CN104142145A - 大断面矩形顶管自动测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大断面矩形顶管自动测量方法及装置，该装置包括：第一激光发射装置，用于发射激光束；激光接收装置，包括第一激光靶、电机、摄像机、第一测距传感器、以及倾斜仪；控制器，接收所述摄像机拍摄的图像信息、所述第一测距传感器发送的测距数据、所述倾斜仪发送的所述坡度角和所述滚角，所述控制器根据接收的图像信息、所述测距数据、所述坡度角和所述滚角，与所述控制器内的初始参数进行计算，得出所述矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。采用激光发射装置结合图像处理实现低成本，自动测量装置具有高实时性以及高自动化，控制器内的算法可以保证系统精度，使得系统能够应用于曲线顶管，还具有操作简单实现方便的特点。

Description

大断面矩形顶管自动测量方法及装置

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤指一种大断面矩形顶管自动测量方法及装置。

背景技术

随着城市的开发和建设，顶管施工已经成为了市政工程建设中常用的一种施工工法，在顶管施工中的顶管导向系统尤为重要，导向系统用于测量顶管施工的方向，及时纠正偏差确保顶管施工的质量。现有的导向系统由人工导向过度到了自动导向，目前世界范围来讲通用性好、且成熟的导向系统，就是德国VMT公司开发的型号为SLS-RV的顶管导向系统。SLS-RV导向系统利用安装在移动的管节壁上的带隧道激光发射器自动全站仪发出的激光对顶管机的掘进提供稳定的基准，而自动全站仪的定位通过倾斜仪、参考棱镜和距离传感器实现，但由于顶管的施工工艺，因此对于长距离顶进的顶管施工必须定期校核，一般100m一次。该SLS-RV导向系统由于成本极高，所以影响了其使用的普及性。

目前国内使用较多的顶管导向系统主要为激光测量装置，有以下两种方式：

中国在先专利CN2601390Y公开了一种激光测量装置，如图1所示，主要由激光光源1、光靶2、测量环3、摄像机4、计算机5、倾斜仪6组成，光靶2设置在测量环3上，摄像机4朝光靶2方向设置，辅以适当的照明，倾斜仪6固定于微型顶管机机头中，其信号经过微型顶管机机头内PLC可编辑控制器送到控制台的计算机5，摄像机4的信号直接送到计算机5。控制台上能够监视光点的位置，使操作人员在控制台的监视器上通过监视光靶上的光点的位置，来确定机头的高程和平面的偏差，用纠偏操作来纠正机头的偏离，同时将光点位置信号送计算机5进行数字化处理，得到机头的高程和平面的偏差量，再根据掘进距离计算出偏离推进轴线的偏差值。激光光点的位置靠操作人员的肉眼观察，效率不高，不能实现计算机的自动识别，只能用于200米以内的直线顶管施工，通用性差。

伊势机公司中小口径水平衡顶管机中所配备的RSG反射型方向诱导装置，如图2所示，也是一种应用激光技术的姿态测量装置，包括激光光源1、摄像机2、光靶二3、光靶一4、反射镜5、计算机6。它由两块光靶组成，光靶一显示的是实际偏差值，光靶二是反射光靶，激光透过光靶一射向前方的反射镜，然后反射到光靶二上，根据两点成直线的原理，RSG反射型方向诱导装置在得到实际偏差的同时也可以实时得到顶管机机头的水平方位角和俯仰角。该反射型方向诱导装置只能得到顶管机机头的水平方位角和俯仰角，不能得到顶管机相对于管线设计中心的实时偏差，也只能用于200米以内的直线顶管施工，通用性差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种大断面矩形顶管自动测量方法及装置，解决现有导向系统成本高、效率低、不能自动识别、通用性差、以及不能实时测量偏差等问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明一种大断面矩形顶管自动测量方法，包括：

于工作井处设置第一激光发射装置，用于发射激光束；

于矩形顶管的机头处设置第一激光靶；

通过与所述第一激光靶连接的电机驱动所述第一激光靶运动至前靶位和后靶位；

调整所述激光束沿设定轴线照射于所述第一激光靶上，初始时，将所述第一激光发射装置的坐标信息、矩形顶管的前端面坐标信息、矩形顶管的后端面坐标信息、激光束照射于所述前靶位处坐标信息、激光束照射于所述后靶位处坐标信息、所述前靶位至所述第一激光发射装置的距离信息、所述前靶位至所述矩形顶管的前端面的距离信息、所述前靶位至所述后靶位的距离信息、所述后靶位至所述矩形顶管的后端面的距离信息输入到控制器内并存储为初始参数；

矩形顶管掘进过程中，利用摄像机分别拍摄所述第一激光靶于所述前靶位和所述后靶位处的所述激光束图像，将拍摄的图像信息传送至所述控制器；

通过设于所述第一激光靶下方的第一测距传感器，测量所述第一激光靶与所述第一激光发射装置之间的距离，并将测距数据传送至所述控制器；

通过邻设于所述第一激光靶的倾斜仪测量所述第一激光靶的坡度角和滚角，并将测得的所述坡度角和所述滚角传送至所述控制器；

所述控制器根据接收的图像信息分析处理得出当前所述激光束照射于所述前靶位处的坐标信息和所述后靶位处的坐标信息，结合接收的所述测距数据、所述坡度角和所述滚角，分别计算得出当前所述矩形顶管的前端面和后端面坐标信息，并与所述初始参数进行计算，分别得出所述矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。

采用激光发射装置结合图像处理实现低成本，自动测量方法具有高实时性以及高自动化，控制器内的算法可以保证系统精度，使得系统能够应用于曲线顶管，还具有操作简单实现方便的特点。解决了现有导向系统成本高、效率低、不能自动识别、通用性差、以及不能实时测量偏差等问题。

本发明大断面矩形顶管自动测量方法的进一步改进在于，所述控制器对接收的图像信息分析处理包括图像桶形失真校正，所述图像桶形失真校正包括：

利用所述摄像机拍摄标准米字格图像；

标记单位点的坐标，同时标记米字格坐标系的中心点；

将所有标记点包含的区域分成小块区，对每个小块区采用线性计算方法进行失真校正，得到校正后的坐标值；

所述线性计算方法包括：

提取所述小块区的中心点以及分布于所述米字格坐标系四个象限内与米字格坐标系的中心点最近的三个标记点，构成四边形区域；

取所述小块区的中心点所在的对角线将所述四边形区域分成两个三角形区域；

将三角形区域的三条边定义为第一边、第二边、以及第三边，对所述的第二边和第三边进行n等分，所述第二边的等分线与所述第三边的交点为第一点，所述第三边的等分线与所述第二边的交点为第二点，再将第一点与第二点之间的点分成k等份，每个等份上的像素与校正坐标系中的像素满足如下公式：x_校正＝k×(x_第二点-x_第一点)/n+x_第一点，y_校正＝k×(y_第二点-y_第一点)/n+y_第一点。

