CN107525478A - 一种基于cmos感光成像传感器的位移变形观测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CMOS感光成像传感器的位移变形观测装置及方法，该装置由固定安装的位移变形观测装置n‑1对前方位移变形观测装置n上的光点进行拍摄，不必对隧道全断面进行拍摄，前后多次重复观测时不存在仪器安装偏差；由于位移是通过观测布置在位置如隧道内位移变形观测装置的光点，且设计成某一特定光源，不必用彩色图片，大大的降低了数据处理量的同时，保证了变形观测精度；与比较传统的收敛及沉降量测方法，本发明所述方法更能精确反映被观测对象的实际变化情况。

Description

一种基于CMOS感光成像传感器的位移变形观测装置及方法

技术领域

本发明属于位移变形观测领域，特别涉及一种基于CMOS感光成像传感器的位移变形观测装置及方法。

背景技术

变形位移量测无论在科学技术研究还是在工程建设方面都有着其重要作用，比如测量大坝水平与垂直位移、隧道周边位移、构建物水平与垂直位移等。变形位移量测的方法有用激光距仪、全站仪、数字(传统)经纬仪以及数字照相进行量测。

现有的变形位移量测存在测量装置复杂以及误差大等缺点，如全站仪、测距仪等在用于变形位移监测时，设备本身的精度、尤其是使用过程中人为操作上的误差是不可避免的；数字照相量测亦存在参照系的不可靠及后续分析中的系统误差其使用范围有限。

例如目前在隧道施工中，隧道周边位移监测大多采用带钢尺的收敛计和带挂尺的水准仪来完成，由于钢尺材料受温度变化影响较大，尽管使用时对温度影响等进行修正(补偿)，仍存在较大偏差，此偏差随环境不同，有时甚至大于实际变形位移量；并且，位移监测数据是通过人工观测读取获得，同一个人在不同时间的存在一定的读取偏差，不同的人在同一时间也存在读取偏差；此外，由于钢尺的存在，监测过程与隧道施工相互干扰，当测点之间挂上钢尺时是禁止车辆通行的，当隧道施工有车辆通行亦无法进行变形位移数据采集的。当采用其他方法如全站仪等亦存在相似的问题。

目前还有一种称之为常规数字照相机照相变形观测方法，然而常规数字照相机变形观测存在的主要问题有以下几个方面：

1、精度不高，目前2K图像1920*1080＝2073600，约为200万个点(像素)，4K图像3840*2160＝8294400，约为800万个点(像素)。8K图像7680*4320＝33177600，约为3300万个点(像素)。当分别率为4000*3000＝12000000，即1200万个点(像素)，水平观测宽度为10m(隧道宽度)时，精度较差，点与点的水平距离约为10m/4000dpi＝2.5mm。当分别率为7680*4320＝33177600，约为3300万个点(像素)，水平观测宽度为10m(隧道宽度)时，精度仍然不理想，点与点的水平距离约为10m/7680dpi＝1.3mm。

2、数据量大，目前大多数成品照相机均为彩色相机，8位2K彩色图像文件的大小约为1920*1080*8≈16.5MB，256位2K彩色图像文件的大小约为1920*1080*256≈532MB，256位4K彩色图像文件的大小约为3840*2160*256≈2.120GB。

3、操作复杂，常规的照相机的变形观测先将现场照片取回，进行照片-数字转换，数据量大，参考系不确定，事实上由于照片-数字转换过程中的数据失真，分辨率越高数据量越大，压缩减少数据量但分辨率低。

如何使得位移监测既满足高分别率的要求同时也满足合适的数据量要求，是急需解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于CMOS感光成像传感器的位移变形观测装置及方法，其目的在于，克服现有技术中测量变形时，无法同时满足高精度和低数据量的问题。

