CN108896014A - 一种隧道断面测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道断面测量装置及其测量方法，测量装置包括测量机构和拍摄机构，测量机构包括移动构件和都设于移动构件上的旋转构件、测距装置、发射装置、控制装置和供电装置，旋转构件包括设于测量机构上的位移旋转台和由位移旋转台控制的转轴，转轴的端部设有安装座且伸出测量机构外，测距装置设有多个且按设定的分布形态安装于安装座上，测距装置测距时能产生测距光斑，发射装置用于在隧道内壁上生成圆弧形轮廓光线；拍摄机构包括三脚架及设于三脚架上的相机，拍摄机构设在相距测量机构一定距离处。与现有技术相比，本发明具有精度较高、速度较快、成本低、操作便捷等特点，在保证一定精度条件下能满足隧道快速检测的需要。

Description

一种隧道断面测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及结构检测领域，尤其是涉及一种隧道断面测量装置及其测量方法。

背景技术

随着中国隧道建设迅速发展，大量隧道建成并投入运营使用。随着隧道服役时间增长，结构不可避免地会出现变形、裂缝、渗漏水等病害，不仅影响结构正常使用，还严重危害结构安全性。准确及时的隧道检测可有效发现隧道中较薄弱区域，从而有针对性地进行加固修复，对于保障隧道安全运营具有重要意义。

断面变形是隧道检测中的重要内容。传统检测方法包括人工目测法、断面收敛仪法、全站仪法等方法，难以兼顾测量效率与测量精度，已难以适应当下的新形势，因此迫切需要一种新的高效、精确的断面测量方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种隧道断面测量装置及其测量方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种隧道断面测量装置，包括测量机构和拍摄机构，所述测量机构包括移动构件和都设于移动构件上的旋转构件、测距装置、发射装置、控制装置和供电装置，所述移动构件包括底座和设于底座的滑轮，所述旋转构件包括设于测量机构上的位移旋转台和由位移旋转台控制的转轴，所述转轴的端部设有安装座且伸出测量机构外，所述测距装置设有多个且按设定的分布形态安装于所述安装座上，所述测距装置测距时能产生测距光斑，所述发射装置用于在隧道内壁上生成圆弧形轮廓光线，所述控制装置分别连接所述测距装置、发射装置和位移旋转台，所述供电装置分别连接所述测距装置、发射装置、位移旋转台和控制装置；所述拍摄机构包括三脚架及设于三脚架上的相机，所述拍摄机构设在相距所述测量机构一定距离处。

优选的，所述测距装置包括激光测距仪。

优选的，所述控制装置包括计算机。

优选的，所述发射装置包括线状激光器。

优选的，所述相机设有超广角镜头。

优选的，所述相距所述测量机构一定距离处具体为：在能够拍摄完整所述圆弧形轮廓光线的情况下，尽量靠近所述圆弧形轮廓光线的位置。

一种使用上述测量装置的隧道断面测量方法，包括：

S1、在所述旋转构件的安装座上设置一个测距装置，在隧道区间内某处，通过所述发射装置在隧道内壁上生成圆弧形轮廓光线，通过所述测距装置在隧道内壁轮廓的起点上生成一个测距光斑，在相距所述测量机构一定距离处固定拍摄机构；

S2、通过所述位移旋转台控制测距装置旋转若干次，每次旋转一定的角度使光斑从隧道内壁轮廓的起点转到终点，旋转过程中使测距光斑始终保持在圆弧形轮廓光线上移动，每次旋转后，通过所述控制装置采集测距数据，并用所述拍摄机构拍摄一张包含完整圆弧形轮廓光线的数字图像，根据得到的测距光斑的像素坐标、圆弧形轮廓光线上所有点的像素坐标拟合得到待测量断面的DLT拟合轮廓；

S3、控制测距装置以缓慢的速度使光斑从隧道内壁轮廓的起点转到终点，旋转过程中连续测距并记录测距数据，拟合得到待测量断面的真实轮廓；

S4、以不同的测距装置旋转次数和旋转角度重复步骤S2，得到不同的待测量断面的DLT拟合轮廓，比较每个DLT拟合轮廓与步骤S3得到的真实轮廓的误差，在误差允许范围内选取测距装置的最优旋转次数和旋转角度，以每次旋转后的位置作为最优分布形态；