本发明大断面矩形顶管自动测量方法的进一步改进在于，所述控制器对接收的图像信息分析处理还包括单阈值分割、形态学处理和中心坐标计算，

所述单阈值分割包括：设定阈值，当所述图像信息中的像素值大于所述阈值时设为1，当所述图像信息中的像素值小于所述阈值时则设为0，进而得到二值图像；

所述形态学处理包括：对所述二值图像进行形态学滤波，通过开运算和闭运算平滑所述二值图像中激光束形成的激光点的轮廓；

所述中心坐标计算包括：统计经过所述形态学处理的图像信息中像素值为1的像素位置，进行统计平均得出所述激光束的中心位置的坐标信息。

本发明一种大断面矩形顶管自动测量方法，包括：

于工作井处设置第一激光发射装置，用于发射激光束；

于矩形顶管的机头处设置第一激光靶；

通过与所述第一激光靶连接的电机驱动所述第一激光靶运动至前靶位和后靶位；

于所述第一激光靶和所述第一激光发射装置之间设置激光传递装置，所述激光传递装置接力传递所述第一激光发射装置发射的激光束，发出与所述第一激光发射装置同轴的激光束照射于所述第一激光靶；

沿设定轴线调整所述第一激光发射装置和所述激光传递装置发射的激光束，初始时，将所述第一激光发射装置的坐标信息、所述激光传递装置的坐标信息、矩形顶管的前端面坐标信息、矩形顶管的后端面坐标信息、激光束照射于所述前靶位处坐标信息、激光束照射于所述后靶位处坐标信息、所述前靶位至所述激光传递装置的距离信息、所述前靶位至所述矩形顶管的前端面的距离信息、所述前靶位至所述后靶位的距离信息、所述后靶位至所述矩形顶管的后端面的距离信息输入到控制器内并存储为初始参数；

矩形顶管掘进过程中，利用摄像机分别拍摄所述第一激光靶于所述前靶位和所述后靶位处的所述激光束图像，将拍摄的图像信息传送至所述控制器；

通过设于所述第一激光靶下方的第一测距传感器，测量所述第一激光靶与所述激光传递装置之间的距离，并将测距数据传送至所述控制器；

通过邻设于所述第一激光靶的倾斜仪测量所述第一激光靶的坡度角和滚角，并将测得的所述坡度角和所述滚角传送至所述控制器；

所述控制器根据接收的图像信息分析处理得出当前所述激光束照射于所述前靶位处的坐标信息和所述后靶位处的坐标信息，结合接收的所述测距数据、所述坡度角和所述滚角，分别计算得出当前所述矩形顶管的前端面和后端面坐标信息，并与所述初始参数进行计算，分别得出所述矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。

本发明大断面矩形顶管自动测量方法的进一步改进在于，以矩形顶管前进的方向为前方，相反方向为后方，所述激光传递装置包括第二激光靶、第二激光发射装置、以及第二测距传感器；

设置所述第二激光靶接收后方的激光束，所述第二激光发射装置向所述第一激光靶发射激光束；

通过所述第二测距传感器测量所述第二激光靶至所接收的激光束发射处的距离；

利用所述第二激光靶的坐标信息和所述第二测距传感器测量的距离实时修正所述第二激光发射装置的参数，根据修正的参数，分别计算所述矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。

本发明大断面矩形顶管自动测量方法的进一步改进在于，当所述激光传递装置随着所述矩形顶管掘进到预设距离时，于靠近所述工作井处的管节上设置另一激光传递装置。

本发明一种大断面矩形顶管自动测量装置，包括：

第一激光发射装置，设于工作井处，用于发射激光束；

设于矩形顶管机头处的激光接收装置，包括第一激光靶、电机、摄像机、第一测距传感器、以及倾斜仪，所述激光接收装置内设有靠近前端面的前靶位和靠近后端面的后靶位，所述第一激光靶与所述电机连接，所述电机驱动所述激光靶运动至所述前靶位和所述后靶位；所述摄像机设于所述激光接收装置的后端面上，用于拍摄所述第一激光靶上接收的所述激光束的图像；所述第一测距传感器设于所述激光接收装置的底部，用于测量至至所接收的激光束发射处的距离；所述倾斜仪设于所述激光接收装置的侧部，用于测量所述激光接收装置的坡度角和滚角；

控制器，控制连接所述电机和所述摄像机，并接收所述摄像机拍摄的图像信息，所述控制器还接收所述第一测距传感器发送的测距数据和所述倾斜仪发送的所述坡度角和所述滚角，所述控制器根据接收的图像信息分析处理，分别得出所述前靶位处和所述后靶位处所述激光束的坐标信息结合接收的所述测距数据、所述坡度角和所述滚角，计算得出当前所述矩形顶管的前端面和后端面坐标信息，并与所述控制器内的初始参数进行计算，分别得出所述矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。

采用激光发射装置结合图像处理实现低成本，自动测量装置具有高实时性以及高自动化，控制器内的算法可以保证系统精度，使得系统能够应用于曲线顶管，还具有操作简单实现方便的特点。解决了现有导向系统成本高、效率低、不能自动识别、通用性差、以及不能实时测量偏差等问题。

本发明大断面矩形顶管自动测量装置的进一步改进在于，所述控制器内包括图像处理单元，所述图像处理单元包括图像桶形失真校正模块，所述图像处理单元将接收的所述图像信息传送至所述图像桶形失真校正模块对所述图像信息进行校正。

本发明大断面矩形顶管自动测量装置的进一步改进在于，所述图像处理单元还包括单阈值分割模块、形态学处理模块和计算模块，所述单阈值分割模块对校正过的图像信心进行阈值分割，得到二值图像；所述形态学处理模块对所述二值图像进行开运算和闭运算，平滑所述二值图像中激光束形成的激光点的轮廓；所述计算模块统计计算出所述激光束的中心坐标信息。

本发明大断面矩形顶管自动测量装置的进一步改进在于，还包括设于靠近所述工作井处管节上的激光传递装置，以矩形顶管前进的方向为前方，相反方向为后方，用于接力传递后方的激光束，发出与后发激光束同轴的激光束，所述激光传递装置包括第二激光靶、第二激光发射装置、以及第二测距传感器，所述第二激光靶接收后方的激光束，所述第二激光发射装置向前方发射激光束，所述第二测距传感器用于测量所述第二激光靶至所接收的激光束发射处的距离；