一种基于CMOS感光成像传感器的位移变形观测装置，包括：设置在装置外框内的数据处理单元、通讯单元、数据存储单元、CMOS图像传感器水平状态检测与调整单元、传感器水平距离检测单元、编码检测与识别单元、成像传感器单元以及电源模块；

所述通讯单元、数据存储单元、CMOS图像传感器水平状态检测与调整单元、水平距离检测单元、编码检测与识别单元以及成像传感器单元均与所述数据处理单元相连；

所述成像传感器单元包括CMOS图像传感器、590nm光通片、定焦距镜头、图像处理单元、图像输出单元以及590nm LED光源，CMOS图像传感器、图像处理单元以及图像输出单元依次相连，且590nm光通片和定焦距镜头依次设置在CMOS图像传感器前，590nm LED光源设置在CMOS图像传感器后方；

所述电源模块与数据处理单元相连。

第n+1个成像传感器单元的590nm LED光源设置在CMOS图像传感器的后方向(设镜头方向为前进方向)，朝向第n个位移变形观测装置。

水平距离检测单元，检测位移变形观测装置n至n+1的水平纵向距离，用于修正因水平纵向距离造成水平观测宽度变化产生的分辨率的变化。

编码检测与识别单元的用途主要对位移变形观测装置的安装位置进行识别，并对位移变形观测装置的工作状态确认，便于组网及远程信息采集。

进一步地，所述成像传感器单元上设有电动防尘门，所述电动防尘门受控于数据处理单元。

与普通照相机相似，非工作状态下(或监测间歇期、运输安装过程等)处于关闭状态以保护镜头不被污损，采集数据时便打开此电动防尘门。

进一步地，所述CMOS图像传感器水平状态检测与调整单元采用电子伺服调整模块或机械式调整模块。

为了确保CMOS图像传感器处于水平状态工作，即CMOS图像传感器的X方向是水平的，因为安装时难免有偏差，装置中设置了传感器水平状态检测与调整单元进行水平检测和调整。

进一步地，所述水平距离检测单元为测距仪。

进一步地，所述装置外框表面设置有反光板。

为了配合Y方向即纵向测距的可靠性，在第n+1成像传感器单元的后方向(设镜头方向为前进方向)，朝第n个成像传感器单元方向设置一反光片整个位移变形观测装置后方向面设计成一垂直平面。

一种基于CMOS感光成像传感器的位移变形观测方法，应用上述的位移变形观测装置进行位移变形观测，包括以下步骤：

步骤1：设置n+1个位移变形观测装置；

将n个位移变形观测装置依次设置于待测断面的观测点，在n个位移变形观测装置起始端且不发生位移的稳定点处设置一个基准位移变形观测装置；

所述观测点是依次设置在随隧道掘进方向每间隔10～15m的距掌子面2m以内；

根据相关规定要求：距掌子面不超过2m，且要求保证装置不被损毁，埋设时间为开挖后24h以内。

步骤2：开启位移变形观测装置上的激光测距传感器，获取相邻位置变形观测装置之间的水平距离；

步骤3：选取位移变形观测装置的光圈、焦距以及采集频率后，并开启权1所述的位移变形观测装置，利用当前位移变形观测装置采集前方位移变形观测装置上的光点图像；

根据变焦距望远镜结构的有自动调整和手动遥控调整，以获得清晰最佳的图像。

在获得清晰图像后，为有利于图像的后续处理，设定合适亮度或值，以确定目标光点在图像上形成光斑范围不要太大或太小，同时也可提高抗光干扰能力。

通过位移变形观测装置0摄取前方位移变形观测装置1光点图像，通过位移变形观测装置1摄取前方位移变形观测装置2光点图像，如此递进至掌子面最近的位移变形观测装置n；

步骤4：获取各位移变形观测装置上形成的光点初始位置值；

逐行读取位移变形观测装置中CMOS图像传感器上各传感组件的亮度感应值，由大到小选出排前三的亮度感应值所在的CMOS图像传感器传感组件阵列中的列号和行号；将所选的前三个亮度感应值对应的位置，利用插值算法，确定光点所在CMOS图像传感器传感组件阵列中的初始列号和行号，即X0和Z0值；

