CN109458945A - 一种基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统及方法。相机集群装置固定于相机轨道装置上，用于采集隧道图像；相机轨道装置安装于隧道壁的电缆上方，相机轨道装置包括相机轨道和机器人，机器人安装于相机轨道上，相机集群装置固定于机器人上；相机集群装置的数据输出端通过信息传输设备与数据服务器的数据输入端连接；应用端的输出端通过信息传输设备与机器人的控制端连接，应用端用于将输出的控制指令传输至机器人，以调节机器人的运动状态；数据服务器通过信息传输设备与应用端连接，应用端用于对隧道图像数据进行分析，得到隧道变形的监测结果。本发明可以实时对隧道的变形情况进行监测，提高监测的效率。

Description

一种基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统及方法

技术领域

本发明涉及隧道监测领域，特别是涉及一种基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统及方法。

背景技术

常规隧道变形监测方法是基于全站仪自由设站的非接触量测法，以断面量观测需求为依据布设控制点，测量精度可以达到1mm以内。此方法可实现非接触量测，并且能够获得点位变化的三维信息。但是对现在环境条件的要求高，控制点较多在两侧洞壁上，易受到干扰。实际观测时间长，数据处理慢，往往与施工作业发生矛盾，并且能监测的变形点数有限，未设置测量控制点的断面不能监测变形量。此外，1台全站仪监测1次需要几个小时，监测结果还需要进行平差，一般用于日常自动化监测，监测频率一般1天1～2次。而对于进行隧道洞内外注浆加固时，注浆压力等的变化会在几分钟内对隧道产生影响，要求及时迅速反应出隧道结果的变形量，并实时查看现场环境情况，这时全站仪监测就难以满足实时监测和监视的要求，因此，对于监测频率要求较高的情况，全站仪监测很难满足监测要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统及方法，以实时对隧道的变形情况进行监测，提高监测的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统，包括：相机集群装置、相机轨道装置、信息传输设备、数据服务器和应用端；

所述相机集群装置固定于所述相机轨道装置上，用于采集隧道图像；所述相机轨道装置安装于隧道壁的电缆上方，所述相机轨道装置包括相机轨道和机器人，所述机器人安装于所述相机轨道上，所述相机集群装置固定于所述机器人上，所述相机集群装置通过所述机器人调节在所述相机轨道上的运动状态；所述相机集群装置的数据输出端通过所述信息传输设备与所述数据服务器的数据输入端连接，所述相机集群装置用于将采集的隧道图像数据传输至所述数据服务器；所述应用端的输出端通过所述信息传输设备与所述机器人的控制端连接，所述应用端用于将输出的控制指令传输至所述机器人，以调节所述机器人的运动状态；所述数据服务器的数据输出端通过所述信息传输设备与所述应用端的数据输入端连接，所述数据服务器用于将接收的隧道图像数据发送至所述应用端，所述应用端用于对所述隧道图像数据进行分析，得到隧道变形的监测结果。

可选的，所述相机集群装置包括多个相机和扇形基座，多个所述相机通过所述扇形基座集成为一体，所述相机集群装置通过所述扇形基座固定于所述机器人上。

可选的，所述信息传输设备包括互联网传输设备和4G传输设备，所述相机集群装置的数据输出端通过所述4G设备与所述数据服务器的数据输入端连接；所述应用端的输出端通过所述互联网传输设备与所述机器人的控制端连接；所述数据服务器的数据输出端通过所述互联网传输设备与所述应用端的数据输入端连接。

