CN108802043B - 隧道检测装置、检测系统及隧道病害信息提取方法 - Google Patents

隧道检测装置、检测系统及隧道病害信息提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种隧道检测装置、检测系统及隧道病害信息提取方法，涉及隧道检测领域。隧道检测装置包括车体、光源系统和多组检测单元，每组检测单元均包括成像设备和测距设备。在测距设备测距时，拍摄具有特征点或特征图案的隧道图像，再通过测量预设的成像设备和测距设备之间的距离，并计算成像设备的位置参数最后测得隧道壁的表面图像和隧道的内部三维图像，如此，可通过隧道的表面图像和内部三维图像获取隧道内的病害信息，将本发明的检测系统设置在车体上，车体行进预定距离后停止处于静态时，成像系统拍摄该段隧道的图像，最后将所拍摄的图像进行拼接和处理，可以生成完整的隧道表面图像和具有三维空间坐标的隧道图像。

Description

隧道检测装置、检测系统及隧道病害信息提取方法
技术领域
本发明涉及隧道检测领域，具体而言，涉及一种隧道检测装置、检测系统及隧道病害信息提取方法。
背景技术
目前铁路运营隧道衬砌质量检测沿用的方法主要是人眼观察、手工量测绘图方法和照相方法。其中，人眼近距离观察、量测使用的辅助设备主要有台车、高架等，用于解决地面观察距离太远、不能近距离观察、量测的问题。但是，人眼观察方法、受观察者视力、体力等制约，极易产生遗漏、描述不准确，同时，人眼检测的时间和成图周期长，工作效率非常低。
采用照相方式可以获得很精细的图像，再对图像进行分析，不需要台车、高架车等辅助设备。照相方法的辅助装置是相机脚架，以保证高分辨率照相时相机姿态的稳定，避免图像模糊。但是，由于高分辨力的图像每张图像覆盖的面积较小，而大多数病害信息不能在一张图像上完整表现，隧道衬砌病害需要多张图像镶嵌而成。实际作业过程是采取不断移动三脚架(移动相机)获得多张图像，每次成像时相机的外方位元素，每张隧道图像具有不同的光学成像中心和方位角、高度角，具有不同的比例尺，很难合成连片的完整图像。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种隧道检测装置、检测系统及隧道病害信息提取方法，以获取高精度的隧道图像，可以通过隧道图像检测隧道衬砌质量，且省时省力。
本发明实施例提供一种隧道检测装置，车体、光源系统和安装于所述车体的检测系统和控制系统，所述检测系统包括多组检测单元，多组所述检测单元均沿所述车体的行进轴线方向安装，每组所述检测单元均包括成像设备和测距设备，每组所述检测单元的所述成像设备的光心和所述测距设备的零点共轴线分布；所述成像设备用于拍摄隧道内的图像，每组所述检测单元包括至少一个所述测距设备，所述测距设备用于测量所述测距设备到隧道壁的距离。
检测系统可以测量任意时刻车体与轨道的横向的位置变化，确定车体在轨道横向的位置与变化。
进一步地，多组所述检测单元的每个所述成像设备之间间隔设置，在所述车体行进轴线的垂直平面上，每个所述检测单元的成像设备的主光轴的投影为以光心为原点的辐射线，每个所述辐射线之间具有夹角。
进一步地，每组所述检测单元包括多个所述测距设备，所述测距设备为激光测距仪，每组所述检测单元的多个所述激光测距仪呈辐射状分布，所述测距设备的零点为每组所述检测单元的同一平面上的多个所述激光测距仪发射的激光束交点或其反向延长线的交点，所述交点与所述检测单元的所述成像设备的光心的连线平行于所述车体的行进轴线。
进一步地，每组所述检测单元的所述成像设备的光心共处于一条光心轴线上，所述光心轴线与所述车体的行进轴线平行；每组所述检测单元包括多个所述测距设备，所述测距设备为激光测距仪，每组所述检测单元的多个所述激光测距仪呈辐射状分布，所述测距设备的零点为每组所述检测单元的同一平面上的多个所述激光测距仪发射的激光束交点或其反向延长线的交点，所述交点也位于所述光心轴线。