利用所述第二激光靶的坐标信息和所述第二测距传感器测量的距离实时修正所述第二激光发射装置的参数，根据修正的参数，分别计算所述矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。

附图说明

图1为现有技术中一种顶管测量装置的结构示意图；

图2为现有技术中RSG反射型方向诱导装置的结构示意图；

图3为本发明大断面矩形顶管自动测量装置的结构示意图；

图4为本发明大断面矩形顶管自动测量装置中的激光接收装置的结构示意图；

图5为本发明大断面矩形顶管自动测量装置中图像桶形失真校正过程中的坐标示意图；

图6为本发明大断面矩形顶管自动测量装置中图像桶形失真校正过程中的校正前的图像区域；

图7为本发明大断面矩形顶管自动测量装置中图像桶形失真校正过程中的校正后的图像区域；

图8为本发明大断面矩形顶管自动测量装置中加入激光传递装置的结构示意图；

图9为本发明大断面矩形顶管自动测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图3，显示了本发明大断面矩形顶管自动测量装置的结构示意图。本发明大断面矩形顶管自动测量方法及装置，采用激光发射装置结合激光接收装置，实现矩形顶管的自动测量，激光接收装置内设有摄像机，通过图像处理及计算算法得出矩形顶管的偏差信息，实现测量装置的低成本的目标。通过严密设计的算法保证测量方法及装置的测量精度，还能使得测量方法及装置适用于曲线顶管，可以实现高实时性、高自动化。另外，加入接力设计，即通过激光传递装置进一步扩展了测量装置及方法的通用性，可以满足长距离曲线顶管的施工测量。下面结合附图对本发明大断面矩形顶管自动测量方法及装置进行说明。

参阅图3，显示了本发明大断面矩形顶管自动测量装置的结构示意图。下面结合图3对本发明大断面矩形顶管自动测量装置进行说明。

如图3所示，本发明大断面矩形顶管自动测量装置适用于顶管施工工艺，尤其适用于长距离的矩形顶管施工，矩形顶管10在顶进施工过程中，通过本发明大断面矩形顶管自动测量装置进行矩形顶管姿态的实时测量，及时获取矩形顶管的姿态偏差，从而指导矩形顶管掘进。本发明大断面矩形顶管自动测量装置包括第一激光发射装置30、激光接收装置40、以及控制器50，第一激光发射装置30设置于工作井20处，用于发射激光束301，通过激光束301测量矩形顶管10的偏差信息。激光接收装置40设于矩形顶管10的机头附近，包括有第一激光靶401，用于接收第一激光发射装置30发射的激光束301，激光束301于第一激光靶401上形成激光点。激光接收装置40还包括第一测距传感器404和倾斜仪405，第一测距传感器404设置于激光接收装置40的底部，用于测量至所接收的激光束301的发射处的距离，在本实施例中，测量至第一激光发射装置30的距离，倾斜仪405设置于激光接收装置40的侧部，用于测量激光接收装置40的坡度角和滚角，也就是矩形顶管的机头的坡度角和滚角。

结合图4所示，显示了本发明大断面矩形顶管自动测量装置中激光接收装置的结构示意图。该激光接收装置40还包括电机402和摄像机403，电机402与第一激光靶401驱动连接，驱动第一激光靶401运动至前靶位408和后靶位409，前靶位408靠近激光接收装置40的前端面406，后靶位409靠近激光接收装置40的后端面407。摄像机403设于激光接收装置40的后端面407，用于拍摄第一激光靶401上激光束301形成的激光点，拍摄形成图像信息。控制器50控制连接电机402和摄像机403，控制电机402的运行，控制摄像机403拍摄，控制器50接收摄像机403拍摄的图像信息，还接收第一测距传感器404测量的测距数据和倾斜仪405测量的坡度角和滚角，控制器50根据接收的图像信息分析得出激光束301形成的激光点的中心位置，即该位置处的坐标信息，分别包括前靶位408处和后靶位409处的坐标信息，然后结合接收的测距数据、坡度角和滚角，计算出当前矩形顶管的前端面和后端面的位置信息，即前端面和后端面的坐标，与控制器50内存储的设定轴线的初始参数进行计算，分别得出矩形顶管10的前端面和后端面的偏差信息，对矩形顶管10的导向起到指导作用。

在激光接收装置40内设置有无线通信模块，摄像机403拍摄的图像信息、第一测距传感器404测量的测距数据、以及倾斜仪405测量的坡度角和滚角均通过无线通信模块传送至控制器50内进行计算。

本发明大断面矩形顶管自动测量装置的工作原理为：

先通过第一激光发射装置30沿设定轴线射入到矩形顶管10内的第一激光靶401上，记录此时第一激光靶401上激光束301形成的激光点的坐标信息，包括第一激光靶401在前靶位408处时激光点的位置和第一激光靶401在后靶位409处时激光点的位置，记录此时第一测距传感器404测量的到第一激光发射装置30的距离和倾斜仪405此时测得的坡度角和滚角，第一激光发射装置30的坐标信息、矩形顶管的前端面坐标信息、矩形顶管后端面的坐标信息、前靶位408至矩形顶管前端面的距离信息、前靶位408至后靶位409的距离信息、后靶位至矩形顶管后端面的距离信息，将以上的信息存储到控制器内，作为初始参数，以此来检测矩形顶管顶进过程中相对于设计轴线的偏差。矩形顶管10在掘进过程中，控制器50通过分析摄像机403传送的实时的图像信息、第一测距传感器404传送的测距数据、和倾斜仪405传送的坡度角和滚角，调用控制器50内存储的计算方法，计算得出矩形顶管前端面和后端面当前的位置信息，与设定轴线的初始参数进行计算，进而得到了矩形顶管10的前端面和后端面的偏差信息。

作为本发明大断面矩形顶管自动测量装置的一较佳实施方式，控制器50内包括有图像处理单元，通过图像处理单元对接收的图像信息进行处理，得到激光束301形成的激光点的中心位置信息。该图像处理单元包括有图像桶形失真校正模块、单阈值分割模块、形态学处理模块、和计算模块，对接收到的图像信息先进行图像桶形失真校正，图像处理单元将接收到的图像信息传送至图像桶形失真校正模块对图像信息进行校正。