可选的，所述相机集群装置、相机轨道装置和信息传输设备集成为一体。

可选的，所述数据服务器用于存储和管理所述隧道图像数据。

可选的，所述应用端为电脑应用端或手机应用端。

可选的，所述应用端上安装有影像数据处理软件。

本发明还提供一种基于数字摄影测量技术的隧道变形监测方法，所述隧道变形监测方法应用于上述的隧道变形监测系统，所述隧道变形监测方法包括：

获取相机集群装置拍摄的隧道图像数据；

根据隧道图像数据，通过影像数据处理软件进行空三及绝对定向，获取点云数据；

根据所述点云数据的DEM生成DEM/DOM，获得隧道监测面数据变化量的对比结果；

根据所述对比结果确定所述隧道监测面变形的监测结果。

可选的，所述隧道变形监测方法还包括：

根据隧道的监测需求，获取所述隧道的监测参数；所述监测参数包括监测位置和监测角度；

根据所述监测参数调节生成机器人的调节指令；

根据所述调节指令调节所述机器人的运动状态，所述运动状态包括运动距离、俯仰角度和距离相机轨道的高度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

(1)整个装置非常简便灵活，可以安装在隧道内任何不影响行车的位置，通过调节机器人运动到指定位置监控隧道变化，对需要测量的区域进行影像数据采集，再对数据解析得到变化量，可监视并测量任意隧道表面的变形，精度可达到±1mm。

(2)获取图像数据迅速，获取时不干扰其他施工工序正常进行。

(3)外业控制点少，如有明显特征点可不用布设控制点。

(4)图像数据及测量结果由应用端处理完成，自动化程度高，操作简单，可以及时反馈有关信息，人为因素对测量结果影响小。

(5)本发明实现了隧道内实时采集表面特征变化问题、能够实时了解隧道内裂缝、渗漏水、管片错台及隧道内环境变化。

(6)本系统采集的图像数据资料可以用作隧道建模和隧道结构形变分析，而且能够提供实时图像资料替代地铁非运营阶段部分现场巡查工作，在必要时为可为应急抢险提供帮助。

(7)装置启动后，可实现自动运行，对监测区域多次/周期采集数据，最高可1秒钟采集一组图像，监测数据可实时显示，也可以自动存储，可任意调阅历史数据。

(8)可在应用端安装监控及分析软件，对于隧道注浆等工程需要现场及时指导施工时，可随身携带。

(9)该装置成本较低，适合大量安装，服务器只需要1台，如对数据保密性没有特殊要求，也可采用云服务器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统的结构示意图；

图2为本发明基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统中相机集群的安装位置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

摄影测量在工业测量和工程测量中的应用一般称为非地形摄影测量。其中，近景摄影测量(close range photogrammetry)是指测量范围小于100m、像机布设在物体附近的摄影测量。它经历了从模拟、解析到数字方法的变革，硬件也从胶片像机发展到数字像机。数字近景摄影测量系统一般分为单台像机的脱机测量系统、多台像机的联机测量系统。此类系统与其它类系统一样具有精度高、非接触测量和便携等特点。此外，还具有其它系统所无法比拟的优点：测量现场工作量小、快速、高效和不易受温度变化、振动等外界因素的干扰。数字近景摄影测量系统特有的1/10000的高精度不仅能满足特困难区域工程测量、水利电力勘测、建筑测量、变形监测、动静态监测、矿山测量、逆向工程、三维重建、数字文博、植物生长监测、VR展示、数字城市等众多行业的不同应用需求。因此，本发明提供一种基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统，将装置安装在隧道侧壁处，将相机集群对准隧道需监控部位，输入控制参数采集相关图像并进行图像数据分析以获取监控部位场景及结构变形数据，进而提高隧道变形监测的精度与效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统的结构示意图。如图1所示，所述基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统包括：相机集群装置1、相机轨道装置2、信息传输设备3、数据服务器4和应用端5。