进一步地，所述装置还包括：前进距离控制部件，所述前进距离控制部件用于控制所述车体在隧道内的前进速度、距离和位置并进行记录；横向精确定位控制部件，所述横向精确定位控制部件用于控制所述车体的横向定位，以使所述车体的前行轨迹为直线；姿态传感器，所述姿态传感器用于记录任意时刻所述车体的纵向和横向的坡度角，其中所述纵向为所述车体的行进轴线方向。
进一步地，所述检测单元包括安装座和安装盘，所述安装座用于安装所述成像设备，多个所述激光测距仪呈辐射状分布设置于所述安装盘的一侧或两侧，所述安装座和所述安装盘通过多个高度可调节的支撑条固定，用于调节成像设备的外方位元素；所述检测单元通过定位销安装于所述车体，使多次重复安装的位置与姿态状态相同。安装座和安装盘的数量可以不同。
进一步地，所述成像设备为相机，所述相机的感光区间均覆盖所述激光测距仪的波长区间；所述光源系统包括闪光灯，所述闪光灯安装有滤光片，所述滤光片为陷波滤光片、截止滤光片、带通滤光片、带阻滤光片，或所述陷波滤光片、所述截止滤光片、所述带通滤光片、所述带阻滤光片组合而成的滤光片组。
本发明实施例还提供一种检测系统，包括多组检测单元，多组所述检测单元均沿同一轴线方向安装，每组所述检测单元均包括成像设备和测距设备，每组所述检测单元的所述成像设备的光心和所述测距设备的零点共轴线分布；所述成像设备用于拍摄隧道内的图像，每组所述检测单元包括至少一个所述测距设备，所述测距设备用于测量所述测距设备到隧道壁的距离。
进一步地，多组所述检测单元的每个所述成像设备之间间隔设置，在所述车体行进轴线的垂直平面上，每个所述检测单元的成像设备的主光轴的投影为以光心为原点的辐射线，每个所述辐射线之间具有夹角；每组所述检测单元包括多个所述测距设备，所述测距设备为激光测距仪，每组所述检测单元的多个所述激光测距仪呈辐射状分布，所述测距设备的零点为每组所述检测单元的同一平面上的多个所述激光测距仪发射的激光束交点或其反向延长线的交点，所述交点与所述检测单元的所述成像设备的光心的连线平行于所述车体的行进轴线。
本发明实施例还提供一种隧道病害信息提取方法，应用于上述隧道检测装置，所述方法包括：成像设备获取具有特征点或特征图案的隧道图像；根据所述隧道图像上所述特征点或所述特征图案的空间位置参数、成像设备的内方位元素和外方位元素，计算隧道内壁的空间位置数据集，获得隧道的表面图像和具有三维空间坐标的图像；根据隧道的表面图像和具有三维空间坐标的图像进行隧道病害的信息提取，获得具有空间位置的病害信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明实施例提供的隧道检测装置、检测系统及隧道病害信息提取方法，通过在隧道检测装置上设置检测系统，检测系统包括多组所述检测单元，且均沿车体的行进轴线方向安装，每组所述检测单元均包括成像设备和测距设备，每组所述检测单元的所述成像设备的光心和所述测距设备的零点共轴线分布；成像设备用于拍摄隧道内的图像，测距设备用于测量所述测距设备到隧道壁的距离。在测距设备测距时，拍摄具有特征点或特征图案的隧道图像，再通过测量预设的成像设备和测距设备之间的距离，并计算成像设备的位置参数最后测得隧道壁的表面图像和隧道的内部三维图像，如此，可通过隧道的表面图像和内部三维图像获取隧道内的病害信息，如隧道裂缝宽度、长度、空间展布、腐蚀等，将本发明的检测系统设置在车体上，车体行进预定距离后停止处于静态时，成像系统拍摄该段隧道的图像，使用相机内方位元素、外方位元素和距离参数进行畸变校正，按照要求的步进距离使图像覆盖满足重叠率，最后将所拍摄的图像进行拼接和处理，可以生成完整的隧道表面图像和具有三维空间坐标的隧道图像。本发明将对隧道实地观察、量测获得病害信息面积、裂缝长度、宽度的工作转为在隧道图像上作业的非现场作业模式，将隧道空间限界超限等几何信息的量测转为非现场作业模式，使隧道检测的效率大大提高。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的隧道检测装置的应用环境图。
