CN111623750A - 隧道结构位移近景摄影靶向监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道结构位移近景摄影靶向监测系统，属于隧道图像处理领域。该系统包括：固定安装在待监测隧道沉降区域的红外反光合作标志，图像测量站，以及固定设置于隧道稳定区域的基准人工合作标志架。本发明能够对隧道结构沉降进行自动、实时、远程、智能监测的低成本的测量设备，以满足大量运营隧道中重点风险部位的实时监控需求。

Description

隧道结构位移近景摄影靶向监测系统

技术领域

本发明属于隧道图像处理领域，涉及隧道结构位移近景摄影靶向监测系统。

背景技术

在已建成运营的隧道中，对于地质结构风险较大或已经出现病害或变形的部位需要对隧道的结构进行经常性或实时监测，以便及时发现和预知潜在的安全风险，根据需要随时进行加固支护等作业，从而保证隧道的安全运营。

常规的手段通常采用测绘机器人、全站仪、水准仪等测量工具，定期的对需要重点监控的隧道部位进行测绘测量，以检测其相对于稳定基准点的沉降大小。但是，上述沉降监测方式在定期进行测量时要么需要专业的测绘人员架设相关的仪器设备，影响交通；或者采用固定点位布设安装全站仪等设备的方式进行不间断测量，成本较高，需要投入的人力物力较大。

因此，随着图像处理技术、无线网络技术软硬件的发展，有必要研究一种能够对隧道结构沉降进行自动、实时、远程、智能监测的低成本的测量设备，以满足大量运营隧道中重点风险部位的实时监控需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种隧道结构位移近景摄影靶向监测系统，能够完成对隧道风险部位进行实时的、全天候的、远程的、自动的沉降变形监控测量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

隧道结构位移近景摄影靶向监测系统，该系统包括：

固定安装在待监测隧道沉降区域的红外反光合作标志，

图像测量站，

以及固定设置于隧道稳定区域的基准人工合作标志架。

可选的，所述图像测量站为“肩并肩”式测量站或“背靠背”式测量站；

其中，“肩并肩”式测量站满足：基准系人工合作标志架置于红外反光合作标志和图像测量站之间，在图像测量站中，对准红外反光合作标志的定焦远摄镜头和对准人工合作标志的短焦定焦镜头面向同一侧进行放置；

“背靠背”式测量站满足：基准系人工合作标志和红外反光合作标志分别置于图像测量站的两侧，在图像测量站中，对准红外反光合作标志的定焦远摄镜头和对准人工合作标志的短焦定焦镜头分别面向前后进行放置。

可选的，所述图像测量站为组合式测量站，组合式测量站满足：通过增加定焦远摄镜头对多个断面相对于同一基准点的沉降变化进行监测，形成组合式测量站，用于对多个断面进行监测，且断面分布在不同的隧道轴向距离上。

可选的，当所述图像测量站包含多个相机时，固定连接的不同相机之间的相对姿态保持不变。

可选的，所述多个相机之间的基座和固定连接的结构采用铟钢材料，铟钢材料含铁64％、镍36％，在-250℃和+200℃之间具有低的热膨胀系数。

可选的，所述图像测量站置于保温箱中，以减小图像测量站的温度变化率。

可选的，所述保温箱上布设有若干温度传感器，以实时采集保温箱的温度分布，通过监测系统的温漂模型对环境温度变化带来的误差进行修正。

可选的，所述保温箱的两侧观测窗上布设有防尘设备。

可选的，所述防尘设备为雨刷。

可选的，所述红外反光合作标志的本地坐标系为T，基准坐标系为B，图像监测站C由相机1和相机2固定连接构成，其中相机1瞄准的是红外反光合作标志，相机2瞄准的是基准坐标系，对应的相机坐标系分布为C1和C2；

本地坐标系T和基准坐标系B，两个刚体坐标系之间的姿态相对关系用一个三维空间的旋转矩阵R表示，位置相对关系用一个三维平移向量t表示，即：

δt_B＝R_T→B·δt_T

在计算机视觉测量中，当事先标定出相机的内参数后，对于刚体坐标系，利用单目测姿原理，求出红外反光合作标志的本地坐标系T与其对应的相机坐标系C1之间的姿态关系R_T→C1，相机坐标系C2与对应的基准坐标系B之间的姿态关系R_C2→B；