所述相机集群装置1固定于所述相机轨道装置2上，用于采集隧道图像，进行隧道现场环境及结构变化监控。所述相机集群装置1由多个相机集合而成，具体的，所述相机集群装置1包括多个相机和扇形基座，多个相机通过扇形基座集成为一体，所述相机集群装置通过所述扇形基座固定于所述机器人上所述相机轨道装置2用于承载相机集群装置1在隧道内的运动，并控制相机集群装置1的拍摄参数，例如，拍摄时间、拍摄角度、拍摄频率等。所述相机轨道装置2安装于隧道壁的电缆上方，所述相机轨道装置2包括相机轨道和机器人，所述机器人安装于所述相机轨道上，相机轨道为一条凹字形结构轨道，轨道上运行机器人，轨道安装位置在隧道壁的电缆上方，不会超出电缆布设区域。所述相机集群装置1固定于所述机器人上，所述相机集群装置1通过所述机器人调节在所述相机轨道上的运动状态。所述机器人可以使用已有的成熟的机器人来控制，也可以根据实际情况定制适合的机器人，机器人根据预先设定任务或自身服务器接收的任务指令调节自身的运动状态，进而调节相机的状态。具体的，相机集群装置1的安装位置如图2所示，图2为本发明基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统中相机集群的安装位置示意图，此时，相机轨道之上是机器人，机器人上是集群相机。

信息传输设备3用于接收远程指令并控制相机集群装置1和相机轨道装置2，将相机集群装置1的位置和采集的隧道图像数据自动发送至远程数据服务器4。具体的，所述相机集群装置1的数据输出端通过所述信息传输设备3与所述数据服务器4的数据输入端连接，所述相机集群装置1通过所述信息传输设备3将采集的隧道图像数据传输至所述数据服务器4；所述应用端5的输出端通过所述信息传输设备3与所述机器人的控制端连接，所述应用端5通过所述信息传输设备3将输出的控制指令传输至所述机器人，以调节所述机器人的运动状态；所述数据服务器4的数据输出端通过所述信息传输设备3与所述应用端5的数据输入端连接，所述数据服务器4通过所述信息传输设备将接收的隧道图像数据发送至所述应用端5，所述应用端5用于对所述隧道图像数据进行分析，得到隧道变形的监测结果。

优选的但不限于，所述信息传输设备3包括互联网传输设备和4G传输设备，所述相机集群装置1的数据输出端通过所述4G设备与所述数据服务器4的数据输入端连接；所述应用端5的输出端通过所述互联网传输设备与所述机器人的控制端连接；所述数据服务器4的数据输出端通过所述互联网传输设备与所述应用端5的数据输入端连接。

本发明的相机集群装置1、相机轨道装置2和信息传输设备3可集成一体，监测图像传输采用移动/联通/电信的4G信号(或者根据实际地区的信号情况，可以采用2G/3G/4G)；数据服务器4用于存储和管理隧道图像数据；应用端5为电脑应用端或手机应用端，且所述应用端5上安装有影像数据处理软件。信息传输设备3一旦启动后，可自动采集及传输数据至数据服务器4，无需人工干预，应用端5控制分析软件可随时打开查看，也可随时终止，更改采集参数后重新启动。

本发明将装置安装在隧道侧壁处，将相机集群对准隧道需监控部位，输入控制参数采集相关图像并进行图像数据分析以获取监控部位场景及结构变形数据。具体的，工作过程如下：

首先，在后台服务器运行数据收发管理软件，使其处于侦听状态，在现场安装好相机轨道装置、相机集群装置与信息传输设备的一体化装置，信息传输设备中内置移动电话卡，接通电源启动后，可现场通过应用端控制分析软件(笔记本电脑)对监测装置进行设置，设定服务器地址、数据端口、采集频率等参数后便可自动运行，相机集群装置采集的数据通过信息传输设备自动存储到后台数据服务器。应用端控制分析软件分为控制版本和显示版本，控制版本为授权技术人员使用，可启动、停止和更改参数，显示版本可提供给监测人员、业主、监理、施工单位等用户使用，可实时观看监测数据，但不能控制监测装置。

本发明还提供一种基于数字摄影测量技术的隧道变形监测方法，所述隧道变形监测方法应用于上述的隧道变形监测系统，所述隧道变形监测方法包括：

(1)获取相机集群装置拍摄的隧道图像数据。

(2)根据隧道图像数据，通过影像数据处理软件进行空三及绝对定向，获取点云数据；本发明的影像数据处理软件为Lensphoto，也可以采用其他影像数据处理软件。

(3)根据所述点云数据的DEM生成DEM/DOM，获得隧道监测面数据变化量的对比结果。DEM，即数字高程模型(Digital Elevation Model)；DSM，即数字地表模型(DigitalSurface Model，缩写DSM)；DOM，即数字正射影像图(Digital Orthophoto Map)。