图2为本发明实施例提供的检测系统的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的检测单元的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的隧道病害信息提取方法的流程图。
图5为本发明实施例提供的隧道检测装置在某一时刻采集的隧道图像。
图标：1-隧道检测装置；10-检测系统；100-检测单元；101-相机；102-激光测距仪；103-安装座；104-安装盘；105-支撑条；106-连接件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
生活中已经越来越离不开轨道交通了，不管是地铁还是高铁均有大量的隧道存在，需要对隧道的质量情况进行检测，包括对隧道衬砌质量检测。目前，隧道衬砌质量检测沿用的方法主要是人眼观察、手工量测绘图方法和照相方法。现有的照相方法由于高分辨力的图像每张图像覆盖的面积小，获取隧道衬砌多张图像需要不断移动相机拍摄，每张隧道图像成像时具有不同的光学成像中心和方位角、高度角，具有不同的比例尺，图像镶嵌困难。人工检测方法和照相方式一个共性的缺陷是效率低，都不能适应隧道快速检测的要求。
请参考图1，是本发明实施例提供的隧道检测装置1的应用环境图。本发明实施例提供一种隧道检测装置1通过在车体(如轨道车)上安装检测系统，检测系统包括成像设备和测距设备，经过对测得的距离参数进行数据处理，作为图像变换的依据，然后利用图像数据精纠正与镶嵌技术，对拍摄的图像进行拼接，可以得到完整的清晰的隧道图像，以进行隧道衬砌检测。可以将多个成像设备安装于车体上，以进行快速的图像采集，效率高。
本发明实施例的隧道检测装置1包括车体、光源系统和安装于所述车体的检测系统、控制系统以及前进距离控制部件、横向精确定位控制部件以及姿态参数采集系统。所述车体用于安装光源系统、检测系统、前进距离控制部件和横向精确定位控制部件等，并可用于按照预设程序完成行走。所述光源系统用于在采集图像时发光，以照亮隧道，光源系统可以包括闪光灯。所述前进距离控制部件用于在控制系统的控制下精确的控制所述车体在隧道内的前进距离、速度，实现图像的线路定位，所述横向精确定位控制部件用于在控制系统的控制下精确的控制所述车体的横向定位，以使所述车体的前行轨迹为直线。所述控制系统还用于控制检测系统和光源系统，所述控制系统可以包括处理器、存储器等，可以依据预设在存储器内的控制规则控制所述光源系统、检测系统、前进距离控制部件和横向精确定位控制部件等。
请参考图2，是本发明实施例提供的检测系统10结构示意图。检测系统10包括多组所述检测单元100，多组所述检测单元100沿所述车体的行进轴线方向依次安装，所述行进轴线为车体在行进方向上的中心轴线。
每组检测单元100均包括成像设备和测距设备，每组所述检测单元100的所述成像设备的光心和所述测距设备的零点共轴线分布。本实施例中，所述测距设备为激光测距仪102，激光测距仪102用于测量到隧道壁的距离，在进行激光测距时同时成像，可以获得包含激光光斑的隧道内壁图像。
本实施例中，所述成像设备为相机101，每组检测单元100均包括一个相机101。所述相机101的成像波段包括紫外、可见光、红外波段。当然，在其他具体实施方式中，检测单元100还可以包括两个相机101、3个相机101、10个相机101等。
在其他具体实施方式中，所述测距设备还可以是激光束发射器与相机101组成的测距装置，可以激光束发射器零点与相机101光心、激光束在目标上的光斑三点构成三角形，基于激光三角测量方法求出相机101的光心到隧道衬砌面的距离，进一步地，在隧道图像多个光斑之间进行内插，并通过投影关系求出隧道面的三维坐标，所述测距设备可以是其它非接触式测距设备。所述相机101用于拍摄隧道壁的部分区域的图像，由于每个相机101的拍摄角度有限，而需要将整个隧道的图像均拍摄下来，则需要每组检测单元100的相机101在垂直于车体行进轴线的平面上的投影间具有一定夹角，并且多个相机101在叠加后的视角能够覆盖一段隧道截面。沿隧道多次成像，形成纵向有重叠的多段隧道截面图像，能够覆盖更大的隧道区间乃至全部隧道。