S5、在旋转构件的安装座上按照最优分布形态安装多个测距装置；

S6、测量机构和拍摄机构同时沿隧道前行，每前行一定距离停止一次，用步骤S5安装的测距装置同时测距并使用拍摄机构拍照，实现隧道断面的移动式测量。

优选的，所述步骤S2中根据得到的测距光斑的像素坐标、圆弧形轮廓光线上所有点的像素坐标拟合得到待测量断面的DLT拟合轮廓的过程具体包括：

通过测距装置的测距数据与对应旋转角度计算测距光斑的相对世界坐标，通过测距光斑的像素坐标、测距光斑的相对世界坐标和圆弧形轮廓光线上所有点的像素坐标，根据直接线性变换法得到DLT目标点相对世界坐标，根据DLT目标点相对世界坐标拟合得到待测量断面的DLT拟合轮廓。

优选的，所述步骤S1中相距所述测量机构一定距离处具体为：拍摄机构能够拍摄完整圆弧形轮廓光线的情况下，尽量靠近圆弧形轮廓光线的位置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、利用线状激光器投射目标点，利用激光测距仪投射控制点，基于2D-DLT方程进行摄影测量解析，通过测量机构与拍摄机构的协同工作实现隧道移动式快速检测，具有精度较高、速度较快、成本低、操作便捷等特点，在保证一定精度条件下能较好地满足隧道快速检测的需要。

2、可针对不同隧道断面设定不同的测距装置最优分布形态，以达到精确性与经济性的平衡，具有适用范围广泛的优点。

附图说明

图1为本发明中测量装置的主视图；

图2为本发明中测量装置的右视图；

图3为采用本发明测量装置测量隧道断面的示意图；

图4为本发明中测量方法的流程示意图；

图5为实施例中DLT拟合轮廓与真实轮廓的拟合结果；

图6为实施例中不同控制点数量时水平/竖向相对误差。

图中标注：1、隧道衬砌内壁，2、圆弧形轮廓光线，3、线状激光器，4、激光测距仪，5、转轴，6、供电装置，7、滑轮，8、面板，9、相机，10、三脚架，11、位移旋转台，12、安装座，13、底座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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。

一种隧道断面测量装置，包括测量机构和拍摄机构。

如图1、图2所示，测量机构为钢架结构，包括移动构件和都设于移动构件上的旋转构件、测距装置、发射装置、控制装置和供电装置6。移动构件包括底座13和设于底座13的滑轮7，可沿隧道前行。旋转构件包括设于测量机构上的位移旋转台11和由位移旋转台11控制的转轴5，位移旋转台11可平移转轴5及按任意角度带动转轴5旋转，转轴5的端部设有安装座12且伸出测量机构外。安装座12为圆盘状，测距装置设有多个且按设定的分布形态安装于安装座12上，测距装置具有非接触式距离测量的功能，用于采集摄影测量解析所需数据，测距装置测距时能产生测距光斑。发射装置具有投射线状光线的功能，用于在隧道内壁上生成圆弧形轮廓光线2，即待测量断面的轮廓。控制装置分别连接测距装置、发射装置和位移旋转台11。供电装置6分别连接测距装置、发射装置、位移旋转台11和控制装置，用于提供电源，包括测距装置的电源、发射装置的电源、位移旋转台11和控制装置的电源等。

拍摄机构包括三脚架10及设于三脚架10上的相机9，用于记录数字底片，拍摄机构设在相距测量机构的一定距离处，使其在能够拍摄完整圆弧形轮廓光线2的情况下，尽量靠近圆弧形轮廓光线2。拍摄机构可以与测量机构分离设置，也可以与测量机构的移动构件连接，使拍摄机构能跟随测量机构移动。