该图像桶形失真校正模块通过设定的算法，可以实现对图像的快速校正。图像桶形失真校正模块内存储的算法具体为：

用摄像机采集标准米字格图像，使用人工标定的方式获得单位点的坐标。做法是在拍摄前，人工将米字格图像设于第一激光靶401上，理论上设置的米字格图像的坐标系与摄像机中的图像坐标系是重合的，但是由于人工设置的原因，实际拍摄的图像信息中，米字格坐标系与图像坐标系存在一定的误差，结合图5所示，U0′V是米字格坐标系，0′点是米字格坐标系的中心点(x_0′，y_0′)，U轴根据与米字格坐标系的中心点同轴的单位点进行直线拟合得到，该直线方程为y＝x*arctgΘ+b，V轴与U轴成直角正交；XOY是图像坐标系，0点是图像坐标系的中心点(m/2，n/2)，图像的大小为m*n，X轴和Y轴分别是图像的横轴和纵轴，则：dx＝m/2-x₀，，dy＝n/2-y_0′；对图像信息上的每个坐标点(x_i，y_i)进行旋转、平移变换，可以使得米字格坐标系与图像坐标系重合，x＝(x_i+dx)*cosΘ-(y_i+dy)*sinΘ，y＝(x_i+dy)*sinΘ+(y_i+dy)*cosΘ。

采用线性计算对图像的桶形失真进行校正，将所有标记点包含的区域划分成小块区，对每个小块区采用线性计算方法进行失真校正，然后得到校正后的坐标值。该线性计算方法包括：提取每个小块区的中心点，这些点位于米字格上的坐标为(±M*10，±N*10)，M和N为正整数。每个点(x，y)与米字格中心点0′之间的位置关系可以为：第一象限点：x＜0，y＞0；第二象限点：x＞0，y＜0；第三象限点：x＜0，y＜0；第四象限点：x＞0，y＞0；X轴点：y＝0；Y轴点：x＝0；对于X轴点和Y轴点属于边界情况，不对这种情况的点进行分割区域。接着对于第一象限、第二象限、第三象限、和第四象限内的点(x，y)，点(x，y)为小块区的中心点，以下称为中心点，找到其他象限内与米字格中心点0′最近的三个点，这样四个点构成了四边形区域，取中心点的所在的对角线将四边形区域分成两个三角形区域，三角形区域内的像素与校正后的图像像素之间并不是一一对应关系，结合图6和图7所示，校正后的像素与校正前的像素在位置和数量上均发生了很大的变化。对三角形区域的三条边定义为第一边、第二边、以及第三边，对第二边和第三边进行n等分，第二边的等分线与第三边的交点定义为第一点，第三边的等分线与第二边的交点定义为第二点，再将第一点与第二点之间的点分成k等份，每个等份上的像素对应一个校正坐标系中的像素，满足如下公式：x_校正＝k×(x_第二点-x_第一点)/n+x_第一点，y_校正＝k×(y_第二点-y_第一点)/n+y_第一点。

具体到本发明中图像信息为激光束形成的激光点图像，计算该激光点中心坐标时，先搜索图像信息中所有非零的元素，将非零元素的横坐标和纵坐标分别放到行、列数组中，然后分别找出行、列数组中的最小值和最大值，根据最小横轴坐标和最大横轴坐标、最小纵轴坐标和最大纵轴坐标，计算出激光点所在区域对应的文本数据，然后读取相应的校正文件，对图像信息快速校正。

图像信息经过图像桶形失真校正后，再经过单阈值分割模块进行阈值分割形成二值图像，再经过形态学处理模块进行开运算和闭运算，平滑激光束形成的激光点的轮廓，然后通过计算模块，统计算出激光束的中心坐标信息。

单阈值分割模块，拍摄的激光束301形成的激光点的图像信息，该激光点呈白色，理论上激光点的RGB值为(255，255，255)，为了得到准确激光点的位置信息，对校正后的图像进行单阈值分割来提取，

$\mathrm{image}=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{RGB}(i,j)>\mathrm{threshold}\\ 0& \mathrm{other}\end{array}\right.$

其中，threshold为阈值，大小为原图像中最大值的0.95倍。

形态学处理模块，经单阈值分割后的图像为二值图像，大部分的背景都被消除，但仍然有噪声干扰，在计算中心坐标之前，应用形态学方法消除阈值分割中异常情况的英雄。具体操作采用3*3的白色方可结构进行形态学滤波，单阈值分割出来的二值图像按照下面的公式进行开运算和闭运算操作：

$B=(B\×S)\·S=((\left(\mathrm{B\ΘS}\right)\⊕S)\⊕S)\mathrm{\ΘS}$

闭运算能够平滑激光点的轮廓，填充比结构元素小的洞。开运算完全删除了不能包含结构原色的对象区域，平滑了激光点的轮廓。

计算模块，统计经过处理后的图像信息上值为1的像素位置，并进行统计求平均值，就得到了激光点的中心位置：

$\stackrel{\‾}{X}=\frac{\mathrm{\Σi}}{n}\mathrm{image}(i,j)=1$ n为像素的个数

$\stackrel{\‾}{Y}=\frac{\mathrm{\Σj}}{n}\mathrm{image}(i,j)=1$ n为像素的个数

控制器50内的系统算法设计为：

(1)初始参数计算

输入：激光源(即第一激光发射装置)坐标(X₀，Y₀，Z₀)，前端中心坐标(X_前，Y_前，Z_前)，后端上坐标(X_后上，Y_后上，Z_后上)，后端下坐标(X_后下，Y_后下，Z_后下)，初始前靶(即前靶位)读数(E_前初，F_前初)，初始后靶(即后靶位)读数(E_后初，F_后初)

输出：第一激光靶的方位角α_靶、坡度角β_靶、滚角φ_靶，前靶中心坐标(X_前，Y_前，Z_前)，后靶中心坐标(X_后，Y_后，Z_后)，初始状态下前靶与激光源的距离初始状态下后靶与激光源的距离

另外：安装在第一激光靶上的第一测距传感器测出的距离S₀。

(2)前后靶中心在顶管机中的局部坐标

输入：切口(矩形顶管的前端面)坐标(X_切，Y_切，Z_切)，盾尾(矩形顶进的后端面)坐标(X_尾，Y_尾，Z_尾)，前靶中心坐标(X_前，Y_前，Z_前)，后靶中心坐标(X_后，Y_后，Z_后)，第一激光靶的方位角α_靶、坡度角β_靶、滚角φ_靶

计算：

利用三参数空间坐标旋转公式计算。

输出：前靶中心在顶管机中的局部坐标(X′_切，Y′_切，Z′_切)、后靶中心在顶管机中的局部坐标(X′_尾，Y′_尾，Z′_尾)