相机坐标系C1与相机坐标系C2之间则为固定连接关系，相对位姿关系R_C1→C2通过标定架进行机器人手眼标定的方法来得到，从而基于姿态传递规则，最终得到本地坐标系T与基准坐标系B之间的相对旋转矩阵R_T→B为：

R_T→B＝R_T→C1·R_C1→C2·R_C2→B。

本发明的有益效果在于：能够对隧道结构沉降进行自动、实时、远程、智能监测的低成本的测量设备，以满足大量运营隧道中重点风险部位的实时监控需求。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为“肩并肩”式测量方案分布示意图；

图2为“背靠背”式测量方案分布示意图；

图3为“肩并肩”式测量站示意图；

图4为“背靠背”式测量站示意图；

图5为“组合”式测量站示意图；

图6为保温箱设计示意图；

图7为隧道结构位移监测流程；

图8为相对沉降量基准系映射示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图8，为一种隧道结构位移近景摄影靶向监测系统。

1、系统方法

隧道结构位移近景摄影靶向监测系统是一套基于图像采集设备的智能化实时监测系统，能够完成对隧道风险部位进行实时的、全天候的、远程的、自动的沉降变形监控测量。

整个系统包括：(1)固定安装在待监测隧道沉降区域的红外反光合作标志；(2)图像测量站；(3)固定设置于隧道稳定区域的基准人工合作标志架。

整体的监控布设如图1和图2所示，根据基准系合作标志架和沉降监测带相对于图形测量站的位置关系，可分为“肩并肩”式测量和“背靠背”式测量。

“肩并肩”式测量将基准系人工合作标志置于红外反光合作标志和图像测量站之间，在图像测量站中，对准红外反光合作标志的定焦远摄镜头和对准人工合作标志的短焦定焦镜头面向同一侧进行放置，如图3所示图。

“背靠背”式测量将基准系人工合作标志和红外反光合作标志分别置于图像测量站的两侧，在图像测量站中，对准红外反光合作标志的定焦远摄镜头和对准人工合作标志的短焦定焦镜头分别面向前后进行放置，如图4所示图。

当需要对多个断面进行监测，且断面分布在不同的隧道轴向距离上，可通过增加定焦远摄镜头对多个断面相对于同一基准点的沉降变化进行监测，形成组合式测量站，如图5所示。

在多相机图像测量站中，要求固连的不同相机系统之间的相对姿态保持不变。相机系统之间的基座和固连结构采用热胀冷缩系数较低的铟钢材料(含铁64％、镍36％，在-250℃和+200℃之间具有极低的热膨胀系数)，并将图像测量站置于良好设计的保温箱中，以最大程度的减小测量站温度的变化率。在保温箱上布设若干温度传感器，以实时采集保温箱的温度分布，最终通过系统温漂模型的方式对环境温度变化带来的误差进行修正。保温箱同时也是保护箱，可以在两侧的观测窗上布设雨刷等防尘设备，设计如图6所示：

2、监测流程

如图7所示。

3、相对位移基准系映射建立

下面再对如何将待监控区域红外反光合作标志的相对沉降量映射到在远离沉降区域设置的基准坐标系的原理进行详细阐述，原理示意图如图8所示：

设在图8中待监测的红外反光合作标志的本地坐标系为T，基准坐标系为B，图像监测站C由两个数字相机固连构成，其中相机1瞄准的是红外反光合作标志，相机2瞄准的是基准坐标系，对应的相机坐标系分布为C1和C2。两个刚体坐标系之间的姿态相对关系可以用一个三维空间的旋转矩阵R表示，位置相对关系可以用一个三维平移向量t表示，也即：

δt_B＝R_T→B·δt_T

在计算机视觉测量中，当事先标定出相机的内参数后，那么对于刚体坐标系，利用单目测姿原理，可以求出反光合作标志坐标系T与其对应的监控相机坐标系C1之间的姿态关系R_T→C1，同理我们可以相应的求解出监控相机C2与对应的基准坐标系B之间的姿态关系R_C2→B，而相机C1与相机C2之间则为固连关系，它们之间的相对位姿关系R_C1→C2可以事先通过标定架进行机器人手眼标定的方法来得到，从而基于姿态传递规则，最终可以得到待测目标坐标系T与基准坐标系B之间的相对旋转矩阵R_T→B为：

