CN114279404A

CN114279404A - 一种基于相机串联网络的隧道沉降无线监测方法

Info

Publication number: CN114279404A
Application number: CN202111559120.1A
Authority: CN
Inventors: 叶肖伟; 魏瑜均; 金涛; 陈延博
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-04-05

Abstract

一种基于相机串联网络的隧道沉降无线监测方法，具体实施流程如下：A.布置仪器；B.调试设备；C.设定参数；D.监测与存储结果。利用双头相机捕获图像数据，通过由若干无线通信模块构成的多跳自组织网络传输图像数据至计算机进行图像数据分析处理。基于模板更新匹配算法，不断计算同一相机相邻帧图像内LED灯模板的像素位移差。计算LED灯模板的累计像素位移差值与实际距离的比例关系得到监测靶标与对应相机的实际相对位移。将所有监测靶标与对应相机之间的相对位移代入若干由几何关系导出的线性方程组，即可同时得到监测点位和相机的实际沉降量。本发明灵活性好，无需布置大量线缆，能监测隧道纵向多点沉降，成本低，维护方便。

Description

一种基于相机串联网络的隧道沉降无线监测方法

技术领域

本发明涉及光学、计算机视觉技术、图像处理技术和无线通信技术，具体涉及到使用相机进行隧道沉降的自动、实时和无线监测。

背景技术

近年来，随着我国经济发展水平和城市交通出行需求的不断提高，城市地下轨道交通作为缓解地面交通拥堵和提高城市空间资源利用效率的重要手段，得以蓬勃发展。然而，隧道施工、邻近基坑开挖、邻近新建隧道施工等均会引起隧道周围土体扰动，诱发隧道沉降，进而导致隧道开裂、渗漏水等病害，对隧道施工安全和服役性能产生严重威胁。在施工阶段，实时掌握隧道沉降情况可以及时对施工参数作出调整；在运维阶段，实时掌握隧道沉降情况可以了解隧道动态服役性能并及时实施相应维护措施。因此，进行隧道沉降的自动、实时和长期监测，对保障隧道施工和服役安全具有重要意义。

隧道沉降是隧道全寿命期的重点监测对象之一。相较于地面结构，由于隧道施工环境复杂、内部可利用空间小、距离长，进行精确、实时、长期、自动化、长距离、低成本、易维护的沉降监测仍然是一个重大挑战。目前隧道沉降监测方法主要有以下几种：

1、基于水准仪的隧道沉降监测方法。该方法是目前最常使用的监测手段，通过在控制点架设水准仪，测量被测点所在位置的高程，经过两次测量的高程差获得每个测点的沉降情况。使用水准仪进行隧道沉降监测目前存在以下缺点：(1)每次监测均需要重新架设水准仪，树立水准尺，监测频率受到限制，难以实时监测；(2)在隧道内部难以找到合适的位置架设水准仪和水准尺；(3)难以实现自动化，人工观测存在一定误差。

2、基于静力水准仪的隧道沉降监测方法。目前静力水准仪类型有光纤光栅静力水准仪、磁致伸缩静力水准仪、压差式静力水准仪等。该方法需要选取基准点和监测点，在各点安装静力水准仪并用通液管连接各水准仪。虽然不同类型的静力水准仪测量水准仪内液位或液压的方法不同，但其本质都是通过传感器感应各水准仪之间的液位或液压差得到监测点之间的相对竖向位移。使用静力水准仪进行隧道沉降监测目前存在以下缺点：(1)静力水准仪需人工安装和调平，由于隧道内部环境复杂，难以找到合适的参照物，其安装质量受到较大影响；(2)多数隧道非水平走向，存在一定坡度，静力水准仪需采用“转点式”安装以适应隧道坡度，增加了监测成本且转点越多监测结果误差越大；(3)一般的中小型隧道，内部空间狭小，静力水准仪易受过往人员和机械设备的磕碰而破坏；(4)在隧道内，静力水准仪基准点难以保持绝对静止。