(3)动态情况下，根据拍摄激光图像，计算矩形顶管的偏差

输入：前后靶之间的距离d，前靶读数(y_前，z_前)，后靶读数(y_后，z_后)，靶的倾斜角k，初始状态下前靶与激光源的距离初始状态下后靶与激光源的距离激光源(即激光发射装置)的坐标(X₀，Y₀，Z₀)，第一激光靶的方位角α_靶、坡度角β_靶、

安装在第一激光靶上的第一测距传感器，在初始状态下测出的距离S₀，以及在动态情况下测出的距离S_动。

计算：

ΔS＝S_动-S₀

(4)计算切口、盾尾(即矩形顶管的前端面和后端面)的三维坐标。

输入：第(2)步计算出来前靶中心在顶管机中的局部坐标(X′_切，Y′_切，Z′_切)、后靶中心在顶管机中的局部坐标(X′_尾，Y′_尾，Z′_尾)，第(3)步计算出来的前靶中心坐标后靶中心坐标第(3)步计算出来的方位角、坡度角、滚角(α，β，γ)

计算：

利用局部坐标和接收靶实际坐标逆算。

输出：动态情况下的切口盾尾坐标

(5)利用切口、盾尾(即矩形顶管的前端面和后端面)坐标计算偏差。

切口平面偏差：D＝AH×sinα

切口里程：C＝Ca+CH；CH＝AH×cosα

其中：AH为点A到切口点H的距离；Ca为轴线上A点处的里程。从而可得出盾构在推进中在轴线任意位置的切口和盾尾的平面偏差和里程。用类似的方法也可求出高程偏差，用内插法求出H点在AB上的投影高程Z′。

切口垂直偏差Vh＝Z₁-Z′

上式中的Z₁为切口的高程。盾尾计算与切口相同。

参阅图8，显示了本发明大断面矩形顶管自动测量装置中加入激光传递装置的结构示意图。下面结合图8，对本发明大断面矩形顶管自动测量装置的另一较佳实施方式进行说明。

结合图8所示，作为本发明大断面矩形顶管自动测量装置的一较佳实施方式，本发明矩形顶管自动测量装置还包括有激光传递装置60，激光传递装置60设于第一激光发射装置30和激光接收装置40之间，起到接力传递激光束301的作用，满足长距离曲线顶管施工。该激光传递装置60设置于管节上，较佳设于靠近工作井20处的管节上，由于管节是实时动态的，因此要实时测量顶管的姿态需要采用接力传递的方式来实现。以矩形顶管前进的方向为前方，相反反向为后方，该激光传递装置60包括第二激光靶601、第二激光发射装置602、以及第二测距传感器，第二激光靶601接收后方发射的激光束301，以设置一个激光传递装置60为例，该第二激光靶601接收第一激光发射装置30发射的激光束301，第二测距传感器用于测量第二激光靶601至所接受的激光束301发射处的距离，以设置一个激光传递装置60为例，该第二激光靶601接收至第一激光发射装置30的距离，第二激光发射装置602向前方发射激光束，发射的激光束与后方的激光束同轴，已设置一个激光传递装置60为例，第二激光发射装置602发射的激光束301与第一激光发射装置30发出的激光束301同向，理论上第二激光发射装置602精准接力第一激光发射装置30，两者发出的激光束301均沿设定轴线，以此作为检测矩形顶管10偏差的基准。利用第二激光靶601的位置信息和第二测距传感器测得的距离实时修正第二激光发射装置602的参数，也就是利用图像解析和坐标解算算法逐步计算出安装于管节中的第二激光接收靶601的位置状态，从而解算出对应在同一位置的第二激光发射装置602的坐标和激光方位，这样层层推进，最终解算出矩形顶管的姿态。

对于长距离曲线顶管施工，可以设置多个激光传递装置60，实现激光束的同轴传递，解决当矩形顶管掘进到一定距离，超出激光束的有效测程时无法精确测量顶管偏差的问题，满足长距离的测量需求。

一条隧道短的有几百米，长的有几公里，采用一个激光接收靶是无法完成对整个隧道的监测的，可以采用接力传递的形式。下面举例说明：在车站内安装了一个激光发射器，命名为1号发射器，假设激光发射的有效测程为100环，当激光接收装置接近1号发射器的有效测程时，这时在隧道靠近工作井处的管节上安装一个朝向车站的激光接收靶，命名为100号接收靶，同时在同一位置安装一个与该激光接收靶固定连接、朝向与1号发射器一致的2号激光发射器。2号发射器参与计算的参数需要实时进行修正，其修正值及方位由是100号接收靶的坐标(ΔX，ΔY，ΔZ)换算而来，修正后的三维坐标再参与计算，计算方法同基本模型计算方法，就可以求出所有利用2号发射器的激光接收靶的位移了参数，同理以此类推，就可以实现对整个隧道的导向。

具体计算过程为：设100号靶标定的前中心为(X_1前，Y_1前，Z_1前)，后中心(X_1后，Y_1后，Z_1后)；通过1号激光源测定每次测量的100号激光靶位移量(Δx₁，Δy₁，Δz₁)和方位变化量Δα₁，2号激光源标定的中心为(X_2源，Y_2源，Z_2源)，标定方位为α₂，则改正过后的2号激光源标定坐标为(X_2源+Δx₁，Y_2源+Δy₁，Z_2源+Δz₁)，方位为α₂+Δα₁，再以该2号激光源坐标方位为基准测量对应激光接收靶的位移量，每次计算均按此方法进行。

本发明大断面矩形顶管自动测量装置的有益效果为：

采用激光发射装置结合图像处理实现低成本，自动测量装置具有高实时性以及高自动化，控制器内的算法可以保证系统精度，使得系统能够应用于曲线顶管，还具有操作简单实现方便的特点。解决了现有导向系统成本高、效率低、不能自动识别、通用性差、以及不能实时测量偏差等问题。

参阅图9，显示了本发明大断面矩形顶管自动测量方法的流程图。下面结合图9，对本发明大断面矩形顶管自动测量方法进行说明。

如图9所示，本发明大断面矩形顶管自动测量方法包括：

执行步骤S11，于工作井处设置第一激光发射装置。结合图3所示，将第一激光发射装置30设于工作井20处，用于发射激光束301。接着执行步骤S12。

执行步骤S12，于矩形顶管的机头处设置第一激光靶。在矩形顶管10的机头位置设置第一激光靶401，用于接收激光束301，激光束301在第一激光靶401上形成激光点。接着执行步骤S13。

执行步骤S13，将第一激光靶与电机连接，通过电机驱动第一激光靶运动至前靶位和后靶位。结合图4所示，将第一激光靶401与电机402驱动连接，由电机402驱动第一激光靶401运动至前靶位408和后靶位409。接着执行步骤S14。