测距装置具体为激光测距仪4，测距时在隧道衬砌内壁1上产生明亮的测距光斑。

发射装置具体为线状激光器3，线状激光器3通电后产生明亮的线状光带，线状光带投射在隧道衬砌内壁1上形成明亮的圆弧形轮廓线。

位移旋转台11包括电机控制的三轴平移控制装置和步进式马达，通过三轴平移控制装置带动转轴5平移，通过步进式马达带动转轴5旋转。

控制装置包括计算机，本实施例中，优选的，控制装置为便携式笔记本电脑，可放置于测量机构顶部的面板8上，笔记本电脑可通过软件控制激光测距仪4工作并记录激光测距仪4的测距数据。

相机9为数码相机，设有超广角镜头。

图3为采用本发明测量装置测量隧道断面的示意图，使用该测量装置对隧道断面测量的方法如图4所示，包括：

S1、在旋转构件的安装座12上设置一个测距装置，在隧道区间内某处，使线状激光器3通电工作，通过线状激光器3在隧道内壁上生成圆弧形轮廓光线2，通过测距装置在隧道内壁轮廓的起点上生成一个测距光斑，在适当的位置固定拍摄机构，位置选取原则为：使其在能够拍摄完整圆弧形轮廓光线2的情况下，尽量靠近圆弧形轮廓光线2。

S2、通过位移旋转台11控制测距装置旋转若干次，每次旋转一定的角度使光斑从隧道内壁轮廓的起点转到终点，旋转过程中使测距光斑始终保持在圆弧形轮廓光线2上移动，每次旋转后，通过控制装置采集测距数据，并用拍摄机构拍摄一张包含完整圆弧形轮廓光线2的数字图像，图像中也包括测距光斑；旋转若干次后，记录激光测距仪4所在终止位置，使激光测距仪4重新旋转到初始位置。

将测距装置在隧道内壁上的测距光斑称为控制点，通过图像处理软件提取数字图像中测距光斑的像素坐标，作为控制点像素坐标。

通过图像处理软件提取数字图像中圆弧形轮廓线上所有点的像素坐标，作为目标点像素坐标。

通过激光测距仪4的测距数据与对应旋转角度计算控制点相对世界坐标。

基于摄影测量理论中的直接线性变换法(Direct Linear Translation,DLT)建立方程组，通过控制点像素坐标、控制点相对世界坐标、目标点像素坐标求解DLT目标点相对世界坐标。通过DLT目标点相对世界坐标拟合得到待测量断面的DLT拟合轮廓。

S3、控制测距装置以缓慢的速度使光斑从隧道内壁轮廓的起点转到终点，旋转过程中连续测距并记录测距数据，通过缓慢旋转情况下测得的测距数据与对应旋转角度计算真实目标点相对世界坐标，通过真实目标点相对世界坐标拟合得到待测量断面的真实轮廓。

S4、以不同的测距装置旋转次数和旋转角度重复步骤S2，实现不同的控制点的数量与分布形态的测量，分别进行DLT解算，得到不同的待测量断面的DLT拟合轮廓，比较每个DLT拟合轮廓与步骤S3得到的真实轮廓的误差，误差计算方法有多种，例如轮廓横向、纵向误差，轮廓度等。在误差允许范围内，综合精确性与经济性的平衡，选取测距装置的最优旋转次数和旋转角度，并以每次旋转后的位置作为最优分布形态。