步骤5：达到观测间隔时间时，再次获取各位移变形观测装置上形成的光点位置值；

按照步骤4所述方法，获得光点的实时监测位置值；

步骤6：利用各位移变形观测装置上光点的实时监测位置值和初始位置值之间的位移，计算所有观测点的位移量；

第i个观测点的位移量为

△X_i＝△X_i-1+S*△x_i，△X₂＝S*(△x₁+△x₂)；

△Y_i＝△Y_i-1+S*△y_i，△Y₂＝S*(△y₁+△y₂)；

△Z_i＝△Z_i-1+S*△z_i，△Z₂＝S*(△z₁+△z₂)；

其中，△x_i和△z_i是利用各位移变形观测装置上光点的实时监测位置值和初始位置值之间的列号和行号的差值，△y_i是利用位移变形观测装置上的激光测距传感器测得的与前一个位移变形观测装置之间的水平位移，i的取值为1-n；

其中，S为图像中点位移对应的实际场景中的位移，所述图像中点位移对应的实际场景中的位移由CMOS传感器分辨率、焦距、测点间距和水平观测宽度确定。

测点间距是指的n点至n+1点之间的间距；CMOS传感器分辨率、测点间距和镜头焦距相同时，镜头越段水平观测宽度的取值越大分辨率越低，镜头越长水平观测宽度的取值越小分辨率越高。

不同的观测距离下选用不同的CMOS传感器和不同的焦距镜头：

如海思1/4吋618芯片：测点纵向间距5m时，焦距80mm；测点纵向间距10m时，焦距160mm；测点纵向间距15m时，焦距240mm；

1/3吋VO3640芯片：测点纵向间距5m时焦距128mm，测点纵向间距10m时焦距256mm，测点纵向间距15m时焦距384mm。

进一步地，通过数据处理单元将待测断面上各观测点的变形量通过通讯单元发送至远程终端。

进一步地，当待测断面上各观测点的变形量超过设定的阈值时，触发报警单元，发出警报。

有益效果

本发明提供了一种基于CMOS感光成像传感器的位移变形观测装置及方法，该装置由固定安装的位移变形观测装置n-1对前方位移变形观测装置n上的光点进行拍摄，不必对隧道全断面进行拍摄，前后多次重复观测时不存在仪器安装偏差；由于位移是通过观测布置在隧道内位移变形观测装置的光点，且设计成某一特定光源，不必用彩色图片，因此图片文件较小，整体的数据处理量较低，光点位置信息通过常规的图像处理方法自动识别；

与比较传统的收敛及沉降量测方法，本发明所述方法更能精确反映被观测对象的实际变化情况。传统的收敛一般只能两测点间的相对变化，不能确定是单侧收敛还是两侧同时收敛，也不能确定两测点的是否同时向一个方向相对变化，而本发明可根据两次图像的对比可计算出光点的水平和垂直位移量，水平位移量即为收敛情况，而且能确定是单侧收敛还是两侧同时收敛，或是一侧收敛另一侧发散即两侧同时往某一侧移动，垂直位移量即下沉或隆起情况。

附图说明

图1为本发明所述装置的结构示意图；

图2为CMOS图像传感器中传感器组件阵列的亮度感应值示意图；

图3为应用本发明所述装置进行测量时的安装示意图；

图4为本发明所述方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种基于CMOS感光成像传感器的位移变形观测装置，包括：设置在装置外框内的数据处理单元、通讯单元、数据存储单元、CMOS图像传感器水平状态检测与调整单元、传感器水平距离检测单元、编码检测与识别单元、成像传感器单元以及电源模块；

