仪4向隧道壁6投射一个激光标志点5，同时相机3拍摄一组照片，然后图像采集装置在小车上转动一个角度，再拍摄一组照片，直至一个测量截面上的多个采样位置（图1中出示了11个采样位置）全部采集完照片。

在此过程中最好用大功率LED灯照明，以保证采集到的激光点标志点清晰可用；在同一隧道截面（测量截面）上，采用点激光仪一次投射一个激光标志点，同时用双目相机采集图像，若在同一个隧道截面上需要采集多个隧道壁面图像，则使用点激光仪多次投射激光标志点并拍摄照片（如图1）。

步骤四、获得隧道的三维立体模型数据：

将采集的照片导入计算机，利用测量软件（如XJTUDP工业近景摄影测量系统）识别出每张照片上激光标志点的图像坐标，并根据多张照片上的同一激光标志点的图像坐标计算得到每一个激光标志点的三维立体坐标，从而形成了整个隧道稀疏的三维立体模型数据；

步骤五、获得隧道在另一时刻的三维立体模型数据，并将该时刻的隧道三维立体模型数据与步骤四获得的隧道三维立体模型数据进行比较：

一般在一个星期（或多个星期）之后，重复上述步骤三和步骤四的操作，从而获得在另一时刻整个隧道稀疏的三维立体模型数据（此时刻获得的隧道三维立体模型数据相比于步骤四获得的隧道三维立体模型数据，在时间上相差了一至数周）；然后将前后两个不同时刻的两组隧道三维立体模型数据进行求差对比，分析隧道在不同时刻的变形情况。若变形量超过一定的值，就给出在哪一个断面变形量过大，变形量是多少，以便于工程维修人员采集加固保护措施，防止因为变形量过大而引起的隧道渗水或者其他事故，提高隧道的安全性。

当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种大型隧道变形测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、在待测隧道中布置一辆可在隧道内行进的小车，将由相机、镜头、点激光仪和照明灯组装成的图像采集装置安装在该小车上，其中相机共有两部且构成双目相机，所述小车上安装有运动控制器，所述隧道中布置有便于小车行进的轨道，且所述轨道布置在隧道宽度方向的中间位置；

步骤二、调整两部相机的位置和夹角、以及照明灯的位置，使两部相机能同时采集到隧道壁上同一区域的清晰照片；并用标定板或标定十字架对相机进行标定，得到相机的内部参数和相机的相对位置关系，作为后面计算的依据；

步骤三、使小车在隧道中行进，且小车每行进一定距离就停留一段时间，在小车停留的这段时间内，将点激光仪制造出的激光标志点投射到隧道的壁面上，然后用相机采集包含有所述激光标志点的隧道壁面照片，直至完成整个隧道壁面的图像采集，且所述激光标志点的直径为10mm；

步骤四、将采集的照片导入计算机，利用测量软件识别出每张照片上激光标志点的图像坐标，并根据多张照片上的同一激光标志点的图像坐标计算得到每一个激光标志点的三维立体坐标，从而形成了整个隧道稀疏的三维立体模型数据；

步骤五、重复所述步骤三和步骤四的操作，得到在另一时刻整个隧道稀疏的三维立体模型数据；然后将这两组不同时刻的隧道三维立体模型数据进行求差对比，分析隧道在不同时刻的变形情况。