3、基于全站仪的隧道沉降监测方法。该方法在每个测点位置安装棱镜，通过全站仪逐一扫描棱镜获取每个测点的沉降变化情况。使用全站仪进行隧道沉降监测目前存在以下缺点：(1)全站仪需逐一扫描监测点处的棱镜，监测频率受限；(2)普通全站仪需要人工进行监测，无法实现自动化监测，与水准仪相比优势较小；(3)全自动全站仪可以实现自动化监测，但价格昂贵。

以上几种方法均存在一定缺点，无法有效胜任在隧道复杂环境下，对隧道沉降进行精确、实时、长期、自动化、低成本、易维护监测的任务。如何实现隧道全寿命期沉降快速布置、高精度、长距离、低成本、自动化、易维护监测成为相关领域科研工作者和工程技术人员面对的一个难题。

发明内容

本发明要克服现有隧道沉降监测方法在监测精度、监测成本、监测时限、监测范围和复杂环境适应性等方面的不足，提出一种基于相机串联网络的隧道沉降无线监测方法。

本发明方法利用光学镜头、图像传感器、多跳自组织无线网络和数字图像处理技术对目标区段隧道进行多点无线沉降监测。测量装置主要包括监测靶标、双头相机、无线通信模块和计算机。本发明要解决以下问题：

一是实现隧道沉降监测系统现场快速布置。由于隧道施工环境复杂、监测需求灵活多变，隧道沉降监测设备宜简化布置步骤，提高布置速度以适应现场施工和监测的双重需求，确保在隧道施工完成后第一时间对隧道开展沉降监测。

二是实现隧道沉降监测系统轻量化。由于隧道内部环境复杂、可利用空间小、设备和线缆易损坏，减少线缆布置、减小洞内监测设备体积和监测系统复杂度，有利于降低隧道沉降监测系统后期维护难度，更好地对监测系统进行高效、及时维护，实现隧道沉降的全寿命期监测。

三是利用相机串联网络实现隧道结构纵向多点沉降监测。传统单相机测量方法只能测量一个平面内的点位移，而相机串联网络中的相机均为双头相机，双头相机和监测靶点在纵向上交替布置。测量过程中双头相机可同时监测左侧和右侧两个点位的位移，通过求解若干组数学方程可以获得不同平面内相机和靶点的位移，从而实现隧道纵向多点沉降监测。

四是利用多跳自组织无线网络技术实现沉降监测数据在隧道内部的长距离无线传输。由于现代隧道埋深大、距离长，大部分隧道内部无线信号薄弱，监测数据难以直接使用移动网络、WIFI等传输至计算机。利用无线通信模块在隧道内部建立自组织网络，并采用多跳方式传输图像数据至计算机，可以实现图像数据在隧道内部的长距离无线传输。

五是实现自动、实时、长期隧道沉降监测。隧道施工期沉降变化的快速性和连续性及运营期隧道沉降的持续性要求监测系统能够全天候、较高频率、持续监测其沉降情况，以全面、及时掌握隧道长期沉降变化规律，确保能监测到隧道结构施工及运营期重要时间节点的沉降演化发展过程。

本发明所述的一种基于相机串联网络的隧道沉降无线监测方法，具体实施流程如下：

A.布置仪器。

A1.考察隧道内、外现场情况，综合考虑施工环境和结构监测需求，选择合适的隧道监测点位和相机安装点位，相邻双头相机间设置两个监测点位；

A2.在监测点位处隧道顶部附近选择合适位置固定监测靶标，确保靶标安装牢固、不松动、不倾斜；每个监测靶标由顶部LED灯，顶部灯室，充电电池，LED灯开关和靶标杆组成；