所述通讯单元、数据存储单元、CMOS图像传感器水平状态检测与调整单元、水平距离检测单元、编码检测与识别单元以及成像传感器单元均与所述数据处理单元相连；

所述成像传感器单元包括CMOS图像传感器、590nm光通片、定焦距镜头、图像处理单元、图像输出单元以及590nm LED光源，CMOS图像传感器、图像处理单元以及图像输出单元依次相连，且590nm光通片和定焦距镜头依次设置在CMOS图像传感器前，590nm LED光源设置在CMOS图像传感器后方；

所述电源模块与数据处理单元相连。

第n+1个成像传感器单元的590nm LED光源设置在CMOS图像传感器的后方向(设镜头方向为前进方向)，朝向第n个位移变形观测装置。

水平距离检测单元，检测位移变形观测装置n至n+1的水平纵向距离，用于修正因水平纵向距离造成水平观测宽度变化产生的分辨率的变化。

编码检测与识别单元的用途主要对位移变形观测装置的安装位置进行识别，并对位移变形观测装置的工作状态确认，便于组网及远程信息采集。

所述成像传感器单元上设有电动防尘门，所述电动防尘门受控于数据处理单元。

与普通照相机相似，非工作状态下(或监测间歇期、运输安装过程等)处于关闭状态以保护镜头不被污损，采集数据时便打开此电动防尘门。

所述CMOS图像传感器水平状态检测与调整单元采用电子伺服调整模块或机械式调整模块。

为了确保CMOS图像传感器处于水平状态工作，即CMOS图像传感器的X方向是水平的，因为安装时难免有偏差，装置中设置了传感器水平状态检测与调整单元进行水平检测和调整。

所述水平距离检测单元为测距仪。

所述装置外框表面设置有反光板。

为了配合Y方向即纵向测距的可靠性，在第n+1成像传感器单元的后方向(设镜头方向为前进方向)，朝第n个成像传感器单元方向设置一反光片整个位移变形观测装置后方向面设计成一垂直平面。

如图3和图4所示，一种基于CMOS感光成像传感器的位移变形观测方法，应用上述的位移变形观测装置进行位移变形观测，包括以下步骤：

步骤1：设置n+1个位移变形观测装置；

将n个位移变形观测装置依次设置于待测断面的观测点，在n个位移变形观测装置起始端且不发生位移的稳定点处设置一个基准位移变形观测装置；

所述观测点是依次设置在随隧道掘进方向每间隔10～15m的掌子面2m内；

根据相关规定要求：距掌子面不超过2m，且要求保证装置不被损毁，埋设时间为开挖后24h以内。

步骤2：开启位移变形观测装置上的激光测距传感器，获取相邻位置变形观测装置之间的水平距离；

步骤3：选取位移变形观测装置的光圈、焦距以及采集频率后，并开启权1所述的位移变形观测装置，利用当前位移变形观测装置采集前方位移变形观测装置上的光点图像；

根据变焦距望远镜结构的有自动调整和手动遥控调整，以获得清晰最佳的图像。

在获得清晰图像后，为有利于图像的后续处理，设定合适亮度或值，以确定目标光点在图像上形成光斑范围不要太大或太小，同时也可提高抗光干扰能力。

通过位移变形观测装置0摄取前方位移变形观测装置1光点图像，通过位移变形观测装置1摄取前方位移变形观测装置2光点图像，如此递进至掌子面最近的位移变形观测装置n；

步骤4：获取各位移变形观测装置上形成的光点初始位置值；

如图2所示，逐行读取位移变形观测装置中CMOS图像传感器上各传感组件的亮度感应值，由大到小选出排前三的亮度感应值所在的CMOS图像传感器传感组件阵列中的列号和行号；将所选的前三个亮度感应值对应的位置，利用插值算法，确定光点所在CMOS图像传感器传感组件阵列中的初始列号和行号，即X0和Z0值；