作为一种实施方式，多组检测单元100的上的相机101的光心位于光心轴线上，该光心轴线与所述车体行进轴线平行，当然也可以与所述车体行进轴线重叠。
多组所述检测单元100的相机101之间间隔设置，并且依据不同的成像指标，多个相机101之间的间隔可以为等间距或不等间距。例如，相机101成像效果好、视角宽，则与相邻的两个相机101之间的角度可以与其他相邻相机101之间的角度不同。但是，为了整个成像效果的一致性，本实施例中，多个相机101之间的间隔相同。
在与所述车体行进轴线的垂直平面上，每个所述成像设备的主光轴的投影为以光心为原点的辐射线，每条所述辐射线之间具有夹角。根据每台成像设备所处隧道断面的位置及成像距离，设定成像设备的视场角和景深，使远近不同的目标所成的图像具有接近的比例尺并保持清晰。依据不同的成像指标，多个所述辐射线之间的夹角为等角度间隔或不等角度间隔。本实施例中多个所述辐射线之间的夹角设置为不同。
检测单元100包括多个激光测距仪102，每组所述检测单元100的多个所述激光测距仪102呈辐射状分布设置，每组所述检测单元100的激光测距仪102可以设置于同一平面。当然，在其他具体实施方式中，所述每组所述检测单元100的激光测距仪102可以设置于不同平面，下文会详细阐述，在此不再赘述。所述测距设备的零点即为每组所述检测单元100的同一平面上的多个所述激光测距仪102发射的激光的交点或者反向延长线的交点，所述交点位于所述光心轴线上。
通过将多个相机101设置为共光心轴线，激光测距仪102的发出的激光束交点或其反向延长线也交于该光心轴线，便于依据激光测距仪102检测激光点的距离，对采集的隧道图像进行处理，同时，由于多个相机101共光心轴，使拍摄的隧道图像容易拼接，不易产生错位，直接减少了全景图像镶嵌处理的工作量和时间。此种实施方式尤其适用于隧道截面为一个完整的弧形。
作为另一种实施方式，每组所述检测单元100包括多个激光测距仪102，每组所述检测单元100的多个所述激光测距仪102同样呈辐射状分布，所述检测单元100的多个激光测距仪102的零点为同一点且与相机101的光心连线平行于所述车体的行进轴线，也即是说每组所述检测单元100的同一平面上的多个所述激光测距仪102发射的激光束交点或其反向延长线的交点与所述检测单元100的所述相机101的光心的连线平行于所述车体的行进轴线。可以理解的是，本实施例中，多组检测单元100的光心可以不在同一光心轴线上，显然的，多组检测单元100中的某几组的相机101的光心也可以在光心轴线上。本实施例仅需要满足每组内检测单元100的多个激光测距仪102发射的激光束交点或其反向延长线的交点与该组相机101的光心的连线与车体的行进轴线平行或重合即可。如此，一方面可以满足图像处理的要求，如某组检测单元100在隧道的不同位置拍摄的图像都容易拼接，不易产生错位等等，其次，还可以适用于隧道截面为多段弧形衔接的隧道结构。
每个检测单元100还设置有连接件106，在连接件106上可以开设安装孔，通过定位销穿过安装孔快速的将检测单元100安装在车体上，可达到检校时的精确复位。
需要提到的是，隧道检测装置1可以设置一个或多个检测系统10，例如在车体的头部和尾部各设置一个检测系统10，每个检测系统10包括一组或多组检测单元100，当然车体中部也可以设置一个检测系统10。也可以理解为，一个隧道检测装置1上可以设置多个检测系统10，每个检测系统10内的多组检测单元100可以共轴，也可以不共轴，多个检测系统10可以不依次连续设置。
请参考图3并结合图2，图3是本发明实施例提供的检测单元100的结构示意图。所述检测单元100包括安装座103、安装盘104以及支撑条105，所述安装座103用于安装相机101，多个所述激光测距仪102呈辐射状分布设置于所述安装盘104。本实施例中，一个安装座103安装一个相机101，并且每个检测单元100的相机101的镜头朝向可设置为不同。