S5、在旋转构件的安装座12上按照最优分布形态安装多个测距装置，使其同时工作。

S6、测量机构和拍摄机构同时沿隧道前行，每前行一定距离停止一次，用步骤S5安装的测距装置同时测距并使用拍摄机构拍照，实现隧道断面的移动式测量。

实施例

利用本发明的测量装置在上海地铁4号线海伦路至临平路区间隧道进行现场试验。具体试验流程为：选取待测断面并固定移动式测量机构；在适当的位置使用三脚架10固定相机9，利用快门线拍摄防止误触相机9；打开激光器并调节角度，使发出的圆弧轮廓面与隧道的纵向尽可能垂直；打开激光测距仪4，通过三轴调节保证测距光斑在激光测距仪4旋转过程中始终在轮廓线上移动；激光测距仪4旋转到零度初始位置，即隧道内壁轮廓的起点；控制激光测距仪4每次旋转10°停止并拍摄一张图像，共旋转250°，拍摄26张图像，得到26个控制点；旋转过程中保证以上设备相对位置不发生改变。得到包含完整圆弧轮廓光线以及单个控制点的图像，测距光斑(控制点)在局部放大图中清晰可见。拍摄完成后使激光测距仪4回到原点，以1°/s的速度连续缓慢旋转共250°，测距频率为1次/s，共记录250个测距值。因转速较低，接近于准静态测量，认为这250个数据的拟合结果为真实断面，以衡量DLT拟合精度。断面的拟合结果如图5所示，图中圆点为DLT拟合轮廓，交叉点为真实轮廓。定义两者水平/竖向最大距离之差除以隧道内径(5500mm)为水平/竖向相对误差，以该指标衡量DLT拟合精度。

以均布方式从26个控制点中依次选取4、8、12、16、20、24个控制点，分别计算水平/竖向相对误差，得到如图6所示的相对误差—控制点数量相关曲线。由图6可知，水平/竖向相对误差均有随控制点数量增加而减小的趋势。相对误差衰减速率约为0.05‰～0.1‰/点，绝对误差衰减速率约为0.3～0.6mm/点。

当采用4个控制点时，水平/竖向相对误差约分别为1.3‰、2.7‰，水平/竖向绝对误差约分别为8mm、16mm。这是因为控制点较少时，控制点本身的测量误差会对计算较远位置目标点的相对世界坐标产生比较强烈的影响；当采用20个控制点时，水平/竖向相对误差均降至0.5‰左右，水平/竖向绝对误差降至3mm左右。此后误差基本保持稳定。这是由于此时误差主要来自于仪器系统误差以及畸变残余误差，即使再增加控制点数量也难以有效提高精度。

针对不同截面的地铁隧道，实际应用时应根据具体精度要求确定最优控制点数量。根据试验结果，若允许最大误差为5mm，对于内径5.5m的盾构隧道8至12个控制点即可满足精度要求。

确定最优控制点数量后，需确定在相同数量控制点时控制点分布形态对于拟合误差的影响。以8个控制点为例，分别选取8个均匀分布点、8个左侧集中分布点、8个顶部集中分布点、8个右侧集中分布点计算水平/竖向相对误差，计算结果见表1。由表1可知，控制点分布形态对误差有显著影响。当控制点均匀分布时，水平/竖向相对误差均约为1‰；当控制点集中分布在顶部时，相对误差较均布情况略有增加；当控制点集中分布在左、右两侧时，相对误差迅速增加，最大相对误差达约3％，是均布情况的约30倍。这是由于均布情况下偶然误差将在整个测量域中均摊，因此计算结果在整体上较准确，而集中分布在某侧会导致另一侧误差被成倍放大。因此在大多数情况下，均匀分布是最优的控制点布设形态。

表1不同分布形态时水平/竖向相对误差(8个控制点)

分布形态	均布	左侧	顶部	右侧
					水平相对误差(‰)	1.011	22.631	1.139	31.659
竖向相对误差(‰)	0.969	25.981	3.834	5.076

确定最优控制点数量与分布形态后，安装激光测距仪4，可实现地铁隧道断面快速检测。对于内径5.5m的盾构隧道而言，根据本实施例的试验结果，最优控制点数量为8个，最优分布形态为均匀分布。实际应用时，在激光测距仪4旋转平面内均布安装8个激光测距仪4，其同时工作提供8个控制点。衬砌管片通常呈连续变形特征，因此距离较近的两个断面通常不会发生突变。建议每隔10～20m设置一个测量断面，每个断面仅需拍摄一张图像即结束本次检测。检测速度显著提高，当检测间距设置为10m时，平均检测速度约为20m/分钟。

Claims (9)