步骤5：达到观测间隔时间时，再次获取各位移变形观测装置上形成的光点位置值；

按照步骤4所述方法，获得光点的实时监测位置值；

步骤6：利用各位移变形观测装置上光点的实时监测位置值和初始位置值之间的位移，计算所有观测点的位移量；

第i个观测点的位移量为

△X_i＝△X_i-1+S*△x_i，△X₂＝S*(△x₁+△x₂)；

△Y_i＝△Y_i-1+S*△y_i，△Y₂＝S*(△y₁+△y₂)；

△Z_i＝△Z_i-1+S*△z_i，△Z₂＝S*(△z₁+△z₂)；

其中，△x_i和△z_i是利用各位移变形观测装置上光点的实时监测位置值和初始位置值之间的列号和行号的差值，△y_i是利用位移变形观测装置上的激光测距传感器测得的与前一个位移变形观测装置之间的水平位移，i的取值为1-n；

其中，S为图像中点位移对应的实际场景中的位移，所述图像中点位移对应的实际场景中的位移由CMOS传感器分辨率、焦距、测点间距和水平观测宽度确定。

测点间距是指的n点至n+1点之间的间距；CMOS传感器分辨率、测点间距和镜头焦距相同时，镜头越段水平观测宽度的取值越大分辨率越低，镜头越长水平观测宽度的取值越小分辨率越高。

不同的观测距离下选用不同的CMOS传感器和不同的焦距镜头：

如海思1/4吋618芯片：测点纵向间距5m时，焦距80mm；测点纵向间距10m时，焦距160mm；测点纵向间距15m时，焦距240mm；

1/3吋VO3640芯片：测点纵向间距5m时焦距128mm，测点纵向间距10m时焦距256mm，测点纵向间距15m时焦距384mm。

通过数据处理单元将待测断面上各观测点的变形量通过通讯单元发送至远程终端。

当待测断面上各观测点的变形量超过设定的阈值时，触发报警单元，发出警报。

当被测光点前后两次照到固定位置上CMOS感光成像传感器上的位置发生变化时便意味着被测光点产生了位移，接下来就是要确定其位移量。

现以某分别率1920*1080的CMOS成像传感器模块、测点间距10m，焦距160mm镜头为例，其水平观测宽度为175mm，此时其点与点水平的距离约为0.091mm。因CMOS成像传感器垂直分辨率与水平分辨率相同，设水平光点位置为N(列)，设垂直光点位置为M(行)，前后两次观测时：

若光点在CMOS感光器所在的精确位置由N_n变成了N_n+i，

则：被观测点在X方法移动了0.091×i mm

如i＝2，则：△X＝0.091×2＝0.182(mm)，表示被测点右移了0.182mm；

如i＝-2，则：△X＝0.091×(-2)＝-0.182(mm)，表示被测点左移了0.182mm。

若光点在CMOS感光器所在的精确位置由M_n变成了M_n+j，

则：被观测点在Z方法移动了0.091×j mm

如j＝2，则：△Z＝0.091×2＝0.182(mm)，表示被测点隆起(上升)了0.182mm；

如j＝-2，则：△Z＝0.091×(-2)＝-0.182(mm)，表示被测点下沉了0.182mm。

若同时由N_n变成了N_n+i、M_n变成了M_n+j，且无纵向位移，即△Y＝0

则：

若同时由N_n变成了N_n+i、M_n变成了M_n+j，且存在纵向位移，即△Y

则：

例如隧道工程，根据相关规定，一般每断面埋设3-9个位移监测点，分别置于隧道顶部拱顶三个拱顶沉降观测点T_L、T_C、T_R(分别为顶部左侧、顶部中央、顶部右侧)以观测拱顶沉降情况，隧道两侧各三个收敛位移观测点L_H、L_M、L_L、R_H、R_M、R_L(分别为左侧上部、左侧中部、左侧下部与右侧上部、右侧中部、右侧下部、)、以观测两点间的收敛位移情况。现以隧道一侧某收敛位移观测点来说明其计算方法，如左侧位移观测点L(L_H、L_M、L_L其中之一)：