执行步骤S14，调整第一激光发射装置发射的激光束沿设定轴线照射于第一激光靶，记录为初始参数。将第一激光发射装置30发射的激光束301调整为沿设定轴线照射于第一激光靶401上，第一激光靶401于前靶位408和后靶位409处的激光束301照射形成的激光点的坐标信息、第一激光发射装置30的坐标信息、矩形顶管的前端面坐标信息、矩形顶管的后端面坐标信息、前靶位408距第一激光发射装置的距离信息、前靶位408至矩形顶管前端面的距离信息、前靶位408至后靶位409的距离信息、后靶位409至矩形顶管的后端面的距离信息记录为初始参数。接着执行步骤S15。

执行步骤S15，提供摄像机，拍摄第一激光靶上激光束的图像信息，并传送至控制器。摄像机403设置于矩形顶管10靠近第一激光靶401的位置，在矩形顶管掘进过程中，用于拍摄第一激光靶401上激光束301照射形成的激光点，并将拍摄的图像信息传送至控制器50。控制器50再根据接收的图像信息计算出激光点的坐标信息，控制器50将步骤S14中的初始参数进行存储，以此为基准来计算顶管机顶进中的姿态偏差。接着执行步骤S16。

执行步骤S16，设置第一测距传感器，测量第一激光发射装置的距离，并将测距数据传送至控制器。第一测距传感器404设于第一激光靶401的下方，用于测量至第一激光发生装置30之间的距离，将测距数据传送至控制器50内，控制器50将初始的测距数据记录为初始参数。接着执行步骤S17。

执行步骤S17，设置倾斜仪，测量的坡度角和滚角传送至控制器。在第一激光靶401附近设置倾斜仪405，用于测量第一激光靶401的坡度角和滚角，将测量的坡度角和滚角传送至控制器50内，控制器50将倾斜仪405初始测量的坡度角和滚角记录为初始参数。接着执行步骤S18。

执行步骤S18，控制器根据接收的图像信息、测距数据、坡度角、滚角、以及初始参数，计算得出矩形顶管的偏差信息。控制器50根据接收的图像信息分析处理得出激光束301的中心位置，即当前激光束照射于前靶位408处和后靶位409处的坐标信息，结合接收的测距数据、坡度角和滚角，分别计算得出当前矩形顶管10的前端面和后端面位置信息，并与初始参数进行计算，分别得出矩形顶管10的前端面和后端面的偏差信息。

控制器50对接收的图像信息分析处理还包括图像桶形失真校正，图像桶形失真校正包括：

用摄像机采集标准米字格图像，使用人工标定的方式获得单位点的坐标。做法是在拍摄前，人工将米字格图像设于第一激光靶401上，理论上设置的米字格图像的坐标系与摄像机中的图像坐标系是重合的，但是由于人工设置的原因，实际拍摄的图像信息中，米字格坐标系与图像坐标系存在一定的误差，结合图5所示，U0′V是米字格坐标系，0′点是米字格坐标系的中心点(x_0′，y_0′)，U轴根据与米字格坐标系的中心点同轴的单位点进行直线拟合得到，该直线方程为y＝x*arctgΘ+b，V轴与U轴成直角正交；XOY是图像坐标系，0点是图像坐标系的中心点(m/2，n/2)，图像的大小为m*n，X轴和Y轴分别是图像的横轴和纵轴，则：dx＝m/2-x_{0 ′}，dy＝n/2-y_0′；对图像信息上的每个坐标点(x_i，y_i)进行旋转、平移变换，可以使得米字格坐标系与图像坐标系重合，x＝(x_i+dx)*cosΘ-(y_i+dy)*sinΘ，y＝(x_i+dy)*sinΘ+(y_i+dy)*cosΘ。

采用线性计算对图像的桶形失真进行校正，将所有标记点包含的区域划分成小块区，对每个小块区采用线性计算方法进行失真校正，然后得到校正后的坐标值。该线性计算方法包括：提取每个小块区的中心点，这些点位于米字格上的坐标为(±M*10，±N*10)，M和N为正整数。每个点(x，y)与米字格中心点0′之间的位置关系可以为：第一象限点：x＜0，y＞0；第二象限点：x＞0，y＜0；第三象限点：x＜0，y＜0；第四象限点：x＞0，y＞0；X轴点：y＝0；Y轴点：x＝0；对于X轴点和Y轴点属于边界情况，不对这种情况的点进行分割区域。接着对于第一象限、第二象限、第三象限、和第四象限内的点(x，y)，点(x，y)为小块区的中心点，以下称为中心点，找到其他象限内与米字格中心点0′最近的三个点，这样四个点构成了四边形区域，取中心点的所在的对角线将四边形区域分成两个三角形区域，三角形区域内的像素与校正后的图像像素之间并不是一一对应关系，结合图6和图7所示，校正后的像素与校正前的像素在位置和数量上均发生了很大的变化。对三角形区域的三条边定义为第一边、第二边、以及第三边，对第二边和第三边进行n等分，第二边的等分线与第三边的交点定义为第一点，第三边的等分线与第二边的交点定义为第二点，再将第一点与第二点之间的点分成k等份，每个等份上的像素对应一个校正坐标系中的像素，满足如下公式：x_校正＝k×(x_第二点-x_第一点)/n+x_第一点，y_校正＝k×(y_第二点-y_第一点)/n+y_第一点。

具体到本发明中图像信息为激光束形成的激光点图像，计算该激光点中心坐标时，先搜索图像信息中所有非零的元素，将非零元素的横坐标和纵坐标分别放到行、列数组中，然后分别找出行、列数组中的最小值和最大值，根据最小横轴坐标和最大横轴坐标、最小纵轴坐标和最大纵轴坐标，计算出激光点所在区域对应的文本数据，然后读取相应的校正文件，对图像信息快速校正。

控制器50对接收的图像信息分析处理还包括单阈值分割、形态学处理和中心坐标计算，

单阈值分割包括：设定阈值，当图像信息中的像素值大于阈值时设为1，当图像信息中的像素值小于阈值时则设为0，进而得到二值图像；

形态学处理包括：对二值图像进行形态学滤波，通过开运算和闭运算平滑二值图像中激光束形成的激光点的轮廓，按照下面的公式进行开运算和闭运算操作：

$B=(B\×S)\·S=((\left(\mathrm{B\ΘS}\right)\⊕S)\⊕S)\mathrm{\ΘS}$

中心坐标计算包括：统计经过形态学处理的图像信息中像素值为1的像素位置，进行统计平均得出激光束的中心位置的坐标信息。

作为本发明大断面矩形顶管自动测量方法的一较佳实施方式，在测量长距离曲线顶管施工时，采用接力传递的方式，具体包括：

于工作井20处设置第一激光发射装置30，用于发射激光束301；

于矩形顶管的机头处设置第一激光靶401；

通过与第一激光靶401连接的电机402驱动第一激光靶401运动至前靶位408和后靶位409；

于第一激光靶401和第一激光发射装置30之间设置激光传递装置60，激光传递装置60接力传递第一激光发射装置30发射的激光束301，发出与第一激光发射装置30同轴的激光束照射于第一激光靶401；