激光测距仪102可以按照图3所示的方式安装于安装盘104的两侧，两侧的多个激光测距仪102属于不同的平面，且两侧的激光测距仪102均呈辐射状分布，并且两侧的激光测距仪102发出的激光束的反向延长线分别交于两点，且这两点均位于光心轴线上。当然，激光测距仪102也可以按照图2所示的方式，将多个激光测距仪102安装于安装盘104的远离安装座103的一侧，同样的，多个激光测距仪102呈辐射状分布。可以的是，多个激光测距仪102可以沿安装盘104不同的半径安装，例如，一个安装盘104上安装13个激光测距仪102，将7个激光测距仪102环绕分布于安装盘104的半径为120mm处，将6个激光测距仪102环绕分布于安装盘104的半径为80mm处，并且外侧的7个激光测距仪102间隔设置，内侧的6个激光测距仪102分别对应于7个激光测距仪102的间隔处。由于激光测距仪102具有一定的宽度，而激光束的宽度很窄，如此，可以在有限的安装盘104面积上安装更多的激光测距仪102，以为后期的图像校正提供更多的控制点，图像校正和变换更为精确。
多组间隔设置的检测单元100的间距小于图像覆盖区域，相邻检测单元100内的激光测距仪102设置也为相邻成像设备成像区域提供激光测距数据与光斑。如图2所示，在靠近端头的成像单元所覆盖的成像区域里，增加了测距单元，以保证图像上有满足测图所需的足够的合理分布的激光测距光斑和测距数据。
多个激光测距仪102的安装平面互相平行，每个平面里的每个激光测距仪102的激光束之间的夹角可以根据测图要求设置为等角间隔或不等角间隔，每组检测单元100里的测距设备之间的距离可以根据测图需要的点密度进行配置。
安装座103和安装盘104通过多个支撑条105连接，支撑条105的高度可以调节，优选的，支撑条105的个数为三个。当然，在其他具体实施方式中，所述支撑条105的个数还可以为其他，例如4个、5个、6个等，本发明对此不做限定，容易理解的是，三个支撑条105既能满足将安装座103和安装盘104支撑的作用，同时还可以减少材料。
本实施例中，所述安装座103和安装盘104均为圆形，优选的，安装座103的直径小于安装盘104的直径，所述安装盘104的直径为350mm。在其他具体实施方式中，安装座103和安装盘104的形状还可以为其他，例如扇形、矩形、梯形等。所述安装座103和安装盘104应当保持平行，如此，以满足安装在安装座103上的相机101的光心和安装在安装盘104上的多个激光测距仪102的激光束的交点或激光束反向延长线的交点汇聚于光心轴线。可以通过调试机构安装在安装座103和安装盘104之间进行调试，以使安装座103和安装盘104保持平行，并且还可以调节安装座103和安装盘104之间的距离为75mm，调试完毕后，可将调试机构撤走。
本实施例的隧道检测装置1还包括姿态传感器，所述姿态传感器用于记录任意时刻所述车体的纵向和横向的坡度角，并且通过坐标转换算法为检测单元100的外方位元素修正提供基础数据，为后期数据处理提供改正参数，其中所述纵向为所述车体的行进轴线方向。
激光测距仪102使用的激光波长可以是处于可见光区间，也可以处于红外光区间。当使用的相机101感光电磁波为可见光波段成像，为了同时记录隧道激光光斑，激光测距仪102激光波长也使用可见光波长。激光测距仪102激光波长使用红外波长时，相机101的感光区间需要扩大到覆盖激光测距波长的红外波长区间，即相机101的感光区间均完全覆盖所述激光测距仪102的波长区间，对于长波红外成像图像的校正则要通过和其他图像匹配的方法实现，例如：激光测距仪102波长不覆盖热红外波段，热红外波段图像的校正要和可见光图像基于特征进行匹配纠正。
本实施例的隧道检测装置1还包括图像采集模块和图像处理模块，图像采集模块用于图像的采集、存储和输出；图像处理模块用于读取，计算，输出图像数据。
请参考图4，是本发明实施例提供的隧道病害信息提取方法的流程图。
步骤S11，成像设备获取具有特征点或特征图案的隧道图像。