1.一种隧道断面测量装置，包括测量机构和拍摄机构，其特征在于，所述测量机构包括移动构件和都设于移动构件上的旋转构件、测距装置、发射装置、控制装置和供电装置，所述移动构件包括底座和设于底座的滑轮，所述旋转构件包括设于测量机构上的位移旋转台和由位移旋转台控制的转轴，所述转轴的端部设有安装座且伸出测量机构外，所述测距装置设有多个且按设定的分布形态安装于所述安装座上，所述测距装置测距时能产生测距光斑，所述发射装置用于在隧道内壁上生成圆弧形轮廓光线，所述控制装置分别连接所述测距装置、发射装置和位移旋转台，所述供电装置分别连接所述测距装置、发射装置、位移旋转台和控制装置；所述拍摄机构包括三脚架及设于三脚架上的相机，所述拍摄机构设在相距所述测量机构一定距离处。

2.根据权利要求1所述的一种隧道断面测量装置，其特征在于，所述测距装置包括激光测距仪。

3.根据权利要求1所述的一种隧道断面测量装置，其特征在于，所述控制装置包括计算机。

4.根据权利要求1所述的一种隧道断面测量装置，其特征在于，所述发射装置包括线状激光器。

5.根据权利要求1所述的一种隧道断面测量装置，其特征在于，所述相机设有超广角镜头。

6.根据权利要求1所述的一种隧道断面测量装置，其特征在于，所述相距所述测量机构一定距离处具体为：在能够拍摄完整所述圆弧形轮廓光线的情况下，尽量靠近所述圆弧形轮廓光线的位置。

7.一种使用权利要求1～6任一所述测量装置的隧道断面测量方法，其特征在于，包括：

S1、在所述旋转构件的安装座上设置一个测距装置，在隧道区间内某处，通过所述发射装置在隧道内壁上生成圆弧形轮廓光线，通过所述测距装置在隧道内壁轮廓的起点上生成一个测距光斑，在相距所述测量机构一定距离处固定拍摄机构；

S2、通过所述位移旋转台控制测距装置旋转若干次，每次旋转一定的角度使光斑从隧道内壁轮廓的起点转到终点，旋转过程中使测距光斑始终保持在圆弧形轮廓光线上移动，每次旋转后，通过所述控制装置采集测距数据，并用所述拍摄机构拍摄一张包含完整圆弧形轮廓光线的数字图像，根据得到的测距光斑的像素坐标、圆弧形轮廓光线上所有点的像素坐标拟合得到待测量断面的DLT拟合轮廓；

S3、控制测距装置以缓慢的速度使光斑从隧道内壁轮廓的起点转到终点，旋转过程中连续测距并记录测距数据，拟合得到待测量断面的真实轮廓；

S4、以不同的测距装置旋转次数和旋转角度重复步骤S2，得到不同的待测量断面的DLT拟合轮廓，比较每个DLT拟合轮廓与步骤S3得到的真实轮廓的误差，在误差允许范围内选取测距装置的最优旋转次数和旋转角度，以每次旋转后的位置作为最优分布形态；

S5、在旋转构件的安装座上按照最优分布形态安装多个测距装置；

S6、测量机构和拍摄机构同时沿隧道前行，每前行一定距离停止一次，用步骤S5安装的测距装置同时测距并使用拍摄机构拍照，实现隧道断面的移动式测量。

8.根据权利要求7所述的一种隧道断面测量方法，其特征在于，所述步骤S2中根据得到的测距光斑的像素坐标、圆弧形轮廓光线上所有点的像素坐标拟合得到待测量断面的DLT拟合轮廓的过程具体包括：

通过测距装置的测距数据与对应旋转角度计算测距光斑的相对世界坐标，通过测距光斑的像素坐标、测距光斑的相对世界坐标和圆弧形轮廓光线上所有点的像素坐标，根据直接线性变换法得到DLT目标点相对世界坐标，根据DLT目标点相对世界坐标拟合得到待测量断面的DLT拟合轮廓。

9.根据权利要求7所述的一种隧道断面测量方法，其特征在于，所述步骤S1中相距所述测量机构一定距离处具体为：拍摄机构能够拍摄完整圆弧形轮廓光线的情况下，尽量靠近圆弧形轮廓光线的位置。