沿设定轴线调整第一激光发射装置30和激光传递装置60发射的激光束，初始时，将第一激光发射装置30的坐标信息、激光传递装置60的坐标信息、矩形顶管的前端面坐标信息、矩形顶管的后端面坐标信息、激光束照射于前靶位408处坐标信息、激光束照射于后靶位409处坐标信息、前靶位408至激光传递装置60的距离信息、前靶位408至矩形顶管的前端面的距离信息、前靶位408至后靶位409的距离信息、后靶位409至矩形顶管的后端面的距离信息输入到控制器50内并存储为初始参数；

矩形顶管掘进过程中，利用摄像机403分别拍摄第一激光靶于前靶位408和后靶位409处的激光束图像，将拍摄的图像信息传送至控制器50；

通过设于第一激光靶401下方的第一测距传感器404，测量第一激光靶401与激光传递装置60之间的距离，并将测距数据传送至控制器50；

通过邻设于第一激光靶401的倾斜仪405测量第一激光靶401的坡度角和滚角，并将测得的坡度角和滚角传送至控制器50；

控制器50根据接收的图像信息分析处理得出当前激光束照射于前靶位408处的坐标信息和后靶位409处的坐标信息，结合接收的测距数据、坡度角和滚角，分别计算得出当前矩形顶管的前端面和后端面坐标信息，并与初始参数进行计算，分别得出矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。控制器50内系统算法同大断面矩形顶管自动测量装置中的算法，在此不再赘述。

在本实施例中，以矩形顶管前进的方向为前方，相反方向为后方，激光传递装置60具体包括第二激光靶601、第二激光发射装置602、以及第二测距传感器；设置第二激光靶601接收后方的激光束，第二激光发射装置602向第一激光靶401发射激光束301；通过第二测距传感器测量第二激光靶601至所接收的激光束发射处的距离；利用第二激光靶602的坐标信息和第二测距传感器测量的距离实时修正第二激光发射装置602的参数，根据修正的参数，分别计算矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。

作为本发明的一较佳实施方式，当激光传递装置60随着矩形顶管掘进到预设距离时，于靠近工作井处的管节上设置另一个激光传递装置，该预设距离为第一激光发射装置30的有效测程，当激光传递装置60即将要超出第一激光发射装置30的有效测程时，在靠近工作井处的管节上设置另一个激光传递装置进行激光的接力传递，满足长距离的曲线顶管施工。

对于接力设计，可以设置多个激光靶和激光发射装置进行接力传递激光束，以层层推进，适应于长距离的顶管施工。

作为本发明的一较佳实施方式，控制器50为控制台处的计算机，利用顶管机机头内的PLC可编程控制器将倾斜仪信号传送至控制台的计算机上，摄像机信号经顶管机控制室内的图像采集卡传送至控制台的计算机上，测距传感器通过无线传输模块将数据信号传送至控制台处的计算机，最终计算出顶管机头中心和尾部中心的三维坐标，最终与设计轴线进行比对，获取盾构姿态，从而指导顶管机掘进。

本发明大断面矩形顶管自动测量方法的有益效果为：

采用激光发射装置结合图像处理实现低成本，自动测量方法具有高实时性以及高自动化，控制器内的算法可以保证系统精度，使得系统能够应用于曲线顶管，还具有操作简单实现方便的特点。解决了现有导向系统成本高、效率低、不能自动识别、通用性差、以及不能实时测量偏差等问题。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大断面矩形顶管自动测量方法，其特征在于，包括：

于工作井处设置第一激光发射装置，用于发射激光束；

于矩形顶管的机头处设置第一激光靶；

通过与所述第一激光靶连接的电机驱动所述第一激光靶运动至前靶位和后靶位；

调整所述激光束沿设定轴线照射于所述第一激光靶上，初始时，将所述第一激光发射装置的坐标信息、矩形顶管的前端面坐标信息、矩形顶管的后端面坐标信息、激光束照射于所述前靶位处坐标信息、激光束照射于所述后靶位处坐标信息、所述前靶位至所述第一激光发射装置的距离信息、所述前靶位至所述矩形顶管的前端面的距离信息、所述前靶位至所述后靶位的距离信息、所述后靶位至所述矩形顶管的后端面的距离信息输入到控制器内并存储为初始参数；

矩形顶管掘进过程中，利用摄像机分别拍摄所述第一激光靶于所述前靶位和所述后靶位处的所述激光束图像，将拍摄的图像信息传送至所述控制器；

通过设于所述第一激光靶下方的第一测距传感器，测量所述第一激光靶与所述第一激光发射装置之间的距离，并将测距数据传送至所述控制器；

通过邻设于所述第一激光靶的倾斜仪测量所述第一激光靶的坡度角和滚角，并将测得的所述坡度角和所述滚角传送至所述控制器；

所述控制器根据接收的图像信息分析处理得出当前所述激光束照射于所述前靶位处的坐标信息和所述后靶位处的坐标信息，结合接收的所述测距数据、所述坡度角和所述滚角，分别计算得出当前所述矩形顶管的前端面和后端面坐标信息，并与所述初始参数进行计算，分别得出所述矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。

2.如权利要求1所述的大断面矩形顶管自动测量方法，其特征在于，所述控制器对接收的图像信息分析处理包括图像桶形失真校正，所述图像桶形失真校正包括：

利用所述摄像机拍摄标准米字格图像；

标记单位点的坐标，同时标记米字格坐标系的中心点；

将所有标记点包含的区域分成小块区，对每个小块区采用线性计算方法进行失真校正，得到校正后的坐标值；

所述线性计算方法包括：

提取所述小块区的中心点以及分布于所述米字格坐标系四个象限内与米字格坐标系的中心点最近的三个标记点，构成四边形区域；

取所述小块区的中心点所在的对角线将所述四边形区域分成两个三角形区域；

将三角形区域的三条边定义为第一边、第二边、以及第三边，对所述的第二边和第三边进行n等分，所述第二边的等分线与所述第三边的交点为第一点，所述第三边的等分线与所述第二边的交点为第二点，再将第一点与第二点之间的点分成k等份，每个等份上的像素与校正坐标系中的像素满足如下公式：x_校正＝k×(x_第二点-x_第一点)/n+x_第一点，y_校正＝k×(y_第二点-y_第一点)/n+y_第一点。