由于闪光灯里可能含有激光测距仪102发射的激光的光谱成分，会对激光测距仪102的测距精度产生干扰，本实施例可以采取在闪光灯前加装滤光片的方法，滤除闪光灯光谱里与激光测距仪102重叠的光谱分量，获取具有激光光斑的隧道图像，但是不影响激光测距仪102的测距精度。
其中，在闪光灯前加装的滤光片可以是陷波滤光片、截止滤光片、带通滤光片、带阻滤光片，或所述陷波滤光片、所述截止滤光片、所述带通滤光片、所述带阻滤光片中的至少两个组合而成的滤光片组，所述滤光片用于将所述闪光灯的与所述激光测距仪102发射的激光的波长分量重叠的波段过滤，如此，闪光灯出来后的光谱成分里就没有了激光波长的分量，就不会对激光测距仪102发射的激光造成干扰。在激光测距持续期间，激光光斑显示在隧道壁上，一次曝光成像将激光光斑和隧道壁同时进行成像。
本实施例中，所述特征点为激光测距仪102的激光光斑，所述特征图案为激光投线装置投射在隧道内壁上的光线或结构光图案或者布设在隧道上的标志。
步骤S12，根据所述隧道图像上所述特征点或所述特征图案的空间位置参数、成像设备的内方位元素和外方位元素，计算隧道内壁的空间位置数据集，获得隧道的表面图像和具有三维空间坐标的图像。
激光测距坐标系原点的坐标在隧道断面坐标系里的值是在检校时确定的，经过坐标转换可以知道激光光斑的三维空间位置。当获取了带若干激光光斑的隧道图像后，这些激光光斑就是控制点，可以基于控制点实现隧道图像的几何校正和投影变换。
内方位元素是指相机101的镜头中心相对于影像位置关系的参数，包括：像主点(主光轴在影像面上的垂足)相对于影像中心的位置x，y以及镜头中心到影像面的垂距f(主距)，一般由摄影机检校确定，其中，所述镜头中心为镜头的像方节点。
外方位元素是指影像或摄影主光束在摄影瞬间的空间位置和姿态的参数，包含6个参数。其中3个描述摄影中心在物方空间坐标系的位置X，Y，Z；3个描述姿态的参数ω，φ，κ。
计算隧道内壁的空间位置数据集后，可以建立三维数字隧道空间，以便基于三维重建技术(如虚拟现实VR，增强现实AR)实现三维仿真显示。
步骤S13，根据隧道的表面图像和具有三维空间坐标的图像进行隧道病害的信息提取，获得具有空间位置的病害信息。
本发明实施例的隧道病害提取方法还可以包括图像纠正步骤：在同一视场分别进行2次成像，第一次仅将闪光灯打开，获取隧道图像；第二次是不用闪光灯，隧道壁上只有激光光斑，所成的图像也只有激光测距的光点。在数据处理时，基于具有激光测距光斑的图像解算校正图像所需的系数，用于没有激光光斑图像的校正。
请参考图5，是本发明实施例提供的隧道检测装置1在某一时刻采集的隧道图像。图中示出了隧道检测装置1的相机101拍摄的5幅隧道图像，每个隧道图像均带有激光光斑5幅隧道图像具有重叠区，重叠区共有的激光光斑是同名点对，将这些激光光斑作为控制点，为5幅隧道图像的变换、纠正、镶嵌提供依据。
隧道图像在沿轨道方向的校正与镶嵌是基于横向立体模型，但在垂直于轨道方向的隧道断面上，图像校正和镶嵌基于全景成像模型。镶嵌之后进行二次投影分幅，供研究者对隧道的病害信息提取、量测使用。
隧道的激光测距数据经过坐标变换，形成隧道三维点云数据，并用点云数据恢复为曲面。该曲面可与相机101拍摄的图像以及由图像信息提取的专题图形成虚拟隧道环境。
另外，以现有的隧道中心按照对直线隧道、曲线隧道的限界参数，生成理想安全的运营空间曲面、建筑限界曲面、设备限界曲面。参考隧道设计和竣工资料生成理想的运营空间曲面、建筑限界曲面、设备限界曲面，将各种理想安全空间曲面以半透明方式和隧道实测曲面重叠计算，对计算出的正负差值分别用不同的色度值表现，并以色彩和等高线模式表达超限程度。