设位移传感器L₀的坐标X_L0，Y_L0，Z_L0；位移传感器L₁的坐标X_L1，Y_L1，Z_L1；位移传感器L₂的坐标X_L2，Y_L2，Z_L2；……位移传感器L_n-1的坐标X_Ln-1，Y_Ln-1，Z_Ln-1；位移传感器L_n的坐标X_Ln，Y_Ln，Z_Ln；且隧道横截面水平方向右X增加方向，隧道横截面垂直方向向上Z增加方向，隧道轴向前进方向Y增加方向，则有

初始观测时

水平位置：X_1Lt0＝X_1Lt0

垂直位置：Z_1Lt0＝Z_1Lt0

纵向位置：Y_1Lt0＝Y_1Lt0

第一次观测时

水平位移：△X_1Lt1＝X_1Lt1-X_1Lt0

垂直位移：△Z_1Lt1＝Z_1Lt1-Z_1Lt0

纵向位移：△Y_1Lt1＝Y_1Lt1-Y_1Lt0

总位移：

第二次观测时

水平位移为△X_1Lt2＝△X_1Lt1+X_1Lt2-X_1Lt1

垂直位移为△Z_1Lt2＝△Z_1Lt1+Z_1Lt2-Z_1Lt1

纵向位移为△Y_1Lt2＝△Y_1Lt1+Y_1Lt2-Y_1Lt1

总位移：

……

第n次观测时

水平位移为△X_1Ltn＝△X_1Ltn-1+X_1Ltn-X_1Ltn-1

垂直位移为△Z_1Ltn＝△Z_1Ltn-1+Z_1Ltn-Z_1Ltn-1

纵向位移为△Y_1Ltn＝△Y_1Ltn-1+Y_1Ltn-Y_1Ltn-1

总位移：

t0为初始观测，t1为第一次观测，t2为第二次观测，……，tn为第n次观测。

其他各观测点计算方法相同。

根据上述计算结论可判断被观测点(沉降与收敛点)的总位移量及不同时间段的位移速度，并可确定被观测点位移方向：

(1)拱顶沉降

△X为零时无水平左右方向的位移；

△Y为零时无水平纵向方向的位移；

△Z为零时无垂直方向的位移(沉降)。

(2)收敛位移

两收敛观测点的△X均为零时无水平左右方向的位移；

两收敛观测点的△Y均为零时无水平纵向方向的位移；

两收敛观测点的△Z均为零时无垂直方向的位移(沉降)；

两收敛观测点的△Y、△Z均为零时，两收敛观测点的左侧△X_L为正值、右侧△X_R为负值时，两收敛观测点水平方向的收敛位移，两点的收敛位移为△X_L+|△X_R|，若其值大于控制值，结构有可能失稳；两收敛观测点的左侧△X_L为负值、右侧△X_R为正值时，两收敛观测点水平方向的发散位移，两点的收敛位移为|△X_L|+△X_R，若其值大于控制值，结构有可能失稳；两收敛观测点的左侧△X_L、右侧△X_R同为正值或负值时，两收敛观测点水平方向的向右或向左偏位移，两点的收敛位移为△X_L与△X_R中的较大值，若其值大于控制值，结构不会失稳，但有可能侵限；

两收敛观测点的△X、△Y、△Z均不为零时，两收敛观测点的左侧△L为正值、右侧△R为负值，两收敛观测点水平方向的收敛位移，两点的收敛位移为△L+|△R|，若其值大于控制值，结构有可能失稳；两收敛观测点的左侧△L为负值、右侧△R为正值，两收敛观测点水平方向的发散位移，两点的收敛位移为|△L|+△R，若其值大于控制值，结构有可能失稳；两收敛观测点的左侧△L、右侧△R同为正值或负值，两收敛观测点水平方向的向右或向左偏位移，两点的收敛位移为△L与△R中的较大值，若其值大于控制值，结构不会失稳，但有可能侵限。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种基于CMOS感光成像传感器的位移变形观测装置，其特征在于，包括：设置在装置外框内的数据处理单元、通讯单元、数据存储单元、CMOS图像传感器水平状态检测与调整单元、传感器水平距离检测单元、编码检测与识别单元、成像传感器单元以及电源模块；