3.如权利要求1或2所述的大断面矩形顶管自动测量方法，其特征在于，所述控制器对接收的图像信息分析处理还包括单阈值分割、形态学处理和中心坐标计算，

所述单阈值分割包括：设定阈值，当所述图像信息中的像素值大于所述阈值时设为1，当所述图像信息中的像素值小于所述阈值时则设为0，进而得到二值图像；

所述形态学处理包括：对所述二值图像进行形态学滤波，通过开运算和闭运算平滑所述二值图像中激光束形成的激光点的轮廓；

所述中心坐标计算包括：统计经过所述形态学处理的图像信息中像素值为1的像素位置，进行统计平均得出所述激光束的中心位置的坐标信息。

4.一种大断面矩形顶管自动测量方法，其特征在于，包括：

于工作井处设置第一激光发射装置，用于发射激光束；

于矩形顶管的机头处设置第一激光靶；

通过与所述第一激光靶连接的电机驱动所述第一激光靶运动至前靶位和后靶位；

于所述第一激光靶和所述第一激光发射装置之间设置激光传递装置，所述激光传递装置接力传递所述第一激光发射装置发射的激光束，发出与所述第一激光发射装置同轴的激光束照射于所述第一激光靶；

沿设定轴线调整所述第一激光发射装置和所述激光传递装置发射的激光束，初始时，将所述第一激光发射装置的坐标信息、所述激光传递装置的坐标信息、矩形顶管的前端面坐标信息、矩形顶管的后端面坐标信息、激光束照射于所述前靶位处坐标信息、激光束照射于所述后靶位处坐标信息、所述前靶位至所述激光传递装置的距离信息、所述前靶位至所述矩形顶管的前端面的距离信息、所述前靶位至所述后靶位的距离信息、所述后靶位至所述矩形顶管的后端面的距离信息输入到控制器内并存储为初始参数；

矩形顶管掘进过程中，利用摄像机分别拍摄所述第一激光靶于所述前靶位和所述后靶位处的所述激光束图像，将拍摄的图像信息传送至所述控制器；

通过设于所述第一激光靶下方的第一测距传感器，测量所述第一激光靶与所述激光传递装置之间的距离，并将测距数据传送至所述控制器；

通过邻设于所述第一激光靶的倾斜仪测量所述第一激光靶的坡度角和滚角，并将测得的所述坡度角和所述滚角传送至所述控制器；

所述控制器根据接收的图像信息分析处理得出当前所述激光束照射于所述前靶位处的坐标信息和所述后靶位处的坐标信息，结合接收的所述测距数据、所述坡度角和所述滚角，分别计算得出当前所述矩形顶管的前端面和后端面坐标信息，并与所述初始参数进行计算，分别得出所述矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。

5.如权利要求4所述的大断面矩形顶管自动测量方法，其特征在于，

以矩形顶管前进的方向为前方，相反方向为后方，所述激光传递装置包括第二激光靶、第二激光发射装置、以及第二测距传感器；

设置所述第二激光靶接收后方的激光束，所述第二激光发射装置向所述第一激光靶发射激光束；

通过所述第二测距传感器测量所述第二激光靶至所接收的激光束发射处的距离；

利用所述第二激光靶的坐标信息和所述第二测距传感器测量的距离实时修正所述第二激光发射装置的参数，根据修正的参数，分别计算所述矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。

6.如权利要求4或5所述的大断面矩形顶管自动测量方法，其特征在于，当所述激光传递装置随着所述矩形顶管掘进到预设距离时，于靠近所述工作井处的管节上设置另一激光传递装置。

7.一种大断面矩形顶管自动测量装置，其特征在于，包括：

第一激光发射装置，设于工作井处，用于发射激光束；

设于矩形顶管机头处的激光接收装置，包括第一激光靶、电机、摄像机、第一测距传感器、以及倾斜仪，所述激光接收装置内设有靠近前端面的前靶位和靠近后端面的后靶位，所述第一激光靶与所述电机连接，所述电机驱动所述激光靶运动至所述前靶位和所述后靶位；所述摄像机设于所述激光接收装置的后端面上，用于拍摄所述第一激光靶上接收的所述激光束的图像；所述第一测距传感器设于所述激光接收装置的底部，用于测量至所接收的激光束发射处的距离；所述倾斜仪设于所述激光接收装置的侧部，用于测量所述激光接收装置的坡度角和滚角；

控制器，控制连接所述电机和所述摄像机，并接收所述摄像机拍摄的图像信息，所述控制器还接收所述第一测距传感器发送的测距数据和所述倾斜仪发送的所述坡度角和所述滚角，所述控制器根据接收的图像信息分析处理，分别得出所述前靶位处和所述后靶位处所述激光束的坐标信息结合接收的所述测距数据、所述坡度角和所述滚角，计算得出当前所述矩形顶管的前端面和后端面坐标信息，并与所述控制器内的初始参数进行计算，分别得出所述矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。

8.如权利要求7所述的大断面矩形顶管自动测量装置，其特征在于，所述控制器内包括图像处理单元，所述图像处理单元包括图像桶形失真校正模块，所述图像处理单元将接收的所述图像信息传送至所述图像桶形失真校正模块对所述图像信息进行校正。

9.如权利要求8所述的大断面矩形顶管自动测量装置，其特征在于，所述图像处理单元还包括单阈值分割模块、形态学处理模块和计算模块，所述单阈值分割模块对校正过的图像信心进行阈值分割，得到二值图像；所述形态学处理模块对所述二值图像进行开运算和闭运算，平滑所述二值图像中激光束形成的激光点的轮廓；所述计算模块统计计算出所述激光束的中心坐标信息。

10.如权利要求7所述的大断面矩形顶管自动测量装置，其特征在于，还包括设于靠近所述工作井处管节上的激光传递装置，以矩形顶管前进的方向为前方，相反方向为后方，用于接力传递后方的激光束，发出与后发激光束同轴的激光束，所述激光传递装置包括第二激光靶、第二激光发射装置、以及第二测距传感器，所述第二激光靶接收后方的激光束，所述第二激光发射装置向前方发射激光束，所述第二测距传感器用于测量所述第二激光靶至所接收的激光束发射处的距离；

利用所述第二激光靶的坐标信息和所述第二测距传感器测量的距离实时修正所述第二激光发射装置的参数，根据修正的参数，分别计算所述矩形顶管的前端面和后端面的偏差信息。