R_T→B＝R_T→C1·R_C1→C2·R_C2→B

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.隧道结构位移近景摄影靶向监测系统，其特征在于：该系统包括：

固定安装在待监测隧道沉降区域的红外反光合作标志，

图像测量站，

以及固定设置于隧道稳定区域的基准人工合作标志架。

2.根据权利要求1所述的隧道结构位移近景摄影靶向监测系统，其特征在于：所述图像测量站为“肩并肩”式测量站或“背靠背”式测量站；

其中，“肩并肩”式测量站满足：基准系人工合作标志架置于红外反光合作标志和图像测量站之间，在图像测量站中，对准红外反光合作标志的定焦远摄镜头和对准人工合作标志的短焦定焦镜头面向同一侧进行放置；

“背靠背”式测量站满足：基准系人工合作标志和红外反光合作标志分别置于图像测量站的两侧，在图像测量站中，对准红外反光合作标志的定焦远摄镜头和对准人工合作标志的短焦定焦镜头分别面向前后进行放置。

3.根据权利要求1所述的隧道结构位移近景摄影靶向监测系统，其特征在于：所述图像测量站为组合式测量站，组合式测量站满足：通过增加定焦远摄镜头对多个断面相对于同一基准点的沉降变化进行监测，形成组合式测量站，用于对多个断面进行监测，且断面分布在不同的隧道轴向距离上。

4.根据权利要求1所述的隧道结构位移近景摄影靶向监测系统，其特征在于：当所述图像测量站包含多个相机时，固定连接的不同相机之间的相对姿态保持不变。

5.根据权利要求4所述的隧道结构位移近景摄影靶向监测系统，其特征在于：所述多个相机之间的基座和固定连接的结构采用铟钢材料，铟钢材料含铁64％、镍36％，在-250℃和+200℃之间具有低的热膨胀系数。

6.根据权利要求4所述的隧道结构位移近景摄影靶向监测系统，其特征在于：所述图像测量站置于保温箱中，以减小图像测量站的温度变化率。

7.根据权利要求6所述的隧道结构位移近景摄影靶向监测系统，其特征在于：所述保温箱上布设有若干温度传感器，以实时采集保温箱的温度分布，通过监测系统的温漂模型对环境温度变化带来的误差进行修正。

8.根据权利要求6所述的隧道结构位移近景摄影靶向监测系统，其特征在于：所述保温箱的两侧观测窗上布设有防尘设备。

9.根据权利要求8所述的隧道结构位移近景摄影靶向监测系统，其特征在于：所述防尘设备为雨刷。

10.根据权利要求1或2所述的隧道结构位移近景摄影靶向监测系统，其特征在于：所述红外反光合作标志的本地坐标系为T，基准坐标系为B，图像监测站C由相机1和相机2固定连接构成，其中相机1瞄准的是红外反光合作标志，相机2瞄准的是基准坐标系，对应的相机坐标系分布为C1和C2；

本地坐标系T和基准坐标系B，两个刚体坐标系之间的姿态相对关系用一个三维空间的旋转矩阵R表示，位置相对关系用一个三维平移向量t表示，即：

δt_B＝R_T→B·δt_T

在计算机视觉测量中，当事先标定出相机的内参数后，对于刚体坐标系，利用单目测姿原理，求出红外反光合作标志的本地坐标系T与其对应的相机坐标系C1之间的姿态关系R_T→C1，相机坐标系C2与对应的基准坐标系B之间的姿态关系R_C2→B；

相机坐标系C1与相机坐标系C2之间则为固定连接关系，相对位姿关系R_C1→C2通过标定架进行机器人手眼标定的方法来得到，从而基于姿态传递规则，最终得到本地坐标系T与基准坐标系B之间的相对旋转矩阵R_T→B为：

R_T→B＝R_T→C1·R_C1→C2·R_C2→B。

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