综上所述，本发明实施例提供的隧道检测装置、检测系统及隧道病害信息提取方法，通过在隧道检测装置上设置检测系统，检测系统包括多组所述检测单元，且均沿车体的行进轴线方向安装，每组所述检测单元均包括成像设备和测距设备，成像设备用于拍摄隧道内的图像，测距设备用于测量所述测距设备到隧道壁的距离，在测距设备测距时，拍摄具有特征点或特征图案的隧道图像，再通过测量预设的成像设备和测距设备之间的距离，并计算成像设备的位置参数最后测得隧道壁的表面图像和隧道的内部三维图像，通过图像可以获取隧道内的病害信息，如隧道裂缝等，将本发明的检测系统设置在车体上，车体按照预设步进距离、总距离等参数控制车体行进，停顿时检测系统拍摄该段隧道的图像，最后将所拍摄的图像进行拼接和处理，可以生成完整的隧道的表面图像和具有三维空间坐标的隧道图像。通过将多个相机设置为共光心轴线，激光测距仪的发出的激光束交点或其反向延长线也交于该光心轴线，便于依据激光测距仪检测激光点的距离，对采集的隧道图像进行处理，同时，由于多个相机共光心轴，使拍摄的隧道图像容易拼接，不易产生错位，直接减少了全景图像镶嵌处理的工作量和时间，可适用于隧道截面为一个完整的弧形。仅通过每组检测单元的多个激光测距仪发射的激光束交点或其反向延长线的交点与该组成像设备的光心的连线与车体的行进轴线平行或重合的结构可以满足图像处理的要求，还可以适用于隧道截面为多段弧形的隧道结构。本发明将对隧道观察、实地量测获得病害信息面积、裂缝长度、宽度的工作转为在隧道图像上作业的非现场作业模式，将隧道空间限界超限等几何信息的量测转为非现场作业模式，使隧道检测的效率大大提高。
本发明实施例提供的隧道检测装置、检测系统及隧道病害信息提取方法，以更短的隧道现场作业时间获取高分辨力、易于镶嵌、具有指定比例尺的隧道图像，通过隧道图像提取隧道病害的量化信息，将现行的隧道衬砌质量现场目视检测模式变为非现场的高分辨力图像分析，变为不仅有可见光信息，而且有人眼不可见的红外信息综合分析的工作模式，多组检测单元覆盖不同的隧道区域，共同完成隧道的全覆盖，其优点包括：1、提高了隧道衬砌检测的工作效率；2、提高了隧道衬砌病害信息的准确性、完备性，精确性；3、图像的分析和处理便于基于互联网进行异地、远程、快速、多人、多点分析与处理；4、降低了检测人员的劳动强度和作业工作的危险性；5、基于图像信息和三维数据可以构建隧道病害虚拟分析环境。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种隧道检测装置，其特征在于，包括车体、光源系统和安装于所述车体的检测系统和控制系统，所述检测系统包括多组检测单元，多组所述检测单元均沿所述车体的行进轴线方向安装，每组所述检测单元均包括成像设备和测距设备，每组所述检测单元的所述成像设备的光心和所述测距设备的零点共轴线分布；
所述成像设备用于拍摄隧道内的图像，每组所述检测单元包括至少一个所述测距设备，所述测距设备用于测量所述测距设备到隧道壁的距离；
所述成像设备为相机，每组所述检测单元包括至少一个相机；每组所述检测单元的相机在垂直于车体行进轴线的平面上的投影间具有一定夹角，多个相机叠加后的视角覆盖一段隧道截面；
所述测距设备为激光测距仪，在激光测距持续期间，激光光斑显示在隧道壁上，一次曝光成像将激光光斑和隧道壁同时进行成像，获得包含激光光斑的隧道图像，以便在获取若干包含激光光斑的隧道图像后，将激光光斑作为控制点实现隧道图像的几何校正和投影变换；
将多个相机设置为共光心轴线，所述激光测距仪发出的激光束交点或其反向延长线也交于该光心轴线，便于依据激光测距仪检测激光点的距离对所述相机拍摄的隧道图像进行处理、以及对处理后的所述隧道图像进行拼接，得到隧道的表面图像和具有三维空间坐标的图像。
2.根据权利要求1所述的隧道检测装置，其特征在于，多组所述检测单元的每个所述成像设备之间间隔设置，在所述车体行进轴线的垂直平面上，每个所述检测单元的成像设备的主光轴的投影为以光心为原点的辐射线，每个所述辐射线之间具有夹角。
3.根据权利要求1或2所述的隧道检测装置，其特征在于，每组所述检测单元的多个所述激光测距仪呈辐射状分布，所述测距设备的零点为每组所述检测单元的同一平面上的多个所述激光测距仪发射的激光束交点或其反向延长线的交点，所述交点与所述检测单元的所述成像设备的光心的连线平行于所述车体的行进轴线。