(4)根据对比结果确定所述隧道监测面变形的监测结果。

所述隧道变形监测方法还包括：

根据隧道的监测需求，获取所述隧道的监测参数；所述监测参数包括监测位置和监测角度；

根据所述监测参数调节生成机器人的调节指令；

根据所述调节指令调节所述机器人的运动状态，所述运动状态包括运动距离、俯仰角度和距离相机轨道的高度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统，其特征在于，包括：相机集群装置、相机轨道装置、信息传输设备、数据服务器和应用端；

所述相机集群装置固定于所述相机轨道装置上，用于采集隧道图像；所述相机轨道装置安装于隧道壁的电缆上方，所述相机轨道装置包括相机轨道和机器人，所述机器人安装于所述相机轨道上，所述相机集群装置固定于所述机器人上，所述相机集群装置通过所述机器人调节在所述相机轨道上的运动状态；所述相机集群装置的数据输出端通过所述信息传输设备与所述数据服务器的数据输入端连接，所述相机集群装置用于将采集的隧道图像数据传输至所述数据服务器；所述应用端的输出端通过所述信息传输设备与所述机器人的控制端连接，所述应用端用于将输出的控制指令传输至所述机器人，以调节所述机器人的运动状态；所述数据服务器的数据输出端通过所述信息传输设备与所述应用端的数据输入端连接，所述数据服务器用于将接收的隧道图像数据发送至所述应用端，所述应用端用于对所述隧道图像数据进行分析，得到隧道变形的监测结果。

2.根据权利要求1所述的基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统，其特征在于，所述相机集群装置包括多个相机和扇形基座，多个所述相机通过所述扇形基座集成为一体，所述相机集群装置通过所述扇形基座固定于所述机器人上。

3.根据权利要求1所述的基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统，其特征在于，所述信息传输设备包括互联网传输设备和4G传输设备，所述相机集群装置的数据输出端通过所述4G设备与所述数据服务器的数据输入端连接；所述应用端的输出端通过所述互联网传输设备与所述机器人的控制端连接；所述数据服务器的数据输出端通过所述互联网传输设备与所述应用端的数据输入端连接。

4.根据权利要求1所述的基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统，其特征在于，所述相机集群装置、相机轨道装置和信息传输设备集成为一体。

5.根据权利要求1所述的基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统，其特征在于，所述数据服务器用于存储和管理所述隧道图像数据。

6.根据权利要求1所述的基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统，其特征在于，所述应用端为电脑应用端或手机应用端。

7.根据权利要求1所述的基于数字摄影测量技术的隧道变形监测系统，其特征在于，所述应用端上安装有影像数据处理软件。

8.一种基于数字摄影测量技术的隧道变形监测方法，其特征在于，所述隧道变形监测方法应用于权利要求1-7任一项所述的隧道变形监测系统，所述隧道变形监测方法包括：

获取相机集群装置拍摄的隧道图像数据；

根据隧道图像数据，通过影像数据处理软件进行空三及绝对定向，获取点云数据；

根据所述点云数据的DEM生成DEM/DOM，获得隧道监测面数据变化量的对比结果；

根据所述对比结果确定所述隧道监测面变形的监测结果。

9.根据权利要求8所述的基于数字摄影测量技术的隧道变形监测方法，其特征在于，所述隧道变形监测方法还包括：

根据隧道的监测需求，获取所述隧道的监测参数；所述监测参数包括监测位置和监测角度；

根据所述监测参数调节生成机器人的调节指令；

根据所述调节指令调节所述机器人的运动状态，所述运动状态包括运动距离、俯仰角度和距离相机轨道的高度。