A3.在相机安装点位处的隧道顶部附近选择合适位置安装相机保护盒(两边带开口)，在盒内固定双头相机和无线通信模块，安装变焦镜头。无线通信模块和相机用通信线缆相连。

B.调试设备。

B1:检查连接相机与模块的通信线缆，确保通信线缆完好且两端稳定连接；

B2.调整相机保护盒至水平，确保相机、模块与保护盒间及隧道与保护盒间连接牢固；

B3.紧固双头相机，确保组成双头相机的两个单相机具有相同的俯仰角、位移和旋转；

B4.将监测靶标顶部灯室开口侧朝向镜头，安装内部电池，如果现场有条件可外接电源，通过开关测试检验监测靶标顶部LED灯是否可以正常发光；

B5.调节镜头焦距和光圈、相机曝光值和增益值，确保相机视野中监测靶标LED灯的成像清晰可见。

C.设定参数。

C1.测量各相机到监测靶标杆中心的直线距离和每个监测靶标至其安装横断面隧道顶部的距离，计算各相机视野中像素尺寸和实际尺寸的比例关系；

C2.利用各相机点位的无线通信模块建立多跳自组织网络，根据各模块现场位置确定最佳网络拓扑结构，设置采用频率、数据无线传输频率和数据存储路径；

C3.获取各相机第一帧图像，在第一帧图像内圈出LED灯作为追踪模板，预估每个监测点在监测期间可能产生的沉降量，给每个靶标LED灯划定监测区域。

D.监测与存储结果。

D1.检查无线数据传输是否稳定、计算机接收数据频率是否与相机采样频率相同、是否有相机点位数据缺失；

D2.正式监测开始前，最后检验一次靶标LED灯成像是否清晰、相机曝光、增益和存储路径是否正确；

D3.开始监测，以经验判断监测结果是否合理，是否存在锯齿波或者过大过小的非正常沉降结果。如监测结果不合理，则重复检查B、C、D1和D2步骤是否有误；

D4.经检验判断结果合理后，持续运转沉降监测系统，并及时做好后期维护工作。

上述步骤中所有无线通信模块共同构成多跳自组织网络。每个相机点位的无线通信模块和双头相机间通过两根通信线缆相连，相机采集的图像数据首先利用通信线缆传输至无线通信模块，再由多跳组织网络传输至隧道洞口的计算机，最后通过计算机进行图像处理分析。两个无线通信模块间距应适宜，以免影响数据传输效率。

监测靶标顶部为一端开口的灯室，开口侧朝向相机镜头，灯室内壁采用黑色哑光漆处理，用以减小阳光或其他邻近照明光源的影响。

根据现场实际条件，靶标顶部LED灯可以采用内部充电电池或外接电源供电。若采用充电电池供电，应根据LED灯的功率和内部电池容量预估工作时间，在电池耗尽前予以及时更换；若采用外接电源供电，内部充电电池可对外部电源断开后进行应急供电。

测量相机到监测靶标杆中心的直线距离和每个监测靶标与隧道顶部的距离，计算视野中像素尺寸和实际尺寸的比例关系的过程，宜采用手持激光测距仪进行。在条件受限的情况下，也可以采用卷尺，此时同一距离应多次测量取平均值以减小误差。

图像处理采用模板更新匹配算法。在监测开始前，首先获得第一帧图像，圈出LED灯作为追踪模板，模板区域像素中心的位置作为计算该点沉降的基准点，根据预估的沉降量圈出该点的监测区域；监测开始后，在第二帧图像的监测区域内搜索LED灯模板的最佳匹配，通过第一帧模板区域像素中心的位置与当前帧匹配所得模板区域的像素中心位置，计算像素位移差值并将第二帧图像更新为新的基准点；依此类推，不断计算同一相机相邻帧图像内LED灯模板的像素位移差。像素位移累计差值即为LED灯在图像中的总像素位移，通过实际尺寸与像素尺寸的比例关系计算得到该监测靶标与相邻相机的相对位移。将所有监测靶标和相机的相对位移代入若干由几何关系导出的线性方程组，即可同时得到监测点位和相机的实际沉降量。