4.根据权利要求1或2所述的隧道检测装置，其特征在于，每组所述检测单元的所述成像设备的光心共处于一条光心轴线上，所述光心轴线与所述车体的行进轴线平行；
每组所述检测单元包括多个所述测距设备，每组所述检测单元的多个所述激光测距仪呈辐射状分布，所述测距设备的零点为每组所述检测单元的同一平面上的多个所述激光测距仪发射的激光束交点或其反向延长线的交点，所述交点也位于所述光心轴线。
5.根据权利要求1所述的隧道检测装置，其特征在于，所述装置还包括：前进距离控制部件，所述前进距离控制部件用于控制所述车体在隧道内的前进速度、距离和位置并进行记录；
横向精确定位控制部件，所述横向精确定位控制部件用于控制所述车体的横向定位，以使所述车体的前行轨迹为直线；
姿态传感器，所述姿态传感器用于记录任意时刻所述车体的纵向和横向的坡度角，其中所述纵向为所述车体的行进轴线方向。
6.根据权利要求3所述的隧道检测装置，其特征在于，所述检测单元包括安装座和安装盘，所述安装座用于安装所述成像设备，多个所述激光测距仪呈辐射状分布设置于所述安装盘的一侧或两侧，所述安装座和所述安装盘通过多个高度可调节的支撑条固定，用于调节成像设备的外方位元素；所述检测单元通过定位销安装于所述车体，使多次重复安装的位置与姿态状态相同。
7.根据权利要求3所述的隧道检测装置，其特征在于，所述相机的感光区间均覆盖所述激光测距仪的波长区间；
所述光源系统包括闪光灯，所述闪光灯安装有滤光片，所述滤光片为陷波滤光片、截止滤光片、带通滤光片、带阻滤光片，或所述陷波滤光片、所述截止滤光片、所述带通滤光片、所述带阻滤光片组合而成的滤光片组。
8.一种检测系统，其特征在于，包括多组检测单元，多组所述检测单元均沿同一轴线方向安装，每组所述检测单元均包括成像设备和测距设备，每组所述检测单元的所述成像设备的光心和所述测距设备的零点共轴线分布；
所述成像设备用于拍摄隧道内的图像，每组所述检测单元包括至少一个所述测距设备，所述测距设备用于测量所述测距设备到隧道壁的距离；
所述成像设备为相机，每组所述检测单元包括至少一个相机；每组所述检测单元的相机在垂直于车体行进轴线的平面上的投影间具有一定夹角，多个相机叠加后的视角覆盖一段隧道截面；
所述测距设备为激光测距仪，在激光测距持续期间，激光光斑显示在隧道壁上，一次曝光成像将激光光斑和隧道壁同时进行成像，获得包含激光光斑的隧道图像，以便在获取若干包含激光光斑的隧道图像后，将激光光斑作为控制点实现隧道图像的几何校正和投影变换；
将多个相机设置为共光心轴线，所述激光测距仪发出的激光束交点或其反向延长线也交于该光心轴线，便于依据激光测距仪检测激光点的距离对所述相机拍摄的隧道图像进行处理、以及对处理后的所述隧道图像进行拼接，得到隧道的表面图像和具有三维空间坐标的图像。
9.根据权利要求8所述的检测系统，其特征在于，多组所述检测单元的每个所述成像设备之间间隔设置，在车体行进轴线的垂直平面上，每个所述检测单元的成像设备的主光轴的投影为沿光心为原点的辐射线，每个所述辐射线之间具有夹角；
每组所述检测单元包括多个所述测距设备，每组所述检测单元的多个所述激光测距仪呈辐射状分布，所述测距设备的零点为每组所述检测单元的同一平面上的多个所述激光测距仪发射的激光束交点或其反向延长线的交点，所述交点与所述检测单元的所述成像设备的光心的连线平行于所述车体的行进轴线。
10.一种隧道病害信息提取方法，应用于权利要求1-7任一所述的隧道检测装置，其特征在于，所述方法包括：
成像设备获取具有特征点或特征图案的隧道图像，所述特征点为激光测距仪的激光光斑，所述特征图案为激光投线装置投射在隧道内壁上的光线或结构光图案或者布设在隧道上的标志；
根据所述隧道图像上所述特征点或所述特征图案的空间位置参数、成像设备的内方位元素和外方位元素，计算隧道内壁的空间位置数据集，获得隧道的表面图像和具有三维空间坐标的图像；
根据隧道的表面图像和具有三维空间坐标的图像进行隧道病害的信息提取，获得具有空间位置的病害信息。
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