所述通讯单元、数据存储单元、CMOS图像传感器水平状态检测与调整单元、水平距离检测单元、编码检测与识别单元以及成像传感器单元均与所述数据处理单元相连；

所述成像传感器单元包括CMOS图像传感器、590nm光通片、定焦距镜头、图像处理单元、图像输出单元以及590nm LED光源，CMOS图像传感器、图像处理单元以及图像输出单元依次相连，且590nm光通片和定焦距镜头依次设置在CMOS图像传感器前，590nm LED光源设置在CMOS图像传感器后方；

所述电源模块与数据处理单元相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述成像传感器单元上设有电动防尘门，所述电动防尘门受控于数据处理单元。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述CMOS图像传感器水平状态检测与调整单元采用电子伺服调整模块或机械式调整模块。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水平距离检测单元为测距仪。

5.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述装置外框表面设置有反光板。

6.一种基于CMOS感光成像传感器的位移变形观测方法，其特征在于，应用权利要求1所述的位移变形观测装置进行位移变形观测，包括以下步骤：

步骤1：设置n+1个位移变形观测装置；

将n个位移变形观测装置依次设置于待测断面的观测点，在n个位移变形观测装置起始端且不发生位移的稳定点处设置一个基准位移变形观测装置；

所述观测点是依次设置在随隧道掘进方向每间隔10～15m的掌子面2m内；

步骤2：开启位移变形观测装置上的激光测距传感器，获取相邻位置变形观测装置之间的水平距离；

步骤3：选取位移变形观测装置的光圈、焦距以及采集频率后，并开启权1所述的位移变形观测装置，利用当前位移变形观测装置采集前方位移变形观测装置上的光点图像；

步骤4：获取各位移变形观测装置上形成的光点初始位置值；

逐行读取位移变形观测装置中CMOS图像传感器上各传感组件的亮度感应值，由大到小选出排前三的亮度感应值所在的CMOS图像传感器传感组件阵列中的列号和行号；将所选的前三个亮度感应值对应的位置，利用插值算法，确定光点所在CMOS图像传感器传感组件阵列中的初始列号和行号，即X0和Z0值；

步骤5：达到观测间隔时间时，再次获取各位移变形观测装置上形成的光点位置值；

按照步骤4所述方法，获得光点的实时监测位置值；

步骤6：利用各位移变形观测装置上光点的实时监测位置值和初始位置值之间的位移，计算所有观测点的位移量；

第i个观测点的位移量为

△X_i＝△X_i-1+S*△x_i，△X₂＝S*(△x₁+△x₂)；

△Y_i＝△Y _i-1+S*△y_i，△Y₂＝S*(△y₁+△y₂)；

△Z_i＝△Z _i-1+S*△z_i，△Z₂＝S*(△z₁+△z₂)；

其中，△x_i和△z_i是利用各位移变形观测装置上光点的实时监测位置值和初始位置值之间的列号和行号的差值，△y_i是利用位移变形观测装置上的激光测距传感器测得的与前一个位移变形观测装置之间的水平位移，i的取值为1-n；

其中，S为图像中点位移对应的实际场景中的位移，所述图像中点位移对应的实际场景中的位移由CMOS传感器分辨率、焦距、测点间距和水平观测宽度确定。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过数据处理单元将待测断面上各观测点的变形量通过通讯单元发送至远程终端。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当待测断面上各观测点的变形量超过设定的阈值时，触发报警单元，发出警报。