与现有的技术相比，本技术有几下几个优点：

1、监测靶标和相机布置快速，具有较高灵活性，可以满足复杂施工和运营环境下隧道沉降监测需求；

2、通过相机串联网络监测隧道纵向多点沉降，解决传统单相机只能监测一个平面内点位移的问题；

3、基于多跳自组织无线网络技术实现隧道内部长距离无线数据传输，现场无需布置大量线缆，极大降低监测系统现场布置难度。此外，多跳自组织网络中的节点可任意退出或加入，系统具有较高扩展性和鲁棒性；

4、所有沉降监测点的位移可同步监测，相比人工测量、自动全站仪、静力水准仪等沉降监测方法，具有更好的时间同步性；

5、通过采用模板更新匹配算法和靶标顶部灯室内壁哑光处理，可以有效降低包括阳光在内的外部光源干扰，提高数据精准度；

6、系统采样频率可以通过选取合适的工业相机与参数进行调整，具有广泛的场景适应性；

7、相比现有方法，本技术所用监测系统简单，仪器成本低，后期维护方便快捷，可回收重复利用率高。

附图说明

图1是本发明方法的装置示意图。

图2是本发明方法的测量流程图。

图例说明：图1中的代号分别表示：

1——计算机，

2——双头工业相机，

3——变焦镜头，

4——相机保护盒，

5——无线通信模块，

6——沉降监测点，

7——相机安装点，

8——靶标底部一面开口的立方体灯室，

9——靶标杆，

10——可充电电池，

11——靶标固定板，

12——LED灯开关，

13——LED灯外接电源线，

14——靶标底部LED灯，

15——监测靶标，

16——通信线缆，

17——隧道。

具体实施方式

结合图1所示情景和图2所示监测流程详细阐述本发明实施过程。

参见图1和图2，本发明中所举案例为利用多台双头工业相机及相应无线通信模块、监测靶标对隧道某一区段内多点沉降进行无线监测，具体实施步骤如下：

A.布置仪器。

A1.考察待测隧道区段现场情况，综合考虑施工或运营环境及相应的监测需求，选择合适的隧道沉降监测点位6；

A2.将监测靶标15固定到待测点位6处隧道17顶部附近，确保监测靶标15安装牢固、不松动、不倾斜；每个监测靶标15由底部LED灯14，底部灯室8，可充电电池10，LED灯开关12，靶标杆9，靶标固定板11组成；

A3.在相机安装点7安装相机保护盒4，在盒内固定双头工业相机2和无线通信模块5，安装变焦镜头3，双头工业相机2用通信线缆16与无线通信模块5相连。

B.调试设备。

B1:检查连接相机与模块的通信线缆16，确保通信线缆16完好且两端稳定连接；

B2.调整相机保护盒4至水平，确保双头工业相机2、无线通信模块5与保护盒4间及隧道17与保护盒4间连接牢固；

B3.紧固双头工业相机2，确保组成双头相机2的两个单相机具有相同的俯仰角、位移和旋转；

B4.将底部灯室8开口侧朝向相机镜头3，安装可充电电池10，若现场有条件电源线13可外接。通过LED灯开关12测试检验靶标底部LED灯14是否可以正常发光；

B5.调节变焦镜头3的焦距和光圈、双头工业相机2的曝光值和增益值，确保双头工业相机2两端相机视野中的靶标底部LED灯14成像均清晰可见。

C.设定参数。

C1.测量相邻双头工业相机2至靶标杆9中心的距离及靶标杆中心9至其安装横断面隧道17顶部的距离，计算相机视野中像素尺寸和实际尺寸的比例关系；

C2.利用各相机安装点位7的无线通信模块5建立多跳自组织网络，根据各模块5现场位置确定最佳网络拓扑结构，设置采用频率、数据无线传输频率和数据存储路径；

C3.获取各相机第一帧图像，在第一帧图像内圈出LED灯14作为追踪模板，预估每个沉降监测点6在监测期间可能产生的沉降总量，给每个靶标LED灯14划定监测区域。

D.监测与存储结果。

D2.正式监测开始前，最后检验一次靶标LED灯14成像是否清晰、相机曝光、增益和存储路径是否正确；

上述步骤中所有无线通信模块5共同构成多跳自组织网络。每个相机安装点位7的无线通信模块5和双头相机2间通过两根通信线缆16相连，相机采集的图像数据首先利用通信线缆16传输至无线通信模块5，再由多跳组织网络传输至隧道洞口的计算机1，最后通过计算机1进行图像处理分析。两个无线通信模块5间距应适宜，以免影响数据传输效率。

监测靶标15底部为一端开口的灯室8，开口侧面对相机镜头，灯室8内壁采用黑色哑光漆处理，用以减小阳光或其他邻近照明光源的影响。

靶标底部LED灯14采用可充电电池10或外接电源线13供电，电池10安装在靶标杆9内部。若现场没有条件外接电源，应根据LED灯14的功率和电池10容量预估工作时间，电池耗尽前予以及时更换。

测量相邻双头工业相机2至靶标杆9中心的距离及靶标杆中心9至其安装横断面隧道17顶部的距离，计算视野中像素尺寸和实际尺寸的比例关系的过程，宜采用手持激光测距仪进行。在条件受限的情况下，也可以采用卷尺，此时同一距离应多次测量取平均值以减小误差。

图像处理采用模板更新匹配算法。在监测开始前，首先捕获相机第一帧图像，圈出LED灯14作为追踪的模板，模板区域像素中心的位置作为计算该点沉降的基准点，根据预估的沉降量圈出该点的监测区域；监测开始后，在相机第二帧图像的监测区域内搜索LED灯模板的最佳匹配，通过第一帧模板区域像素中心的位置与当前帧匹配所得模板区域的像素中心位置，计算像素位移差值并将第二帧图像更新为新的基准点；依此类推，不断计算同一相机相邻帧图像内LED灯模板的像素位移差。像素位移累计差值即为LED灯在图像中的总像素位移，通过实际尺寸与像素尺寸的比例关系计算得到该监测靶标与相邻相机的相对位移。将所有监测靶标与对应相机之间的相对位移代入若干由几何关系导出的线性方程组，即可同时得到监测点位和相机的实际沉降量。

本说明书实施案例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施案例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims

1.一种基于相机串联网络的隧道沉降无线监测方法，具体实施流程如下：

A.布置仪器；

A3.在相机安装点位处的隧道顶部附近选择合适位置安装相机保护盒(两边带开口)，在盒内固定双头相机和无线通信模块，安装变焦镜头；无线通信模块和相机用通信线缆相连；

B.调试设备；

B5.调节镜头焦距和光圈、相机曝光值和增益值，确保相机视野中监测靶标LED灯的成像清晰可见；

C.设定参数；

C3.获取各相机第一帧图像，在第一帧图像内圈出LED灯作为追踪模板，预估每个监测点在监测期间可能产生的沉降量，给每个靶标LED灯划定监测区域；

D.监测与存储结果；

D3.开始监测，以经验判断监测结果是否合理，是否存在锯齿波或者过大过小的非正常沉降结果；如监测结果不合理，则重复检查B、C、D1和D2步骤是否有误；

D4.经检验判断结果合理后，持续运转沉降监测系统，并及时做好后期维护工作；监测过程采用模板更新匹配算法进行，具体包括：

在监测开始前，首先获得第一帧图像，圈出LED灯作为追踪模板，模板区域像素中心的位置作为计算该点沉降的基准点，根据预估的沉降量圈出该点的监测区域；监测开始后，在第二帧图像的监测区域内搜索LED灯模板的最佳匹配，通过第一帧模板区域像素中心的位置与当前帧匹配所得模板区域的像素中心位置，计算像素位移差值并将第二帧图像更新为新的基准点；依此类推，不断计算同一相机相邻帧图像内LED灯模板的像素位移差；像素位移累计差值即为LED灯在图像中的总像素位移，通过实际尺寸与像素尺寸的比例关系计算得到该监测靶标与相邻相机的相对位移；将所有监测靶标与相机之间的相对位移代入若干由几何关系导出的线性方程组，即可同时得到监测点位和相机的实际沉降量。